(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 戶(hù)縣 710300)

0 引言

電動(dòng)吸盤(pán)式分揀機(jī)械手作為工廠領(lǐng)域的前沿產(chǎn)物，可以替代單程復(fù)雜工作，在先進(jìn)設(shè)備領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。該設(shè)備不但可以往復(fù)傳輸貨物、還可分揀產(chǎn)品，進(jìn)而替代人工勞動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動(dòng)化，保障在高腐蝕、高污染環(huán)境中人身安全[1]。將該設(shè)備應(yīng)用在機(jī)械制造與冶金部門(mén)，使用可編程程序，以中央處理器為主要核心，綜合先進(jìn)技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。由于傳統(tǒng)手動(dòng)系統(tǒng)存在電機(jī)回轉(zhuǎn)角度不準(zhǔn)確、分揀效率低等問(wèn)題，研究出一套自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)是具有必要性的。

借助精密傳感器，促使不同顏料按照預(yù)先設(shè)定流程對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分揀，該系統(tǒng)動(dòng)作靈活，降低人工勞動(dòng)力，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)大批量產(chǎn)品。采用預(yù)先設(shè)定流程對(duì)物料進(jìn)行自動(dòng)化分揀，可避免人工在高腐蝕、高污染環(huán)境中作業(yè)，減少對(duì)人體健康危害[2-3]。

文獻(xiàn)[4]提出了基于PLC、機(jī)器人和視覺(jué)系統(tǒng)的全自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。采用西門(mén)子S7—200 SMART進(jìn)行搬運(yùn)系統(tǒng)的邏輯控制，完成對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)、ABB工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、指示燈和安全門(mén)開(kāi)關(guān)等各種外設(shè)的通信控制工作。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)視和報(bào)警功能，但該系統(tǒng)效率偏低，不能進(jìn)行廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]提出基于FESTO自動(dòng)搬運(yùn)物流分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)過(guò)程主要模擬了搬運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，利用采集光電傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)真空吸盤(pán)氣動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取過(guò)程，結(jié)合FESTO自動(dòng)控制與壓缸氣動(dòng)聯(lián)合控制，完成分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的分揀精度較低，不能進(jìn)行精準(zhǔn)操作。

本文針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)吸盤(pán)式分揀機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的不足，對(duì)分揀機(jī)械手的控制效率以及精度進(jìn)行優(yōu)化。首先架構(gòu)自動(dòng)控制整體方案框圖，設(shè)計(jì)分揀機(jī)械手自動(dòng)上下料裝置方案，提高系統(tǒng)整體控制效率。對(duì)系統(tǒng)輸入輸出信息進(jìn)行分配，對(duì)回轉(zhuǎn)角度允許的誤差和機(jī)運(yùn)行速度展開(kāi)分析，高效提高電機(jī)回轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，分別采用傳統(tǒng)手動(dòng)控制和本文自動(dòng)控制方法測(cè)試回轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到的誤差與標(biāo)準(zhǔn)允許誤差結(jié)果相比，傳統(tǒng)誤差較大，而本文誤差較小，并對(duì)分揀效率進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確、且分揀效率高。

1 分揀機(jī)械手自動(dòng)控制整體設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)吸盤(pán)式分揀機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從功能角度分析可劃分為自動(dòng)上下料、執(zhí)行和顯示三大部分，根據(jù)實(shí)際需求，采用SPMC75F2413A單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心組件，將伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行元件，使用磁性傳感作為檢測(cè)元件，以此為基礎(chǔ)構(gòu)成系統(tǒng)框架，整體的方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)控制整體方案設(shè)計(jì)框圖

由圖1可知：系統(tǒng)硬件設(shè)置需選擇核心控制元件，首先設(shè)計(jì)集成電路，選擇SPMC75F2413A單片機(jī)芯片，由于該芯片具有充足I/O接口，不需要對(duì)芯片再次進(jìn)行編碼，只要擴(kuò)展就可完全滿(mǎn)足芯片端口設(shè)計(jì)需求。單片機(jī)外接信息傳輸模塊、伺服定位模塊、元件檢測(cè)模塊、按鍵按鈕以及報(bào)警指示。信息傳輸模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)信息的向外傳輸，將分揀機(jī)械手角度、路徑等控制信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可識(shí)別數(shù)據(jù)。按鍵按鈕主要作用于控制過(guò)程的停止與開(kāi)始，以及實(shí)現(xiàn)重啟功能。報(bào)警指示可以及時(shí)對(duì)控制故障或者信息的異常進(jìn)行提醒，該模塊相比之下靈敏度較高，且對(duì)其穩(wěn)定性要求也較高。若報(bào)警模板不夠穩(wěn)定，那將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓，直接影響控制準(zhǔn)確度。伺服定位模塊能夠通過(guò)編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)伺服電機(jī)的準(zhǔn)確定位，該定位模塊內(nèi)為閉環(huán)控制，抗干擾性較強(qiáng)。元件檢測(cè)模塊的意義在于其對(duì)元件的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，元件的健康與否決定著整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)控制需求，選擇CP1H-Y20DT-D型號(hào)的芯片作為控制主要芯片，采用DC 24 V作為主要電源，同時(shí)設(shè)置12個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出晶體管，同時(shí)搭載不同脈沖輸出，使單元能夠擴(kuò)展。進(jìn)行觸屏設(shè)置時(shí)，需選用NS系列，具有強(qiáng)烈繪制效果，同時(shí)具有較強(qiáng)兼容性，使用位置傳感器時(shí)，需選擇精準(zhǔn)度較高的接觸式傳感元件，該元件不會(huì)受到材料以及形狀影響，進(jìn)行重復(fù)定位精準(zhǔn)誤差不超過(guò)0.2 mm[6]。

系統(tǒng)自動(dòng)控制硬件原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理圖

由圖2可知，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)需將整個(gè)觸屏系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而顯示狀態(tài)，通過(guò)RS232接口調(diào)試系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)快速通信[7]。通過(guò)界面設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中反饋到的信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，硬件作為整個(gè)控制中心，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集與處理，伺服定位，自動(dòng)對(duì)上下料傳輸。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)基本需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下料的自動(dòng)傳輸，同時(shí)需加工經(jīng)過(guò)甩油處理后的送線(xiàn)上產(chǎn)品，電動(dòng)吸盤(pán)式分揀機(jī)械手自動(dòng)上下料裝置方案如圖3所示。

圖3 機(jī)械手自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)

由圖3可知：該裝置是由機(jī)床砂輪、安插座位、機(jī)械手、甩油裝置和輸送機(jī)組成的，主要工作流程為：將組件在輸送線(xiàn)上隨著工具一起傳送到工位處，經(jīng)過(guò)傳輸機(jī)定位，實(shí)現(xiàn)甩油裝置上工件上下料動(dòng)作快速完成，經(jīng)過(guò)上下料機(jī)械手動(dòng)作，完成輸送線(xiàn)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)加工后的工件輸送到下一工位上。待加工工件處理后，對(duì)工件定位，同時(shí)將上下料機(jī)械手回轉(zhuǎn)180°，確保防護(hù)門(mén)正常關(guān)閉，使整個(gè)裝置與外部保持間隔，經(jīng)過(guò)加工后，需將甩油裝置向輸送機(jī)處移動(dòng)，完成甩油動(dòng)作。系統(tǒng)輸入輸出信息見(jiàn)表1。

表1 主要輸入輸出地址分配表

由表1可知：傳輸?shù)男盘?hào)是由伺服脈沖信號(hào)、甩油裝置信號(hào)、防護(hù)門(mén)關(guān)閉信號(hào)共同組成的，使用兩種伺服分別表示2臺(tái)上下料的機(jī)械回轉(zhuǎn)伺服，由于對(duì)伺服要求精準(zhǔn)度較高，為此需采用脈沖輸出方式和驅(qū)動(dòng)輸入來(lái)分別完成上下料機(jī)械手的伺服運(yùn)動(dòng)。采用脈沖信號(hào)+方向坐標(biāo)的方式對(duì)集成電路進(jìn)行信號(hào)輸入，此時(shí)的信號(hào)包括機(jī)械手的限位信號(hào)和終點(diǎn)信號(hào)，各個(gè)元件信號(hào)以及伺服驅(qū)動(dòng)裝置的反饋信號(hào)對(duì)于系統(tǒng)安全與可靠都是至關(guān)重要的。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)自動(dòng)控制的軟件部分設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面，分別是觸屏界面設(shè)計(jì)和主程序設(shè)計(jì)。其中觸屏界面是由按鈕、指示燈和自由切換這3部分組成的，如圖4所示。

圖4 觸屏界面設(shè)置

由圖4可知：按照設(shè)計(jì)界面各個(gè)組件順序依次運(yùn)行指示燈、操作按鈕和界面切換，運(yùn)行狀態(tài)指示燈可顯示觸屏界面的各個(gè)上下料自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，操作按鈕可發(fā)送相關(guān)指令來(lái)完成相應(yīng)動(dòng)作。

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確保整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)齒輪能夠順利在機(jī)床上正常運(yùn)行，并滿(mǎn)足齒輪與中心軸之間距離的測(cè)量偏差在0.1～0.2 mm之間，為此需實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備準(zhǔn)確定位，進(jìn)而降低機(jī)械間各個(gè)組件帶來(lái)的誤差[8-9]。

針對(duì)誤差問(wèn)題，軟件部分設(shè)計(jì)需采用性能較高伺服系統(tǒng)來(lái)配合傳感器閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械分揀的自動(dòng)上下料傳輸，具體過(guò)程為：設(shè)置伺服機(jī)械驅(qū)動(dòng)器齒輪比，促使脈沖完全符合機(jī)械手的精準(zhǔn)定位，設(shè)機(jī)械手臂長(zhǎng)為T(mén)，齒輪與中心軸之間距離為t，那么整個(gè)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度允許的誤差大小為：

(1)

通過(guò)公式(1)可獲取允許誤差，為了防止傳感器突然停止工作造成的施工危險(xiǎn)，需依靠反饋控制方式來(lái)克服機(jī)械之間對(duì)于精準(zhǔn)定位的影響[10]。

結(jié)合脈沖向量f0與傳感器以及響應(yīng)時(shí)間來(lái)確定電機(jī)運(yùn)行速度，如公式(2)所示：

(2)

其中：s為響應(yīng)時(shí)間。

自動(dòng)控制可為機(jī)械手進(jìn)行上下料運(yùn)輸提供便捷途徑，在自動(dòng)甩油和輸送過(guò)程中，具體的自動(dòng)運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行流程

如圖5所示，流程開(kāi)始后，進(jìn)入系統(tǒng)檢測(cè)后，機(jī)械裝置進(jìn)行準(zhǔn)備，若裝置還沒(méi)有準(zhǔn)備好，那么程序自動(dòng)回到流程原點(diǎn)。如果機(jī)械裝置準(zhǔn)備就緒，那么進(jìn)行電機(jī)加工是否完成判斷，如果電機(jī)加工已經(jīng)完成，那么甩油裝置進(jìn)行內(nèi)設(shè)，開(kāi)啟甩油工作。如果電機(jī)加工沒(méi)有完成，那么需要先對(duì)其進(jìn)行輸送定位操作，進(jìn)而進(jìn)行工作甩油。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初次開(kāi)機(jī)時(shí)，需對(duì)上下料運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，檢查各個(gè)機(jī)構(gòu)是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，以及電源是否到位，設(shè)置動(dòng)作之間的密語(yǔ)，一旦沒(méi)有達(dá)到執(zhí)行效果，系統(tǒng)報(bào)警指示燈就會(huì)亮起，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電源，停止運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證電動(dòng)吸盤(pán)式分揀機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需熟練操作生產(chǎn)產(chǎn)品，需要50個(gè)工人同時(shí)使用50臺(tái)沖床進(jìn)行同時(shí)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)兩種工作方式，分別為手動(dòng)和自動(dòng)，方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，各個(gè)程序模塊的編寫(xiě)，需要結(jié)構(gòu)清晰，方便實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)調(diào)試與記錄。針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)建，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

在圖6中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)選擇開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，輸入點(diǎn)為SB04接通，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)程序；當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)選擇停止，輸入點(diǎn)為SB05接通，程序結(jié)束。

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 電機(jī)回轉(zhuǎn)角度允許誤差

電動(dòng)吸盤(pán)式分揀機(jī)械手控制對(duì)于電機(jī)回轉(zhuǎn)角度要求較為嚴(yán)格，為此需對(duì)回轉(zhuǎn)角度允許誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際允許的回轉(zhuǎn)角度允許誤差如表2所示。

表2 回轉(zhuǎn)角度實(shí)際允許誤差

將傳統(tǒng)手動(dòng)控制系統(tǒng)與改進(jìn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)回轉(zhuǎn)角度誤差展開(kāi)對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種系統(tǒng)回轉(zhuǎn)角度對(duì)比結(jié)果

由表3可知：分別采用傳統(tǒng)手動(dòng)控制和改進(jìn)自動(dòng)控制方法測(cè)試回轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到的誤差與標(biāo)準(zhǔn)允許誤差結(jié)果對(duì)比可知，傳統(tǒng)的手動(dòng)控制系統(tǒng)誤差最大已經(jīng)達(dá)到了0.97，這樣的誤差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用精度要求，改進(jìn)自動(dòng)控制回轉(zhuǎn)角度誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)手動(dòng)控制系統(tǒng)只有在回轉(zhuǎn)角度為120°、180°、360°時(shí)誤差在允許誤差范圍內(nèi)。

2.1.2 分揀機(jī)械手控制效率

為了提高實(shí)驗(yàn)可靠性，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)分揀機(jī)械手控制效率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種控制效率對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制效率出現(xiàn)了明顯漲跌，這說(shuō)明傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的效率不夠穩(wěn)定。而在控制效率大小方面，在產(chǎn)品數(shù)量為450個(gè)時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制率為55%，而本文改進(jìn)系統(tǒng)的控制效率為60%，在這之前，傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制效率也一直低于改進(jìn)系統(tǒng)的控制效率。隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制效率出現(xiàn)了下跌，當(dāng)產(chǎn)品的數(shù)量達(dá)到1050時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)控制精度下跌到25%。相比之下，改進(jìn)系統(tǒng)的控制效率一直處于上升趨勢(shì)，隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加，控制效率逐漸增高，當(dāng)產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到1050時(shí)，系統(tǒng)的控制效率為90%，這樣的效率數(shù)據(jù)可以滿(mǎn)足當(dāng)前對(duì)該系統(tǒng)的使用要求。綜上由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用手動(dòng)方法，導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量增多時(shí)，分揀機(jī)械效率大大降低；而采用改進(jìn)自動(dòng)控制方法，無(wú)論產(chǎn)品數(shù)量多與少，都不會(huì)影響分揀效率，反之，還會(huì)大大提升效率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可得出對(duì)比結(jié)果：

分別采用傳統(tǒng)手動(dòng)控制和改進(jìn)自動(dòng)控制方法測(cè)試回轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到的誤差與標(biāo)準(zhǔn)允許誤差結(jié)果對(duì)比可知，改進(jìn)自動(dòng)控制回轉(zhuǎn)角度誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)手動(dòng)控制系統(tǒng)回轉(zhuǎn)角度誤差值至少有一半已經(jīng)超越了允許誤差范圍。由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用手動(dòng)方法，導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量增多時(shí)，分揀機(jī)械效率大大降低；而采用自動(dòng)控制方法，無(wú)論產(chǎn)品數(shù)量多與少，都不會(huì)影響分揀效率，反之，還會(huì)大大提升效率。由此可知，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確、且分揀效率高。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工廠需根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合產(chǎn)品加工難度設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上料、輸送等自動(dòng)控制功能，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行能夠提高整體工作效率，且回轉(zhuǎn)角度較為準(zhǔn)確，減少機(jī)械調(diào)整時(shí)間。將該系統(tǒng)投入到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可改善工作環(huán)境，進(jìn)而大大降低勞動(dòng)程度，具有良好的應(yīng)用前景。

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