賀長林，殷 杰，徐其航

（1.中電鵬程智能裝備有限公司，南京 210008；2.邵東智能制造技術(shù)研究院有限公司，湖南邵陽 422213；3.揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東揭陽 522051）

0 引言

隨著工廠人力成本的增加，生產(chǎn)自動(dòng)化成為了一個(gè)不可逆的趨勢(shì)。在自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線上，取料、避障、放料等是非常常見的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)現(xiàn)具有取料、放料，以及避障等動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)控制中，如果對(duì)成本沒有要求的，一般采用機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)［1－3］。采用機(jī)器人的解決方案，方案簡(jiǎn)單，操作方便，只需要按照固定的軌跡點(diǎn)進(jìn)行示教，機(jī)器人內(nèi)部會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且機(jī)器人具有自動(dòng)平滑運(yùn)動(dòng)軌跡功能，所以機(jī)器人在避障點(diǎn)附近可以平滑地經(jīng)過避障點(diǎn)，通過采用平滑功能，可以大大提升效率；但是由于機(jī)器人對(duì)安裝的空間要求比較大，所以才有機(jī)器人方案，設(shè)備的體積會(huì)變大，另一方面，由于機(jī)器人在箱取料位或者放料位運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有改變目標(biāo)位置的功能，機(jī)器人只能按照既定的軌跡，固定的速度曲線來運(yùn)動(dòng)，所以需要在取料等待位或者放料等待位做減速運(yùn)動(dòng)并停止，然后才能去取料或者放料，這樣不利于提升效率。如果對(duì)成本比較敏感，一般會(huì)采用三軸的機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)，采用三軸機(jī)械手，由于在取料位和放料位分別有等待位，在這兩個(gè)點(diǎn)有停頓，會(huì)有相應(yīng)的加減速，從而影響效率［4－6］；由于存在避障點(diǎn)，所以三軸機(jī)械手不能做到三軸聯(lián)動(dòng)，導(dǎo)致采用三軸機(jī)械手的效率更慢［7－9］。采用本文技術(shù)方案，可以讓三軸機(jī)械手高效地實(shí)現(xiàn)取料和放料的動(dòng)作，能實(shí)現(xiàn)像機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡平滑功能，和機(jī)器人的解決方案相比，該技術(shù)方案成本更低，對(duì)安裝位置要求更低，實(shí)現(xiàn)方法更簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的柔性更高。

1 三軸運(yùn)動(dòng)模組機(jī)械結(jié)構(gòu)

三軸機(jī)械手如圖1所示，圖示的結(jié)構(gòu)中包含了XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸，還有一個(gè)障礙物，一個(gè)取料位，既是軌跡點(diǎn)去取料位把標(biāo)簽吸附到軌跡點(diǎn)上，一個(gè)放料位，既是軌跡點(diǎn)把從取料位吸附的標(biāo)簽按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)到放料位，然后貼到放料位上。

圖1 三軸機(jī)械手結(jié)構(gòu)

取料時(shí)，需要達(dá)到一定的條件，料已經(jīng)在取料點(diǎn)時(shí)，軌跡點(diǎn)才能去取料；同理，放料時(shí)，需要達(dá)到一定的條件，軌跡點(diǎn)才能允許去放料點(diǎn)，所以需要有一個(gè)取料等待位和放料等待位。同時(shí)由于有障礙物存在，還需要有一個(gè)避障點(diǎn)。由于取料點(diǎn)和放料點(diǎn)有一定的位置精度要求，所以去取料點(diǎn)和放料點(diǎn)的位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡必須是直線；同時(shí)更好地取料和放料，離開取料點(diǎn)和放料點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡必須也要是直線。

本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，不限于只有兩個(gè)等待位或者一個(gè)避障點(diǎn)，對(duì)于多個(gè)等待位和多個(gè)避障點(diǎn)都適用。為了方便描述本文的技術(shù)方案，采用兩個(gè)等待位和一個(gè)避障點(diǎn)的情況進(jìn)行說明。

2 運(yùn)動(dòng)控制分析

2.1 三軸模組從取料位到放料位軌跡分析

如圖2和圖3所示，為軌跡點(diǎn)從取料位到放料位的軌跡，由于從取料點(diǎn)出發(fā)時(shí)，必須要走直線，所以從取料點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)后，只有X軸動(dòng)作，Y軸和Z軸停止，當(dāng)X軸運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)能避開障礙物的地方，Y軸和Z軸開始動(dòng)作，這種運(yùn)動(dòng)方式比等X軸到位后，Y軸和Z軸再開始運(yùn)動(dòng)，效率更高，運(yùn)動(dòng)時(shí)間更短；由于Y軸和Z軸開始動(dòng)作是根據(jù)X軸運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)固定的點(diǎn)來確定的，所以從取料點(diǎn)到放料等待點(diǎn)的軌跡是固定的，就能保證軌跡點(diǎn)不會(huì)碰到障礙物。當(dāng)X軸到達(dá)最遠(yuǎn)距離后，Y軸和Z軸再運(yùn)行一段時(shí)間后也會(huì)停止，當(dāng)Y軸和Z軸到達(dá)放料等待位后，X軸再開始向放料等待位運(yùn)動(dòng)，X軸的運(yùn)動(dòng)過程分兩種情況，在X軸往放料等待位運(yùn)動(dòng)過程中，如果在X軸開始減速前，放料的條件能夠達(dá)到，允許放料后，利用伺服電機(jī)的目標(biāo)位置更改并且立即生效的功能，在經(jīng)過放料等待位時(shí)不需要減速，直接到達(dá)放料位置；第二種情況，當(dāng)X軸開始減速后，放料的條件才達(dá)到，這種情況下，X軸在放料等待位減速到0后，且放料條件達(dá)到后，X軸再開始運(yùn)動(dòng)到放料位置。

圖2 從取料點(diǎn)到放料點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（a基于X－Z坐標(biāo)）

圖3 從取料點(diǎn)到放料點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（b基于X－Y坐標(biāo)）

2.2 去放料位Y－Z軸啟動(dòng)點(diǎn)分析

為了能準(zhǔn)確確定Y軸和Z軸開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，X軸的坐標(biāo)值，從兩個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)分別計(jì)算出這個(gè)X軸坐標(biāo)的最小值，然后從這兩個(gè)最小值中選一個(gè)比較大的值，即是需要計(jì)算的值。首先需要找到避障點(diǎn)，即是運(yùn)動(dòng)軌跡只需要避開這個(gè)點(diǎn)，就能達(dá)到避障的目的，在X－Z坐標(biāo)系內(nèi)，找到障礙物中X軸的最大數(shù)值，同時(shí)也找到Z軸坐標(biāo)最大的數(shù)據(jù)，這兩個(gè)數(shù)值組成的坐標(biāo)點(diǎn)就是避障點(diǎn)。

如圖所示，障礙物的左上角即是要找的避障點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)可以計(jì)算出在X－Z坐標(biāo)系內(nèi)的Y軸和Z軸開始動(dòng)作X軸的坐標(biāo)X1，X1≥a－v2×（T1＋2×（b1－b））／2v1，其中v2為X軸最高速度，T1為Z軸加速時(shí)間，v1為Z軸最高速度，而且假定X軸和Z軸的加速時(shí)間比運(yùn)動(dòng)時(shí)間要短很多；同理也可以計(jì)算出基于X－Y軸坐標(biāo)系內(nèi)Y軸和Z軸開始動(dòng)作X軸的坐標(biāo)X2，X2≥c－v2×（T1＋2×（d1－d））／2v1，其中v2為X軸最高速度，T1為Z軸加速時(shí)間，v1為Z軸最高速度。如果X1＞X2，X1就是需要的X軸坐標(biāo)值；如果X1＜X2，X2就是需要的X坐標(biāo)值。

2.3 從取料位到放料位速度分析

從取料點(diǎn)到放料點(diǎn)，Y軸和Z軸都只是從取料等待位到放料等待位，只有兩個(gè)位置點(diǎn)，而且從放料點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)之后的一段時(shí)間內(nèi)，以及軌跡點(diǎn)從放料等待位到放料運(yùn)動(dòng)過程中，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，Y軸和Z軸都必須是靜止的，所以不論放料條件是否及時(shí)成立，Y軸和Z軸的速度曲線都是一樣的，所以不討論Y軸和Z軸的速度曲線，只討論X軸速度曲線。由圖4可以看到，當(dāng)放料條件沒有及時(shí)滿足時(shí)，X軸會(huì)多一次加減速過程，這時(shí)速度曲線和傳統(tǒng)的三軸模組控制方案的速度曲線是一致的，當(dāng)放料條件及時(shí)滿足時(shí)，X軸會(huì)減少一次加減速過程，這樣就可以提升運(yùn)動(dòng)效率。

圖4 X軸從取料點(diǎn)到放料點(diǎn)速度曲線

當(dāng)放料條件能及時(shí)達(dá)到，軌跡點(diǎn)能平滑地從取料位運(yùn)動(dòng)到放料位，大大提升運(yùn)動(dòng)效率，減少運(yùn)動(dòng)節(jié)拍時(shí)間，同時(shí)還能減少運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加減速次數(shù)，減少運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于加減速帶來的磨損；且不會(huì)和障礙物干涉。

當(dāng)放料條件沒有能及時(shí)達(dá)到，軌跡點(diǎn)會(huì)在放料等待位進(jìn)行等待，不會(huì)直接去放料等待位，利用伺服電機(jī)的目標(biāo)位置連續(xù)更改且立即生效的功能［10－11］，可以實(shí)現(xiàn)兩種情況都能達(dá)到使用要求。

2.4 三軸模組從放料位回取料位軌跡分析

如圖5和圖6所示，軌跡點(diǎn)從放料點(diǎn)返回取料點(diǎn)，由于從放料點(diǎn)出發(fā)時(shí)，必須要走直線，所以從放料點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)后，只有X軸動(dòng)作，Y軸和Z軸停止，當(dāng)X軸運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)能避開障礙物的地方，Y軸和Z軸開始動(dòng)作，這種運(yùn)動(dòng)方式，比等X軸到位后，Y軸和Z軸再開始運(yùn)動(dòng)，這樣的效率更高，運(yùn)動(dòng)時(shí)間更短；由于Y軸和Z軸開始動(dòng)作是根據(jù)X軸運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)固定的點(diǎn)來確定的，所以從放料點(diǎn)到取料等待點(diǎn)的軌跡是固定的，就能保證軌跡點(diǎn)不會(huì)碰到障礙物。當(dāng)X軸到達(dá)最遠(yuǎn)距離后，Y軸和Z軸再運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后也會(huì)停止，當(dāng)Y軸和Z軸到達(dá)取料等待位后，X軸再開始向取料等待位運(yùn)動(dòng)，X軸的運(yùn)動(dòng)過程分兩種情況，當(dāng)X軸運(yùn)動(dòng)到取料等待位過程中，如果在X軸開始減速前，取料的條件能夠達(dá)到，允許取料后，利用伺服電機(jī)的目標(biāo)位置更改并且立即生效的功能，在經(jīng)過取料等待位時(shí)不需要減速，直接到達(dá)取料位置；第二種情況，當(dāng)X軸開始減速后，取料的條件才達(dá)到，這種情況下，X軸在取料等待位減速到0后，且取料條件達(dá)到后，X軸再開始運(yùn)動(dòng)到取料位置。

圖5 從放料點(diǎn)到取料點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（a基于X－Z坐標(biāo)）

圖6 從放料點(diǎn)到取料點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（b基于X－Y坐標(biāo)）

回取料位Y－Z軸啟動(dòng)點(diǎn)分析如下。

由于回取料位的軌跡和去放料位軌跡是一個(gè)類似的運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)2.2節(jié)分析原理，可以得到在X－Z坐標(biāo)系內(nèi)的Y軸和Z軸開始動(dòng)作X軸的坐標(biāo)X1，X1≥a－v2×（T1＋2×（b－b1））／2v1，其中v2為X軸最高速度，T1為Z軸加速時(shí)間，v1為Z軸最高速度，而且假定X軸和Z軸的加速時(shí)間比運(yùn)動(dòng)時(shí)間要短很多；同理也可以計(jì)算出基于X－Y軸坐標(biāo)系內(nèi)Y軸和Z軸開始動(dòng)作X軸的坐標(biāo)X2，X2≥c－v2×（T1＋2×（d－d1））／2v1，其中v2為X軸最高速度，T1為Z軸加速時(shí)間，v1為Z軸最高速度。X1和X2中比較大的那個(gè)值即為Z和Y軸開始啟動(dòng)X軸的坐標(biāo)。

2.5 三軸模組從放料位回取料位速度分析

從放料點(diǎn)回到取料點(diǎn)的速度分析，與從取料點(diǎn)到放料點(diǎn)的情況類似，類似的分析并結(jié)合圖7可以得到，當(dāng)取料條件及時(shí)滿足時(shí)，X軸會(huì)減少一次加減速過程，這樣就可以提升運(yùn)動(dòng)效率。

圖7 X軸從取料點(diǎn)到放料點(diǎn)速度曲線

當(dāng)取料條件能及時(shí)達(dá)到，軌跡點(diǎn)能平滑地從放料位運(yùn)動(dòng)到取料位，大大提升運(yùn)動(dòng)效率，減少運(yùn)動(dòng)節(jié)拍時(shí)間，同時(shí)還能減少運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加減速次數(shù)，減少運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于加減速帶來的磨損；且不會(huì)和障礙物干涉。

當(dāng)取料條件沒有能及時(shí)達(dá)到，軌跡點(diǎn)會(huì)在取料等待位進(jìn)行等待，不會(huì)直接去取料等待位，利用伺服電機(jī)的目標(biāo)位置連續(xù)更改且立即生效的功能，可以實(shí)現(xiàn)兩種情況都能達(dá)到使用要求。

從取料位到放料位的軌跡和從放料位到取料位的軌跡不一樣，取料條件有沒有及時(shí)成立，但是從取料位到放料位的軌跡都是一樣的，都是固定的，只不過，當(dāng)取料條件沒有及時(shí)成立，軌跡點(diǎn)會(huì)在接近取料等待位進(jìn)行減速，并減速到0，等取料條件成立后，再去取料。當(dāng)取料條件及時(shí)成立，軌跡點(diǎn)不會(huì)在取料等待位進(jìn)行減速，而是直接去取料。同理，當(dāng)放料條件有沒有及時(shí)成立，但是從放料位到取料位的軌跡都是一樣的，當(dāng)放料條件沒有及時(shí)成立，軌跡點(diǎn)會(huì)在接近放料等待位進(jìn)行減速，并減速到0，等放料條件成立后，再去放料。當(dāng)放料條件及時(shí)成立，軌跡點(diǎn)不會(huì)再放料等待位進(jìn)行減速，而是直接去放料。

3 應(yīng)用效果分析

采用本文涉及的技術(shù)方案用到電表自動(dòng)裝銘牌的設(shè)備上，相比采用普通的三軸運(yùn)動(dòng)控制方法，可以使設(shè)備節(jié)拍從8 s減少到4.5 s，比傳統(tǒng)的三軸運(yùn)動(dòng)模組控制方法效率提升了43%。

4 結(jié)束語

本文為具有取料、放料、避障等功能的運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景，提供了一種全新的解決方案。采用三軸運(yùn)動(dòng)控制模組的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合本文的運(yùn)動(dòng)控制方法，比傳統(tǒng)的技術(shù)方案成本低，效率高。相比于多軸機(jī)械手，本文涉及的技術(shù)方案成本更低，更容易安裝。相比于普通的三軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制方案，本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方案能大大提升效率，能大大減少節(jié)拍時(shí)間；同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡是固定不變的，保證軌跡點(diǎn)不會(huì)和障礙物干涉；面對(duì)取料和放料條件能否及時(shí)達(dá)到的多種情況時(shí)，都能按照固定的軌跡來達(dá)到設(shè)定的工藝要求；當(dāng)取料條件或者時(shí)放料條件能及時(shí)達(dá)到，利用伺服電機(jī)中的設(shè)定位置實(shí)時(shí)更改，且立即生效的功能，來實(shí)現(xiàn)在取料等待點(diǎn)或者放料等待位不進(jìn)行減速停止，而是高速通過等待位，直接去放料或者取料位，這樣能大大提高效率，而且還能減少伺服電機(jī)的加減速次數(shù)來減少機(jī)械沖擊。