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。
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
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
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
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。
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]。
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)
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
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
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
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
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)。