孫守勇,崔慧娟,劉小英

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

作為智能化機(jī)電裝備，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)、智能制造領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是在搬運(yùn)、碼垛、分揀、包裝、焊接、噴涂等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。在食品加工生產(chǎn)線上，需要對(duì)食品進(jìn)行分揀、包裝，采用人工分揀不僅會(huì)對(duì)食品造成一定程度的污染和破損，而且工作效率較低。食品企業(yè)上線分揀機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的快速分揀、包裝作業(yè)，降低產(chǎn)品破損率，保障食品安全，并提高生產(chǎn)效率[2]。目前分揀機(jī)器人以Delta并聯(lián)機(jī)器人為主，比如ABB的IRB360、發(fā)那科的M-3iA、Adept的Quattro機(jī)器人等。企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)線升級(jí)改造前，一般需通過虛擬仿真軟件對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行布局規(guī)劃和仿真調(diào)試，以驗(yàn)證產(chǎn)線布局的科學(xué)性和可行性，從而降低企業(yè)升級(jí)改造成本。

本文主要研究ABB IRB360并聯(lián)機(jī)器人在巧克力輸送鏈的跟蹤分揀應(yīng)用，通過RobotStudio軟件對(duì)分揀工作站進(jìn)行布局規(guī)劃和仿真調(diào)試，研究機(jī)器人和輸送鏈之間的最優(yōu)速度比，在保證分揀率的前提下提高產(chǎn)線的運(yùn)行速度。

1 Delta并聯(lián)機(jī)器人

Delta并聯(lián)機(jī)器人最早由法國(guó)Clavel博士提出，其主動(dòng)臂由外轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)，從動(dòng)臂為平行四邊形結(jié)構(gòu)。從動(dòng)臂末端的閉環(huán)機(jī)構(gòu)形成動(dòng)平臺(tái)，可在工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)沿X,Y,Z3個(gè)方向的高速平動(dòng)。在靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間加裝帶有虎克鉸鏈的可伸縮轉(zhuǎn)軸，可實(shí)現(xiàn)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。IRB360是典型的Delta并聯(lián)機(jī)器人，其工作范圍有800,1 300,1 600 mm 3種規(guī)格，載荷能力有1,3,6,8 kg 4種規(guī)格。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，主要分為三軸驅(qū)動(dòng)和四軸驅(qū)動(dòng)。圖1所示為四軸驅(qū)動(dòng)的IRB360機(jī)器人，其4個(gè)自由度分別為基坐標(biāo)系下X軸方向的平動(dòng)、Y軸方向的平動(dòng)、Z軸方向的平動(dòng)、繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

圖1 Delta并聯(lián)機(jī)器人示意圖

2 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

輸送鏈跟蹤系統(tǒng)主要包括工業(yè)機(jī)器人本體、輸送鏈跟蹤板卡、編碼器、帶有同步傳感器的輸送鏈、帶有附加功能選項(xiàng)的控制器等，如圖2所示。對(duì)于IRB360機(jī)器人來說，要實(shí)現(xiàn)輸送鏈跟蹤功能，可以通過I/O信號(hào)板卡DSQC377B來實(shí)現(xiàn)。DSQC377B板卡主要提供機(jī)器人輸送鏈跟蹤功能所需要的對(duì)編碼器與同步傳感器信號(hào)的處理[5]。編碼器用于監(jiān)測(cè)輸送鏈的運(yùn)動(dòng)情況并進(jìn)行記錄。因?yàn)锳BB機(jī)器人在高電平信號(hào)時(shí)才會(huì)觸發(fā)動(dòng)作，所以應(yīng)選擇PNP輸出類型的增量式編碼器。同步傳感器主要用于檢測(cè)工件在輸送鏈上的位置。當(dāng)檢測(cè)到工件時(shí)，同步傳感器會(huì)發(fā)生一次有效的上升沿信號(hào)至系統(tǒng)跟蹤單元，并配合編碼器記錄該工件的脈沖數(shù)值。一個(gè)輸送鏈跟蹤板卡DSQC377B只能實(shí)現(xiàn)一條輸送鏈的跟蹤，同時(shí)機(jī)器人控制系統(tǒng)需要額外訂購606-1 Conveyor Tracking選項(xiàng)。

圖2 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)組成

2.2 原理分析

1)輸送鏈編碼器脈沖計(jì)數(shù)。

用于輸送鏈跟蹤的編碼器的分辨率(脈沖/m)，即輸送鏈每運(yùn)動(dòng)1 m時(shí)編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)量，一般為1 250～2 500脈沖/m即可，更高的編碼器分辨率對(duì)于跟蹤精度并沒有提高作用。編碼器的A相、B相與DSQC377B板卡X20接口的5和6引腳相連。由于輸送鏈跟蹤板卡同時(shí)采集A相、B相計(jì)數(shù)脈沖上升沿和下降沿個(gè)數(shù)，即一個(gè)周期采集4次有效信號(hào)，因此輸送鏈在運(yùn)行1 m過程中，共采集到的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)是編碼器輸出計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)的4倍，即5 000～10 000個(gè)。

2)輸送鏈跟蹤過程分析。

當(dāng)工件經(jīng)過同步傳感器后，輸送鏈跟蹤板卡接收到一次有效的上升沿脈沖，編碼器讀取當(dāng)前脈沖數(shù)值并記錄，當(dāng)前工件隨即被加入到跟蹤隊(duì)列中。隨后工件進(jìn)入啟動(dòng)窗口。如果當(dāng)前機(jī)器人空閑，則立即處理啟動(dòng)窗口中的工件，否則等待機(jī)器人完成當(dāng)前工作后再處理啟動(dòng)窗口中最前面的工件[6]。機(jī)器人能否有效完成每次跟蹤與機(jī)器人的運(yùn)行速度、輸送鏈運(yùn)行速度有關(guān)。

隊(duì)列跟蹤長(zhǎng)度是同步傳感器和輸送鏈坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離，系統(tǒng)默認(rèn)為0，即同步傳感器和輸送鏈坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。啟動(dòng)窗口寬度表示機(jī)器人可啟動(dòng)工藝處理的區(qū)域。最大距離和最小距離分別表示輸送鏈在正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人可跟蹤處理的最遠(yuǎn)距離。在RobotStudio中可以通過設(shè)置工件節(jié)距來設(shè)置同步間隔距離(SyncSeparation)，即兩個(gè)連續(xù)工件之間的最小間隔。

輸送鏈跟蹤過程如圖3所示，輸送鏈上7個(gè)工件(1～7)可分為5種跟蹤狀態(tài)。工件1為已連接狀態(tài)，機(jī)器人正在對(duì)其進(jìn)行工藝處理；工件2在未被連接之前已經(jīng)通過了啟動(dòng)窗口，所以不會(huì)再被連接和處理。處理完工件1后，機(jī)器人將連接下一個(gè)位于啟動(dòng)窗口中的工件；工件3和4當(dāng)前正處在啟動(dòng)窗口中，若此時(shí)工件1已處理完，則機(jī)器人會(huì)立即跟蹤處理工件3；5和6已通過同步傳感器，并已進(jìn)入跟蹤隊(duì)列，但尚未進(jìn)入啟動(dòng)窗口，暫不會(huì)被連接和處理；工件7尚未通過同步傳感器，尚未進(jìn)入跟蹤隊(duì)列。

圖3 輸送鏈跟蹤過程示意圖

3 輸送鏈跟蹤參數(shù)配置

3.1 輸送鏈跟蹤參數(shù)

輸送鏈跟蹤參數(shù)CountsPerMeter設(shè)定的是,當(dāng)輸送鏈剛好運(yùn)動(dòng)1 m時(shí)，DSQC377B板卡實(shí)際采集到的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)[7]。由于跟蹤板卡同時(shí)采集A、B兩個(gè)相位計(jì)數(shù)脈沖的上升沿和下降沿信號(hào)，因此該參數(shù)理論上等于輸送鏈運(yùn)動(dòng)1 m時(shí)編碼器輸出計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)的4倍。CountsPerMeter參數(shù)一般用式(1)計(jì)算得到：

CountsPerMeter=

(1)

式中：Position1為實(shí)際工作站中，工件經(jīng)過同步傳感器一段距離后停止輸送鏈，示教器中CNV1的位置值1；Position2為再次啟動(dòng)輸送鏈，運(yùn)動(dòng)超過1 m后停止輸送鏈，此時(shí)示教器中CNV1顯示的位置值2；measured_meters為用長(zhǎng)度測(cè)量工具測(cè)得的輸送鏈在兩次停止位置之間的實(shí)際距離，mm；default_value為測(cè)距默認(rèn)值。在RobotWare6.0及以上系統(tǒng)中，默認(rèn)default_value的值為20 000，在RobotWare6.05系統(tǒng)中默認(rèn)default_value的值為10 000。

3.2 編碼器方向校準(zhǔn)

當(dāng)編碼器和同步傳感器與輸送鏈跟蹤板卡連接之后，需要驗(yàn)證編碼器A相、B相接線是否正確，才能保證輸送鏈正確的運(yùn)行方向，若A、B兩相接線接反，則輸送鏈會(huì)往反方向運(yùn)行。

在示教器手動(dòng)操縱界面中，單擊機(jī)械單元，選擇需要驗(yàn)證的輸送鏈裝置CNV1，查看當(dāng)前輸送鏈位置數(shù)值。然后啟動(dòng)輸送鏈，放置一個(gè)工件在輸送鏈前端，使其通過同步傳感器時(shí)觸發(fā)一次脈沖信號(hào)，在示教器界面右上角會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前輸送鏈的位置數(shù)值，如果位置數(shù)值不斷增大，說明A、B兩相接線正確；如果位置數(shù)值不斷減小，則需要調(diào)換A、B兩相接線順序[8]。

4 分揀系統(tǒng)I/O信號(hào)配置與Smart組件設(shè)置

4.1 I/O信號(hào)配置

創(chuàng)建數(shù)字輸入信號(hào)di_BoxInPos用于檢測(cè)巧克力盒是否到位，di_BoxRunning用于檢測(cè)巧克力盒是否正在移動(dòng)；創(chuàng)建數(shù)字輸出信號(hào)do_Gripper用于控制真空吸盤動(dòng)作，do_NewBox用于控制產(chǎn)生新巧克力盒子，do_chocCNV用于控制巧克力輸送鏈的啟動(dòng)和停止。具體I/O信號(hào)配置見表1。

表1 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)I/O信號(hào)

4.2 巧克力盒輸送鏈Smart組件創(chuàng)建

巧克力盒輸送鏈Smart組件主要用于巧克力盒輸送鏈運(yùn)動(dòng)控制及動(dòng)畫效果的實(shí)現(xiàn)。在Smart組件中可以通過添加相關(guān)子組件來實(shí)現(xiàn)不同功能：Source子組件用于創(chuàng)建一個(gè)圖形組件的拷貝；Queue子組件用于將Source組件生成的巧克力盒對(duì)象加入到隊(duì)列中；LinerMover子組件用于控制隊(duì)列的線性運(yùn)動(dòng)；LogicSRLatch子組件用于設(shè)定、復(fù)位以及鎖定操作；LogicExpression子組件用于對(duì)多個(gè)操作數(shù)進(jìn)行And、Or、Not、Xor等邏輯運(yùn)算符的操作[9]。輸送鏈Smart組件s_CNV的信號(hào)和連接關(guān)系見表2。

表2 組件s_CNV的信號(hào)和連接關(guān)系

4.3 工作站邏輯設(shè)定

RobotStudio中將Smart組件和機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)、屬性的連接，可以實(shí)現(xiàn)工作站各模塊單元的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與動(dòng)作仿真。Smart組件s_CNV中的輸出信號(hào)sdo_BoxInPos和sdo_BoxInPos2分別和兩個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)CNV_track中的di1_BoxInPos連接，sdo_BoxRunning和兩個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的di2_BoxRunning連接；機(jī)器人控制系統(tǒng)CNV_track中的do1_Gripper用于控制吸盤動(dòng)作，do2_NewBox用于生成新的巧克力盒，do3_chocCNV用于控制巧克力盒輸送鏈運(yùn)動(dòng)。具體的工作站邏輯如圖4所示。

圖4 工作站邏輯圖

5 仿真分析

5.1 運(yùn)動(dòng)前準(zhǔn)備

在RobotStudio軟件中搭建雙輸送鏈分揀工作站，兩條輸送鏈平行放置，其中左側(cè)輸送鏈用于輸送小熊巧克力，右側(cè)輸送鏈用于輸送心形巧克力。兩臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人位于巧克力輸送鏈末端上方。包裝盒輸送鏈和巧克力輸送鏈垂直放置，工作站布局如圖5所示。手動(dòng)啟動(dòng)輸送鏈并記錄Position1為249.5 mm，再次啟動(dòng)輸送鏈，使其運(yùn)動(dòng)超過1 m后停止，記錄Position2的值為368.6 mm，若輸送鏈框架上兩個(gè)位置實(shí)際距離為1 280 mm，通過式(1)計(jì)算得到CountsPerMeter=(368.6-249.5)×20 000/1 280=1 861。

圖5 輸送鏈跟蹤工作站布局

5.2 跟蹤分揀結(jié)果分析

在跟蹤分揀的過程中，影響機(jī)器人分揀節(jié)拍的重要因素就是機(jī)器人工具中心點(diǎn)(tool center point，TCP)的運(yùn)行速度和輸送鏈運(yùn)行速度之間的關(guān)系[10]。為保證生產(chǎn)效率，避免兩條輸送鏈之間相互影響，需將兩條輸送鏈設(shè)為相同的運(yùn)行速度，兩臺(tái)機(jī)器人也要設(shè)為相同的運(yùn)行速度。本文以仿真1 min為研究時(shí)長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)生成的巧克力實(shí)例對(duì)象個(gè)數(shù)以及拾取數(shù)量，計(jì)算機(jī)器人在輸送鏈不同運(yùn)行速度下的拾取率(表2)。

表2 不同輸送鏈速度下機(jī)器人拾取率

通過分析可知，當(dāng)輸送鏈速度和機(jī)器人速度之比分別為0.5∶1、0.8∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1時(shí)，拾取率逐漸下降，從100%降至52.6%，出現(xiàn)漏揀現(xiàn)象，如圖6所示。輸送鏈速度太快將導(dǎo)致工件漏揀率升高，輸送鏈速度太慢將影響產(chǎn)線的分揀效率。由實(shí)驗(yàn)可知，工業(yè)機(jī)器人跟蹤輸送鏈時(shí)，輸送鏈的速度與機(jī)器人運(yùn)行速度之比設(shè)置為0.77～1.00為宜。通過虛擬仿真驗(yàn)證，本文將輸送鏈和機(jī)器人速度之比設(shè)定為0.8∶1，該比值不僅能滿足拾取率要求，還能保證運(yùn)行速度。

圖6 機(jī)器人漏揀示意圖

6 結(jié)束語

本文研究了輸送鏈在持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，如何應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人輸送鏈跟蹤技術(shù)對(duì)巧克力進(jìn)行動(dòng)態(tài)抓取分揀，并在RobotStudio軟件中對(duì)分揀系統(tǒng)進(jìn)行了仿真運(yùn)行，分析了輸送鏈和機(jī)器人之間的運(yùn)行速度關(guān)系，尋找到一種最優(yōu)速度比，既能滿足拾取率要求又提高了生產(chǎn)效率。后續(xù)工作將結(jié)合企業(yè)實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)，以進(jìn)一步優(yōu)化理論數(shù)據(jù)，服務(wù)企業(yè)生產(chǎn)。