盧勇威

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水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

盧勇威

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧，530226）

基于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，利用機(jī)器人技術(shù)，對(duì)水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)整體方案進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)；采用融合機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)器人虛擬控制、傳感器技術(shù)、PLC編程等技術(shù)于一身的數(shù)字化智能工廠仿真軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)分級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)的虛擬建模和對(duì)系統(tǒng)流程動(dòng)作的真實(shí)模擬，可在設(shè)計(jì)階段提高方案的可行性與可靠性，并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可視化的展示與交流平臺(tái)。

機(jī)器人；智能工廠仿真；自動(dòng)化系統(tǒng)

引言

以人工感官識(shí)別和人手操作為特征的傳統(tǒng)水果分揀，效率低下，分揀效果差、勞動(dòng)力強(qiáng)度大，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)有需求。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是視覺(jué)技術(shù)方面的提高，機(jī)器人代替人工辨別水果的大小、顏色、好壞、飽滿(mǎn)程度已成為可能。為適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展，改造、提升傳統(tǒng)作業(yè)，利用機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化水果分級(jí)系統(tǒng)已成為可能。

由于機(jī)器人全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)涉及機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，機(jī)器人控制技術(shù)，傳感器技術(shù)，PLC技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多領(lǐng)域?qū)W科，綜合性強(qiáng)，難度大，不穩(wěn)定因素較多，因此，在方案設(shè)計(jì)階段，采用數(shù)字化智能工廠仿真軟件對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行三維建模，對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)系統(tǒng)機(jī)器人進(jìn)行PLC虛擬控制，不僅提高了方案的準(zhǔn)確性，而且降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化數(shù)字工廠有重要意義。

本文以油梨為例，設(shè)計(jì)油梨自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)基于一條具備完整功能的生產(chǎn)線(xiàn)，主要由原料（水果）系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、裝箱系統(tǒng)、自動(dòng)開(kāi)箱系統(tǒng)、封箱系統(tǒng)、貼標(biāo)系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)能夠單獨(dú)運(yùn)作，連接處平穩(wěn)過(guò)渡，相互關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)之間能夠良好配合，達(dá)到系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)布局規(guī)劃要充分利用空間，又要合理安全。

2 總體方案規(guī)劃

2.1 機(jī)器人技術(shù)

相對(duì)傳統(tǒng)的人工作業(yè)和非標(biāo)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人在可編程性、通用性、靈活性等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的非標(biāo)設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)備功能單一，產(chǎn)品更換適應(yīng)性差，而工業(yè)機(jī)器人只需更換末端夾具便可適應(yīng)不同的產(chǎn)品，其優(yōu)越性日益突出。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的輸送系統(tǒng)上，利用機(jī)器人技術(shù)，采用并聯(lián)機(jī)器人，關(guān)節(jié)型機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)作業(yè)。

2.2 工序流程規(guī)劃

系統(tǒng)總體流程從水果儲(chǔ)存箱開(kāi)始，依次通過(guò)輸送帶由機(jī)器人分揀、裝箱打包、最后進(jìn)倉(cāng)碼垛，具體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

2.3 布局及設(shè)備配置規(guī)劃

通過(guò)工序流程，將系統(tǒng)優(yōu)化，將系統(tǒng)分3大模塊，分別為：（1）分揀模塊，（2）裝箱打包模塊，（3）進(jìn)倉(cāng)碼垛模塊。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)布局圖

3 系統(tǒng)建模與運(yùn)動(dòng)仿真

系統(tǒng)的仿真，由機(jī)器人及智能工廠離線(xiàn)編程軟件（以下稱(chēng)離線(xiàn)編程軟件）實(shí)現(xiàn)，離線(xiàn)編程軟件具有現(xiàn)代工廠生產(chǎn)線(xiàn)全方位數(shù)字規(guī)劃功能，整合了物流及機(jī)器人模擬功能，可以有效地處理龐大的系統(tǒng)方案，具體流程如圖3所示。

圖3 仿真流程圖

3.1 三維建模

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維建模，離線(xiàn)編程軟件集合了各設(shè)備供應(yīng)商的部件庫(kù)，通過(guò)軟件現(xiàn)有的3D CAD數(shù)據(jù)建立三維仿真部件，具有建模簡(jiǎn)單，建模速度快，模型功能逼真等特點(diǎn)。

3.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置提供了各種傳感器、機(jī)械、機(jī)器人等設(shè)備的屬性設(shè)置，包括速度、加速度、運(yùn)動(dòng)序列、時(shí)間控制等屬性。各種參數(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，動(dòng)作節(jié)拍進(jìn)行調(diào)整。

3.3 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)過(guò)程仿真包括原料（油梨）供給作業(yè)，輸送線(xiàn)輸送作業(yè)，機(jī)器人作業(yè)，立體倉(cāng)庫(kù)作業(yè)以及其它設(shè)備作業(yè)等過(guò)程仿真。

（1）分揀模塊仿真

分揀模塊仿真過(guò)程從水果出料機(jī)開(kāi)始，依次到托盤(pán)出料機(jī)、平帶輸送機(jī)，最后到并聯(lián)機(jī)器人分揀結(jié)束。為了使仿真符合真實(shí)情況，水果設(shè)定為豐滿(mǎn)、普通、壞三種品質(zhì)，仿真軟件中以紅色、紫色、白色三種顏色代替，利用出料機(jī)屬性設(shè)置，可設(shè)置三種顏色水果出料的關(guān)系，這里設(shè)置水果出料的方式為隨機(jī)形式，并且增大紅色跟紫色果出料的概率為48%，減少白色果的出料概率為4%，以達(dá)到模擬真實(shí)情況效果。托盤(pán)盛裝水果總數(shù)為6，排列形式為3列2行。兩臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人分別撿紅色的果和紫色的果到托盤(pán)上，白色（壞果）輸送到廢果箱（見(jiàn)圖4）。

圖4 分揀模塊仿真

（2）裝箱打包模塊仿真

裝箱打包模塊仿真過(guò)程從模擬自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)開(kāi)箱作業(yè)開(kāi)始，由滾筒輸送線(xiàn)輸送箱子，當(dāng)箱子到達(dá)推箱機(jī)構(gòu)中，傳感器感應(yīng)，推箱機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將箱子推到裝箱臺(tái)，最終由機(jī)器人裝箱。其中，機(jī)器人裝箱第一步先將（1）中分揀完成的水果裝到箱中，再?gòu)呐菽胖门_(tái)將泡沫裝到水果的上層，至此，第一臺(tái)機(jī)器人作業(yè)完畢。裝了一層水果的箱子再次由推箱機(jī)構(gòu)推送至滾筒輸送線(xiàn)，輸送至第二臺(tái)機(jī)器人裝箱臺(tái)上，并重復(fù)與第一臺(tái)機(jī)器人相同裝箱工序，完成第二層水果的裝箱，最后再由滾筒輸送機(jī)輸送。在離線(xiàn)編程軟件中，機(jī)器人的動(dòng)作可由機(jī)器人底座設(shè)置參數(shù)形成，也可進(jìn)行PLC實(shí)時(shí)連接控制（如圖5所示）。

圖5 裝箱打包模塊仿真

（3）進(jìn)倉(cāng)碼垛模塊

將上文（2）中裝箱完畢的箱子推入到封箱機(jī)，由封箱機(jī)進(jìn)行封箱作業(yè)，再由貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行貼標(biāo)，并進(jìn)入到堆垛機(jī)工作范圍，最后送進(jìn)立體倉(cāng)庫(kù)；為了模擬現(xiàn)實(shí)情況，仿真中設(shè)置立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)倉(cāng)出倉(cāng)數(shù)量，設(shè)置進(jìn)倉(cāng)5個(gè)箱子時(shí)出倉(cāng)1個(gè)箱子，以此達(dá)到出倉(cāng)碼垛仿真（如圖6所示）。

圖6 進(jìn)倉(cāng)碼垛模塊

（4）模塊綜合

將上述設(shè)計(jì)建模的模塊結(jié)合在一起，并添加適當(dāng)?shù)膱?chǎng)景，如圍欄，電柜，工人等，至此，方案總體部分建模完畢（如圖7所示）。

圖7 模塊綜合

由于上述（1）、（2）、（3）仿真過(guò)程只是在模塊方面進(jìn)行，綜合后各模塊的節(jié)拍并不一致，特別在（1）、（2）兩模塊銜接的節(jié)拍更是重要的。解決方法是：首先，設(shè)置原料出口機(jī)參數(shù)，設(shè)置每秒鐘輸送水果的數(shù)量以及輸送速度，然后依次設(shè)置輸送帶輸送速度，自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)開(kāi)箱速度，滾筒輸送機(jī)輸送速度，最后運(yùn)行測(cè)試，從仿真結(jié)果可以看到箱子節(jié)拍跟水果分揀節(jié)拍配合效果明顯（如圖8所示）。

圖8 節(jié)拍配合圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用機(jī)器人技術(shù)對(duì)水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、布局規(guī)劃，并結(jié)合離線(xiàn)編程軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了水果全自動(dòng)分揀生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)相比，機(jī)器人應(yīng)用靈活，智能程度高，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化工廠有重要意義。另外，采用離線(xiàn)編程軟件能夠快速有效地進(jìn)行方案建模仿真，并在方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不斷地優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)布局，與傳統(tǒng)CAD二維設(shè)計(jì)相比，離線(xiàn)編程軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)布局，方案設(shè)計(jì)周期短，可視化程度高，能夠迅速根據(jù)客戶(hù)要求設(shè)計(jì)出方案，提高設(shè)計(jì)效率，對(duì)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)有重要意義。

［1］劉興堂，劉力，宋坤，王超. 對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真的幾點(diǎn)重要思考［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007（13）：3073-3075，3104.

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Design and Simulation of the Automatic Fruit Grading System

LU Yong-wei
（Guangxi Vocational and Technical College， Nanning， Guangxi 530226）

Based on the automatic production line and the robotic technology， an overall program of the automatic fruit grading system is planned and designed. By adopting the digital intelligent plant simulation software combining the fusion mechanical transmission technology， virtual robot control， sensor technology and PLC programming techniques，researchers conducted a simulation design on the system. The virtual modeling of the production line and real simulation on the systemic process movement are achieved， the feasibility and reliability of scheme can be improved at the design stage， and a visual display and communication platform can be provided on the system's design.

robot； Intelligent plant simulation； Automatic system

盧勇威（1971-），男，壯族，廣西南寧市人，研究生，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：智能控制技術(shù)。

TP274+.3

A

1674-3083（2016）03-0016-04

2016-04-30

2015年度廣西教育廳課題“基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能技術(shù)的高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)和實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的研究與實(shí)踐”，項(xiàng)目編號(hào)：桂教職成〔2015〕22號(hào)，重點(diǎn)-1，項(xiàng)目主持人：李衛(wèi)東。