嵇朋朋 竇艷艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京分院，江蘇 南京210019）

1.背景

1.1 相關(guān)工作介紹

從20世紀70年代開始，工業(yè)機器人應用技術(shù)不斷發(fā)展，帶來了很多便利，同時也面臨著更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著大批量、高效率的工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷推廣和工業(yè)4.0時代的到來，對其應用技術(shù)提出智能化、低成本、高可靠性和易于集成控制等要求[1]。工業(yè)機器人在包裝流水線上應用廣泛，例如進行分揀、碼垛、上下料等作業(yè)，由此對于工業(yè)機器人實現(xiàn)產(chǎn)品自動分揀功能的技術(shù)也應運而生[2-5]，但是利用ABB工作站對于芯片產(chǎn)品排序方面的研究還未出現(xiàn)。本文工作主要針對的是全國職業(yè)院校技能大賽集訓工作，目的是為了提高學生工作效率和培養(yǎng)高技能人才，從而進一步提高學生的職業(yè)能力[6]。

1.2 本文工作

職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)機器人技術(shù)應用”賽項以ABB工業(yè)機器人為核心部件，融合了工具快換、PLC、氣動技術(shù)、限位傳感器、視覺檢測、觸摸屏等先進應用技術(shù)；以工業(yè)機器人在異形芯片插件工序的應用為背景，主要考核基礎(chǔ)維護、涂膠、碼垛、分揀、裝配等工作任務，以促進工業(yè)機器人編程、系統(tǒng)調(diào)試以及現(xiàn)場維護等崗位技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)，切實解決工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)人才嚴重短缺的問題[7]。本文通過研究分揀環(huán)節(jié)的產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法，為提高產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)效率、培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才提供有力的技術(shù)和理論支撐。

工作站提供4種不同形狀的模擬芯片，每類兩種顏色，如圖1所示。在初始時，按照芯片料庫中的指定料槽擺放各類芯片，如圖2所示。根據(jù)任務要求，需從芯片料庫中剔除所有摻雜或探出所有空位，剩余芯片產(chǎn)品留在芯片料庫原位。在此基礎(chǔ)上將剩余芯片產(chǎn)品進行排序，芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法主要有芯片產(chǎn)品簡單排序?qū)崿F(xiàn)法、芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法、芯片產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法這3類產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法。為了方便研究，假設(shè)剔除所有摻雜或探出所有空位后，芯片料庫中剩余芯片產(chǎn)品個數(shù)如表1所示，并給出一種特殊的排列方式，如圖3所示（圖3只是表1所列芯片產(chǎn)品的其中一種形式）。

圖1 4種不同形狀的模擬芯片

圖2 芯片料盤芯片擺放位置

表1 芯片料庫中剩余芯片數(shù)量

圖3 芯片產(chǎn)品數(shù)量的一種特殊初始排列方式

2.芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法研究

2.1 芯片產(chǎn)品簡單排序?qū)崿F(xiàn)方法

將芯片料庫中剔除所有摻雜或探出所有空位，利用芯片料庫中的空位將所有剩余芯片產(chǎn)品按顏色進行排序，具體產(chǎn)品排序要求如下：排序位置要求如圖2所示，三極管芯片，A類芯片從14號位置開始依次往后擺放，B類芯片從19號位置開始依次往前擺放；電容芯片，A類芯片從21號位置開始依次往后擺放，B類芯片從26號位置開始依次往前擺放；集成電路芯片，A類芯片從5號位置開始依次往后擺放，B類芯片從12號位置開始依次往前擺放；CPU芯片，A類芯片從1號位置開始依次往后擺放，B類芯片從1號位置開始依次往前擺放。

若對4種芯片按要求進行排序，假設(shè)XN{i}為4種芯片產(chǎn)品數(shù)目，KA{4}為A類芯片數(shù)目，KB{4}為B類芯片數(shù)目，KC{4}為空位數(shù)目，K{4}為4種芯片產(chǎn)品的過渡位置，PX{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類芯片產(chǎn)品，2表示B類芯片產(chǎn)品，具體算法流程如下。

此算法流程較為簡單，參數(shù)及步驟較冗余，但可以完成芯片產(chǎn)品排序任務，將圖3所示例子用此算法完成，完成效果如圖4。

圖4 簡單排序?qū)崿F(xiàn)法的效果示意圖

2.2 芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法

將芯片料庫中剔除所有摻雜或探出所有空位，利用芯片料庫中的空位將所有剩余芯片產(chǎn)品按顏色進行排序，具體產(chǎn)品排序要求如下：A類芯片產(chǎn)品從前往后放置奇數(shù)位置，B類芯片產(chǎn)品從前往后放置偶數(shù)位置。

與芯片產(chǎn)品簡單排序?qū)崿F(xiàn)方法一樣，對4種芯片按要求進行排序，假設(shè)XN{i}為4種芯片產(chǎn)品數(shù)目，KA{4}為A類芯片數(shù)目，KB{4}為B類芯片數(shù)目，KC{4}為空位數(shù)目，K{4}為4種芯片產(chǎn)品的過渡位置。PA{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類芯片產(chǎn)品，2表示B類芯片產(chǎn)品，PM{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類芯片產(chǎn)品，2表示B類芯片產(chǎn)品。與簡單排序?qū)崿F(xiàn)方法最大的不同就是，在排序之前首先人為地將PM{4,8}設(shè)定為排序后的目標狀態(tài)，排序?qū)崿F(xiàn)方法就是將現(xiàn)狀態(tài)與目標狀態(tài)相比較，與目標狀態(tài)相同的位置芯片保持不動，與目標狀態(tài)不同的位置芯片需互換位置，并記錄新的狀態(tài)，具體算法流程如下。

FOR X FROM 1 TO 4 DO

FOR A FROM 1 TO KA{X}DO

FOR B FROM KA{X}+1 TO XN{X}DO

IF PA{X,A}＜＞PM{X,B}THEN

Get X,1,A,15;

Put X,1,K{X},15;

Get X,1,B,15;

Put X,1,A,15;

Get X,1,K{X},15;

Put X,1,B,15;

PA{X,A}：=PA{X,B};

PK：=PA{X,B};

PA{X,B}：=PA{X,A};

ENDIF

ENDFOR

ENDFOR

ENDFOR

雖然芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法與簡單排序?qū)崿F(xiàn)法有些區(qū)別，但是根據(jù)題目要求都可以完成兩種不同的排序任務。交替排序?qū)崿F(xiàn)法在編程及邏輯上更簡潔、有效，可根據(jù)題意對目標狀態(tài)進行預先設(shè)定，并與現(xiàn)狀態(tài)進行對比，此方法魯棒性更強，根據(jù)要求完成的排序?qū)崿F(xiàn)如圖5。

圖5 交替排序?qū)崿F(xiàn)法的效果示意圖

2.3 芯片產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法

在簡單排序?qū)崿F(xiàn)法、交替排序?qū)崿F(xiàn)法基礎(chǔ)上，本文思考用人機交互界面設(shè)定每個位置的芯片顏色及狀態(tài)，此類排序?qū)崿F(xiàn)法叫做混合排序?qū)崿F(xiàn)方法。在研究過交替排序?qū)崿F(xiàn)算法后，可知芯片產(chǎn)品的目標位置狀態(tài)可通過人為設(shè)定。而混合排序?qū)崿F(xiàn)方法就是要通過人機交互界面代替人為設(shè)定的目標位置狀態(tài)，使得排序狀態(tài)更加隨機，更加不確定，難度更大。同理，假設(shè)XN{i}為4種芯片產(chǎn)品數(shù)目，KA{4}為A類芯片數(shù)目，KB{4}為B類芯片數(shù)目，KC{4}為空位數(shù)目，K{4}為4種芯片產(chǎn)品的過渡位置，PA{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類芯片產(chǎn)品，2表示B類芯片產(chǎn)品。人機交互界面設(shè)定PM{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類芯片產(chǎn)品，2表示B類芯片產(chǎn)品。與交替排序?qū)崿F(xiàn)法最大的不同就是，用人機交互界面設(shè)定排序后的目標狀態(tài)PM{4,8}，排序?qū)崿F(xiàn)方法就是將現(xiàn)狀態(tài)與目標狀態(tài)相比較，與目標狀態(tài)相同的位置芯片保持不動，與目標狀態(tài)不同的位置芯片需互換位置，并記錄新的狀態(tài)。具體算法流程與交替排序?qū)崿F(xiàn)法一致。

假設(shè)人機交互界面設(shè)定排序后的目標狀態(tài)PM{4,8}={{1,0,1,0,1,2,2,NON},{1,2,1,2,1,0,1,NON},{1,0,1,0,1,2,0,2},{1,2,0,1}}，則排序結(jié)果如圖6所示。

圖6 混合排序?qū)崿F(xiàn)法的效果示意圖

2.4 產(chǎn)品排序方法的比較

基于ABB工業(yè)機器人工作站芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法是通過ABB工業(yè)機器人手臂位置裝有吸盤工具實現(xiàn)芯片產(chǎn)品按要求搬運，以致完成最終的芯片產(chǎn)品排序。

芯片產(chǎn)品簡單排序?qū)崿F(xiàn)方法是最簡單的排序方法，利用窮舉法搜索需要交換的芯片。如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號位置紅色芯片，2、5號位置灰色芯片,6、7、8號位置為空位置，現(xiàn)需按要求將紅色芯片產(chǎn)品放置1、2、3號位置，灰色芯片產(chǎn)品放置7、8號位置，中間為空位。首先，通過從前往后搜索1號位置紅色芯片，產(chǎn)品不動，2號芯片產(chǎn)品為非紅色，搬運至空位，再從后往前搜索5號位置不動，4號位置芯片產(chǎn)品為紅色，將4號芯片產(chǎn)品搬運至2號位置，最后將原先搬運至空位的原2號位置芯片搬運至4號位置，重復循環(huán)此操作即可完成簡單排序。

芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)方法，如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號位置紅色芯片，2、5號位置灰色芯片,6、7、8號位置為空位置，現(xiàn)需按要求將紅色芯片產(chǎn)品放置1、3、5號位置，灰色芯片產(chǎn)品放置2、4號位置，中間為空位。與芯片產(chǎn)品簡單排序方法不同，芯片產(chǎn)品交替排序有產(chǎn)品目標狀態(tài)變量，只要將現(xiàn)狀態(tài)與目標狀態(tài)相對比，例如通過搜索會發(fā)現(xiàn)4、5號位置芯片產(chǎn)品狀態(tài)均與目標狀態(tài)不同，則需利用空位對4、5號位置不同狀態(tài)的芯片產(chǎn)品進行互換。

芯片產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)方法，如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號位置紅色芯片，2、5號位置灰色芯片,6、7、8號位置為空位置，現(xiàn)通過人機交互按要求將紅色芯片產(chǎn)品放置1、3、5號位置，灰色芯片產(chǎn)品放置6、8號位置，其余位置為空位。與芯片產(chǎn)品交替排序方法類似，通過人機交互所有產(chǎn)品目標狀態(tài)，只要將現(xiàn)狀態(tài)與目標狀態(tài)相對比，例如通過搜索會發(fā)現(xiàn)2、4、5、6、8號位置芯片產(chǎn)品狀態(tài)均與目標狀態(tài)不同，逐步將2、5號位置芯片產(chǎn)品分別搬運至6、8號位置，再將4號位置芯片產(chǎn)品搬運至5號位置即可完成產(chǎn)品排序。

如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號位置紅色芯片，2、5號位置灰色芯片,6、7、8號位置為空位置。對于這種排序任務，3種方法均能夠有效實現(xiàn)，但是對于交替排序和混合排序任務，簡單的排序程序不僅會產(chǎn)生程序冗余現(xiàn)象，還有可能出現(xiàn)完不成任務，甚至程序報錯。如表2所示，對于完成集成電路芯片簡單排序任務所需搬運次數(shù)也有所不同，簡單排序方法需要5次搬運才能完成任務，交替排序和混合排序方法僅需要3次就能完成任務。相比而言，后兩種排序方法更加簡潔、靈活，尤其是混合排序方法能夠?qū)崿F(xiàn)各種產(chǎn)品排序任務。

表2 完成集成電路芯片簡單排序任務所需搬運次數(shù)

3.總結(jié)

本文根據(jù)技能大賽實際要求和約束條件，完成并實現(xiàn)芯片產(chǎn)品排序，并給出3種不同的芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法，即產(chǎn)品簡單排序?qū)崿F(xiàn)法、產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法、產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法。比較研究之后，產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法性能更加魯棒，適應性更強。通過對芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)法的研究，加快了技能訓練的效率，也提升了學生及老師的技能水平。