嵇朋朋， 陳育中， 周劉喜， 席 飛

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院南京分院 電氣工程系, 江蘇 南京 210019;2.南京信息工程技術大學 大氣物理學院， 江蘇 南京 210044)

0 引言

隨著工業(yè)4.0時代的到來,對工業(yè)機器人應用技術提出智能化、低成本、高可靠性和易于集成控制等要求．工業(yè)機器人在包裝流水線等場合應用廣泛,例如進行分揀、碼垛、上下料、芯片產(chǎn)品排序等作業(yè)[1-3]．文獻將機器視覺與碼垛機器人控制技術相結合,解決碼垛機器人功能單一、適應性差的問題[4]．文獻設計了一種以不同尺寸的藥品產(chǎn)品箱為對象的全自動碼垛搬運系統(tǒng),提高了藥品擺放的自動化程度[5]．文獻分析里條煙包裝尺寸、訂單組成、垛型等因素,考慮多個約束條件,提出一種小規(guī)格分揀線自動碼垛算法[6]．文獻采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡軌跡優(yōu)化算法,不僅減少了誤差,還使擬合曲線更加接近實際曲線,同時提高了運動軌跡的穩(wěn)定性、準確性[7]．為了有效提高工業(yè)機器人碼垛運行軌跡穩(wěn)定性、效率以及平滑程度,文獻對其進行軌跡控制進行了優(yōu)化,從不同程度上保證運行軌跡的最優(yōu)化[8-10]．

圖1 ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC、威綸觸摸屏通訊示意圖

本文主要研究碼垛工藝普通功能實現(xiàn)法、碼垛工藝計時功能實現(xiàn)法、碼垛工藝樣式選擇實現(xiàn)法等三類碼垛工藝實現(xiàn)方法,并通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對軌跡進行優(yōu)化,從而提高軌跡穩(wěn)定性、準確性．

ABB機器人工作站包含ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC、威綸觸摸屏等,其連接關系如圖1所示,威綸觸摸屏通過組態(tài)軟件設置虛擬按鍵并給S7-200 SmartPLC發(fā)送命令,S7-200 SmartPLC接收到命令之后通過輸出地址Q12.0～Q12.3,傳遞數(shù)據(jù)到ABB機器人控制器．如表1所示,ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC、威綸觸摸屏是通過 I/O實現(xiàn)互相通訊、傳遞數(shù)據(jù)和控制動作等功能．

表1 ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC I/O分配表

表2 ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC I/O分配表

1 碼垛工藝實現(xiàn)方法

1.1 碼垛工藝普通功能實現(xiàn)法

圖2 普通碼垛垛型示意圖

普通功能碼垛工藝是最簡單的碼垛工藝方法,通過預先示教,ABB機器人末端自動安裝夾爪工具,并利用安裝的夾爪工具將碼垛塊夾取-搬運-釋放等一系列簡單步驟的集合．整個過程就是將3個碼垛塊從取料平臺A搬運并堆碼至存料平臺B上,3個碼垛塊呈水平平行放置,如圖2所示,完成碼垛工藝后,將夾爪工具卸至夾爪工具架．

普通碼垛工藝有兩種方法可以實現(xiàn),一是ABB機器人在線示教、在線編程,二是ABB機器人在線示教、離線編程．兩種方法均可滿足普通碼垛工藝的需求,為了方便描述,本文主要討論第二種碼垛工藝方法．首先,通過ABB示教器獲得夾爪工具、碼垛架A、碼垛平臺B、夾取碼垛塊、放置碼垛塊、ABB機器人初始位置及安全位置等六軸數(shù)據(jù),再利用離線軟件,搭建ABB機器人工作站虛擬環(huán)境．在離線軟件界面的調(diào)試面板中對ABB機器人六軸的數(shù)值進行調(diào)整,將已經(jīng)記錄的上述數(shù)據(jù)一一確定夾爪工具、碼垛架A、碼垛平臺B、夾取碼垛塊、放置碼垛塊、ABB機器人初始狀態(tài)及安全狀態(tài)等虛擬環(huán)境位置．

普通碼垛工藝的離線編程是決定整個動作流程的關鍵,如圖3和圖4所示,分別是普通碼垛工藝離線程序編輯流程圖,普通碼垛工藝動作流程圖．

圖3 普通碼垛工藝離線程序編輯流程圖

圖4 普通碼垛工藝動作流程圖

1.2 碼垛工藝計時功能實現(xiàn)法

碼垛工藝計時功能與普通碼垛工藝流程類似,其在普通碼垛工藝基礎上加入計時功能模塊即可實現(xiàn)．計時功能的關鍵在于工業(yè)機器人控制器、觸摸屏、PLC三者之間的通訊,在整個過程中,首先通過觸摸屏點擊開始碼垛工藝,再通過PLC程序開始計時任務,并同時通過總線發(fā)送命令給工業(yè)機器人控制器,工業(yè)機器人開始碼垛工藝的流程直至結束, 最后PLC程序設置將計時數(shù)據(jù)賦值給定時器,并在觸摸屏上顯示．創(chuàng)建的碼垛計時與拆垛計時界面,在“地址”欄中選擇計時器賦值為5,PLC程序中T5的數(shù)值就可以在觸摸屏上顯示．通過組輸出信號G-DO將工業(yè)機器人控制器指令傳送給PLC,讓計時器T5開始計時．利用觸摸屏的“數(shù)值元件”接收信號來顯示時間,最終完成帶計時功能的三花碼垛的編寫．

碼垛工藝計時功能的程序編輯、動作流程不同于普通碼垛工藝的流程,如圖5、圖6所示,碼垛工藝計時功能的設計雖然只是增加了一個計時模塊,但是需要涉及PLC編程、觸摸屏界面設置、以及普通碼垛工藝離線程序編輯等．

圖5 碼垛工藝計時功能程序編輯流程圖

圖6 碼垛工藝計時功能動作流程圖

1.3 碼垛工藝樣式選擇實現(xiàn)法

圖8 PLC與機器人控制器傳送數(shù)據(jù)程序

碼垛工藝樣式選擇功能設計思路主要是設計兩種以上碼垛樣式以供使用者選擇,樣式選擇中可以是普通功能、中斷功能或者計時功能等等．與計時功能一樣,樣式選擇功能也需要工業(yè)機器人控制器、觸摸屏、PLC三者之間的通訊．在整個操作過程中,操作人員通過觸摸屏選擇并確定碼垛工藝樣式,隨即通過PLC程序設置向工業(yè)機器人控制器發(fā)送指令,工業(yè)機器人開始執(zhí)行已經(jīng)選定的碼垛工藝樣式,直至整個碼垛工藝流程結束．碼垛工藝觸摸屏樣式選擇功能,有兩種碼垛工藝樣式可供選擇,并需確定選擇．如圖7所示,碼垛工藝樣式選擇PLC程序設置,通過判斷計數(shù)器C9的數(shù)值,將計數(shù)器C1的數(shù)值傳遞給VB3,從而確定觸摸屏選擇的是碼垛工藝樣式一或碼垛工藝樣式二．如圖8所示,PLC與工業(yè)機器人控制器傳送數(shù)據(jù)程序,此處用Q12.0～Q12.3組成4位二進制輸出,可輸出0～15等16個狀態(tài)．工業(yè)機器人控制通過判斷G-DI(組數(shù)據(jù)輸入)的數(shù)值來確定觸摸屏已經(jīng)選擇了哪一種碼垛工藝樣式．

圖7 碼垛工藝樣式選擇PLC程序

圖9 碼垛工藝樣式選擇功能程序編輯流程圖

碼垛工藝樣式選擇功能的程序編輯、動作流程是普通功能與樣式選擇碼垛工藝的集合,如圖9、圖10所示,分別是樣式選擇碼垛工藝程序編輯、工作流程圖,與計時功能碼垛工藝一樣,同樣涉及PLC編程、觸摸屏界面設置、以及不同樣式的碼垛工藝離線程序編輯等．

圖10 碼垛工藝樣式選擇功能動作流程圖

1.4 軌跡優(yōu)化及方法比較

1) 軌跡優(yōu)化

采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法[7-8]對三維空間內(nèi)碼垛工藝軌跡進行優(yōu)化,通過不斷調(diào)整網(wǎng)絡權值,求解最優(yōu)軌跡,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法如式(1)所示:

(1)

其中ωt表示基函數(shù)φi(x)的權重,φi(x)為Gauss函數(shù),如式(2)所示:

(2)

其中,‖x-xc‖表示碼垛軌跡的某個關節(jié)點到中心點的歐氏距離,σ為誤差系數(shù)．通過求解最優(yōu)的輸出響應,從而得出最佳碼垛軌跡．

碼垛工藝普通功能、計時功能、樣式選擇都是通過MoveJ、MoveL等指令循環(huán)運行實現(xiàn),因此其時間復雜度記為Ο(n),然后通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對軌跡進行優(yōu)化,因φi(x)是Gauss函數(shù),即為指數(shù)函數(shù),因此其時間復雜度記為Ο(2n)．所以利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化之后的碼垛軌跡的時間復雜度為Ο(2n)．

2) 方法比較

碼垛工藝普通功能、計時功能、樣式選擇可以基本滿足ABB工作站中不同的碼垛工藝要求．如表3所示,可以看出碼垛工藝普通功能、計時功能、樣式選擇,其實現(xiàn)方法是從簡單到復雜的遞進關系,都需要具備工業(yè)機器人編程的基本能力,現(xiàn)對其進行優(yōu)缺點對比如下:

(a) 碼垛工藝普通功能實現(xiàn)方法相比較而言,程序編輯簡單,調(diào)試方便,只涉及離線程序編輯,在離線軟件中完成仿真調(diào)試后無需修改直接ABB工作站調(diào)試．但其只能實現(xiàn)單一的碼垛功能,靈活性較差,無法完成系統(tǒng)的額外要求;

(b) 碼垛工藝計時功能實現(xiàn)方法是在普通功能的基礎上增加一個計時模塊,即PLC計時程序、觸摸屏顯示界面．此設計可以在觸摸屏顯示界面實時監(jiān)控碼垛工藝運行時間．但其設計離線編程、PLC程序編寫、觸摸屏界面設置,且聯(lián)機運行前需要檢驗PLC、機器人控制器、觸摸屏三者之間的數(shù)值傳送,程序編輯及聯(lián)機運行調(diào)試工作量較大;

(c) 碼垛工藝樣式選擇功能實現(xiàn)方法是普通功能和計時功能碼垛工藝方法的集合,需在離線編程中完成多種碼垛樣式供選擇,選擇樣式分為普通功能、中斷功能或者計時功能等．樣式選擇功能具有靈活性好,隨機性、適應性強等優(yōu)點,能夠滿足較多要求的碼垛工藝設計．但由于增加了樣式選擇,離線編程工作量大大增加,與計時功能調(diào)試工作類似,需要檢驗PLC、機器人控制器、觸摸屏三者之間的數(shù)值傳送,因此調(diào)試工作也相對困難．

表3 碼垛工藝實現(xiàn)方法比較

2 總結

通過研究碼垛工藝不同的實現(xiàn)方法,即碼垛工藝普通功能實現(xiàn)法、碼垛工藝計時功能實現(xiàn)法、碼垛工藝樣式選擇功能實現(xiàn)法,并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對碼垛軌跡進行優(yōu)化,從而提高碼垛工藝軌跡的穩(wěn)定性、準確性．與普通功能碼垛實現(xiàn)方法對比，計時功能碼垛實現(xiàn)方法在樣式選擇功能、實現(xiàn)方法性能方面的魯棒性、適應性更強．