李文平

（沈陽機床（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

產(chǎn)品抽檢抓手屬于設(shè)備機械化發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種新型裝置，尤其在近年來電子技術(shù)不斷發(fā)展與變革的社會背景下，將電子技術(shù)與計算機技術(shù)進(jìn)行融合，進(jìn)行機器人與智能化設(shè)備的開發(fā)與生產(chǎn)，已成了我國高新技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)注重點與研究焦點。使用產(chǎn)品抽檢抓手對流水線生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，不僅可以實現(xiàn)抽檢過程的人機交互，同時也可以更好地將機械與自動化技術(shù)進(jìn)行動態(tài)融合[1]。使用機床設(shè)備，將其與產(chǎn)品抽檢抓手進(jìn)行動態(tài)化融合，構(gòu)建一個具有柔性加工性能的質(zhì)量檢驗單元，用于機械工程中大型與小型設(shè)備流水生產(chǎn)線，使機械生產(chǎn)的過程更加規(guī)范。產(chǎn)品抽檢抓手的適應(yīng)性較強，不會因外界運行環(huán)境的干擾而出現(xiàn)異常運行問題，并且使用柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)控制產(chǎn)品抽檢抓手，當(dāng)機械手中某個零部件發(fā)生故障需要被更替時，可采用直接替換的方式對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)更新，該方式可進(jìn)一步滿足并適應(yīng)市場對流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢的需求[2]。目前，我國針對產(chǎn)品抽檢抓手的研究，相比于國外而言，仍存在一定的距離，無論在制造水平或生產(chǎn)方式上均與其存在某種程度上的差距。因此，設(shè)計流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用流程，在經(jīng)濟與技術(shù)層面，提高流水線生產(chǎn)質(zhì)量，為我國市場經(jīng)濟發(fā)展帶來收益。

1 流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用

1.1 產(chǎn)品抽檢抓手剛體運動力學(xué)分析

在開展與該方面相關(guān)的研究前，應(yīng)當(dāng)明確產(chǎn)品抽檢抓手在常規(guī)運行條件下的關(guān)鍵技術(shù)與工藝參數(shù)[3]。對于該方面相關(guān)內(nèi)容的描述如下表1 所示。

表1 產(chǎn)品抽檢抓手關(guān)鍵技術(shù)與參數(shù)描述

該文研究的產(chǎn)品抽檢抓手，通過使用PLC 作為控制抽檢抓手運動的主控制板，搭載傳感器與檢測技術(shù)，使抓手控制系統(tǒng)具有較高的運行穩(wěn)定性與外界信息抗干擾能力，同時，通過控制算法的使用，使流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手具備一定的智能性與可操作性[4]。圖1 為抓手原理圖。

圖1 抽檢抓手原理圖

在抓手抓取功能方面，通過對抓手的動力學(xué)分析，可實現(xiàn)對抓手與計算機終端的人機交互，確保抓手執(zhí)行某種行為或動作的正確性與實用性。

在掌握與流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手相關(guān)的內(nèi)容后，可從自由度角度，對產(chǎn)品抽檢抓手的剛體運動力學(xué)進(jìn)行分析，在對其進(jìn)行分析前，應(yīng)當(dāng)先掌握此種抓手是由靜平臺、夾持機構(gòu)（吸盤）、主動臂等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中每個抓取運動臂在吸盤中的夾角均為120.0°，運動鏈由1 個主動抓取臂與一個從動運動臂構(gòu)成，4 個球形附件與運動桿構(gòu)成1 個完整的閉環(huán)運動結(jié)構(gòu)。終端控制設(shè)備通過調(diào)制伺服電機的運動角度，對產(chǎn)品抽檢抓手的運動運行進(jìn)行控制，確保抓手可以在流水生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行自主運動[5]?；诳臻g運動層面分析，可將O點定義為吸盤固定點，與之對應(yīng)的參考坐標(biāo)表示為r=[x，y，z]，其中x，y，z分別對應(yīng)抓取過程中，3 個主動臂的運動方向，在進(jìn)行產(chǎn)品抽檢抓取過程中，r可以表示為主動臂的運動半徑，此時經(jīng)過靜平臺的運行理論推導(dǎo)，可得到針對抓手剛體運動行為的結(jié)構(gòu)角度。推導(dǎo)公式如下。

式中：ei表示為抓手剛體運動行為的力學(xué)角度；e表示為并聯(lián)產(chǎn)品抽檢抓手的夾角；βi表示為外接半徑差；T表示運動距離。根據(jù)上述計算公式，可依次推導(dǎo)出終端抓取驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動角度。計算公式如下。

式中：θi表示為流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在抓取生產(chǎn)產(chǎn)品時，主動臂的旋轉(zhuǎn)角度；Gi表示為兩端裝置位移；Fi表示為從動臂的臂長；Ei表示為基于力學(xué)角度分析得出的抓手夾角。

按照上述推導(dǎo)公式，可持續(xù)得出與產(chǎn)品抽檢抓手剛體運動相關(guān)的速度參數(shù)與運動加速度參數(shù)。以此完成對產(chǎn)品抽檢抓手剛體運動的力學(xué)分析。

1.2 設(shè)計抓手抽檢的抓取運動軌跡

為了確保產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用可以在流水線生產(chǎn)中起到較好的作用，需要對其完成力學(xué)分析后，進(jìn)行抓手抽檢過程中抓取運動軌跡的設(shè)計與分析。通過合理規(guī)劃抓手抓取軌跡的方式，不僅可以提高產(chǎn)品抓取抽檢過程中伺服電機運動的順暢性，同時也可以在一定程度上解決慣性負(fù)載問題，從而提高末端執(zhí)行器的精度與速度[6]。而在規(guī)劃其運動路徑時，需要根據(jù)流水生產(chǎn)線的抽檢需求，在擺脫外界等相關(guān)因素對其產(chǎn)生干擾的前提下，在生產(chǎn)線操作過程中，設(shè)計一條在操作平臺內(nèi)合理移動的抓手抓取路徑，以此達(dá)到高效率、高質(zhì)量隨機抽檢的目的。

結(jié)合流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的抓取任務(wù)要求，可初步設(shè)計一個抽檢抓手在操作平臺的運動軌跡。如下圖2 所示。

根據(jù)上述圖2 中設(shè)計的抽檢抓手運動軌跡，可知抓手在進(jìn)行流水線產(chǎn)品抽檢時，先從A點定位到隨機抽檢產(chǎn)品在流水線傳送帶上的位置，在抓取產(chǎn)品后，抽檢抓手依靠吸盤，對產(chǎn)品進(jìn)行提升處理，當(dāng)達(dá)到B點位置時，抽檢抓手開始做平移運動，將抓取的產(chǎn)品放置在抽檢傳送線帶中的C點位置，并在達(dá)到C點位置時，抽檢抓手垂直下移，持續(xù)從D點進(jìn)行流水線產(chǎn)品隨機抽樣。在上述提出的運動軌跡中，A點到B點的距離、B點到C點的距離，需要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況再行設(shè)計。

圖2 抽檢抓手在操作平臺的運動軌跡

盡管上述設(shè)計的運動軌跡可以滿足流水線產(chǎn)品抽檢需求，但考慮到在傳輸帶拐角位置抽檢產(chǎn)品時，可能會由于抓手運動不當(dāng)，出現(xiàn)抓取產(chǎn)品時，帶動其他產(chǎn)品掉落的問題[7]。因此，需要在上述設(shè)計軌跡的基礎(chǔ)上，對其抓取線路進(jìn)行優(yōu)化。如下圖3 所示。

圖3 優(yōu)化抽檢抓手在操作平臺的運動軌跡

在上述圖3 提出的抓取運動軌跡中，抽檢抓手從A點移動到D點，此時，D點的產(chǎn)品為隨機抽檢的目標(biāo)產(chǎn)品，I點位樣本一次抽檢的終點路線。此時，抽檢抓手的作業(yè)路線可以為A點→B點→C點→D點→E點→F點→G點→H點→I點。在該過程中，抽檢抓手需要進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)品的抓取、位置點轉(zhuǎn)移、抽檢產(chǎn)品放置等行為。考慮到抽檢抓手的末端執(zhí)行軌跡大多位于X-Y水平面，一般情況下末端執(zhí)行軌跡是平行于Y軸的，而此時待抓取的產(chǎn)品位置在流水生產(chǎn)線中較為隨機，因此，可以認(rèn)為無論抽檢抓手在任何一個待抓取區(qū)域內(nèi)，均可按照圖2 所示的運動軌跡抓取流水線產(chǎn)品。當(dāng)抽檢抓手從終端視覺傳遞端口獲得目標(biāo)樣本在流水生產(chǎn)線中的X-Y水平坐標(biāo)后，運動平臺均將抽檢抓手迅速移動到指定瓶子位置，通過這種方式，設(shè)計抓手抽檢的抓取運動軌跡。

1.3 下機位通信與流水生產(chǎn)線產(chǎn)品復(fù)檢

為了進(jìn)一步落實抽檢抓手在流水生產(chǎn)線中的應(yīng)用，需要在完成上述相關(guān)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對下機位通信進(jìn)行設(shè)計。由于抓手的操控大多需要后臺2 個工控機作為支撐，其中1 臺工控機用于控制抽檢抓手的抓取行為與運動行為，另一臺工控機用于進(jìn)行圖像處理。同時要求終端的2 臺工控機處于一種實時通信狀態(tài)，只有2 臺工控機的運行數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行交互與傳遞，才可以確保抽檢結(jié)果的正確性與實用性。在該過程中，需要對工控機的串口號、波特比率進(jìn)行校驗，并要求終端坐標(biāo)口顯示抓手的傳遞坐標(biāo)，坐標(biāo)不僅應(yīng)包括X與Y的位置信息，同時也應(yīng)當(dāng)包括目標(biāo)產(chǎn)品的空間信息Z，在完成對坐標(biāo)位置的顯示后，需要在傳輸?shù)男畔⑶岸伺c后端同時加上終止標(biāo)志位“！”與“#”，代表終止目標(biāo)產(chǎn)品的抽檢行為。

當(dāng)上機位公布的規(guī)劃數(shù)據(jù)顯示完全后，應(yīng)當(dāng)控制抓手的目標(biāo)軌跡，由于抽取行為是在終端移動設(shè)備控制下實施的，因此，終端操作設(shè)備會將獲取的位置信息自動傳輸?shù)角岸?，并在前端顯示一個完整的預(yù)設(shè)軌跡，運動軌跡中包括坐標(biāo)位置點信息、控制點信息、軌跡檢測點信息等。當(dāng)抓手完成對流水線生產(chǎn)產(chǎn)品的抓取后，產(chǎn)品將被移動到檢測傳送帶，該傳送帶中集成了傳感器，當(dāng)流水線產(chǎn)品被放置到傳送帶上時，終端位置將自動對抽檢的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，一旦檢測出現(xiàn)質(zhì)量問題，將會觸發(fā)終端警報。當(dāng)對其質(zhì)量檢測無誤后，傳送帶將自動掃描產(chǎn)品外型，檢測流水生產(chǎn)線產(chǎn)品外型與預(yù)設(shè)的外型是否存在顯著差異，一旦出現(xiàn)差異，上機位將連通前端通信裝置，對該產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)抽檢傳送帶中出現(xiàn)多個產(chǎn)品的預(yù)警后，抽檢抓手將同樣按照圖2 所示的運動軌跡，對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行再次抓取，將流水生產(chǎn)線中不符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品放置到指定位置，達(dá)到對流水生產(chǎn)線產(chǎn)品復(fù)檢的目的。從而對流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計與規(guī)劃。

2 實例應(yīng)用分析

為了進(jìn)一步驗證該文上述流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在實際應(yīng)用中的效果，按照上述設(shè)計要求，對抓手樣機進(jìn)行制作。抓手共包括上位機、電氣和機械3 個組成部分，對樣機的制作只包括抓手本體，針對其動平臺部分，并沒有安裝相應(yīng)的吸盤或其他抓手機構(gòu)。為了確保該文最終驗證的準(zhǔn)確性，對上述制作的抓手樣機進(jìn)行測試。根據(jù)實際運行需要對其軌跡進(jìn)行預(yù)設(shè)，并對抓手從原點靜止?fàn)顟B(tài)到目標(biāo)點運動狀態(tài)整個運行軌跡進(jìn)行跟蹤。根據(jù)表2 中內(nèi)容，對抓手在運行過程中的角度進(jìn)行設(shè)定。

表2 產(chǎn)品抽樣抓手運行角度設(shè)定表

按照上述角度設(shè)定要求，在同一立體坐標(biāo)系中，將上述制備的抓手樣機的目標(biāo)位置設(shè)定為（-120，-150，-550），將放置點的位置設(shè)定為（120，150，550），將抓手的中心點坐標(biāo)設(shè)置為（0，0，-452）。按照對應(yīng)的位置，讓抓手運動到相應(yīng)的目標(biāo)位置，并在其運動過程中，確保上位機、通信等各類設(shè)備能夠穩(wěn)定運行，并且使抓手自動規(guī)劃運行軌跡。為驗證該文提出的流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手是否能夠達(dá)到高精度運行效果，將其運行過程中的角度誤差作為測試評價指標(biāo)，將其記錄結(jié)果記錄如表3 所示。

根據(jù)表3 中記錄數(shù)據(jù)可以看出，該文設(shè)計的流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在實際運行過程中，能夠在上位機、通信等設(shè)備正常運行的狀態(tài)下，將運行角度誤差控制在0.03°以內(nèi)，滿足抓手運行的高精度需要。因此，通過實例應(yīng)用測試的方式進(jìn)一步證明，該文設(shè)計的流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手運行精度更高，將其應(yīng)用于實際產(chǎn)品生產(chǎn)檢驗環(huán)節(jié)能夠進(jìn)一步提高檢驗精度以及檢驗效率。

表3 流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手測試結(jié)果記錄表

3 結(jié)語

在社會科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的社會背景下，智能化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。其中流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手便屬于現(xiàn)代化社會在不斷發(fā)展與實踐中的產(chǎn)物，機械手的應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了對工業(yè)化生產(chǎn)制造產(chǎn)品精度的提升，同時，通過機械作業(yè)，也在某種程度上降低了生產(chǎn)制造中人工行為的危險性。例如在化工生產(chǎn)中，部分生產(chǎn)原材料是存在有毒或放射性物質(zhì)的，倘若使用流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手進(jìn)行該類貨物的搬運與下料，便可避免工作人員接觸危險物質(zhì)。此外，使用智能抓手抓取零件，將其與其他結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行緊密結(jié)合，可以使結(jié)構(gòu)密度更高。通過該方式，提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。因此，在后期還需要在該方面進(jìn)行更加深入的研究，通過優(yōu)化抓手結(jié)構(gòu)的方式，使流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在市場中具有更高的應(yīng)用價值。