王華，廖映華，王小友，陳吉春

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，自動化生產(chǎn)因具有高效、清潔、穩(wěn)定、易管理等優(yōu)點日益受到人們的青睞，尤其是在具有特殊要求生產(chǎn)中備受關(guān)注[1]。比如對生產(chǎn)環(huán)境有很高要求的醫(yī)療機(jī)械行業(yè)，為了降低人工污染的風(fēng)險，醫(yī)療產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)已成為適應(yīng)時代發(fā)展的必然趨勢。一次性使用袋式輸液器組件液袋的生產(chǎn)就是高要求生產(chǎn)之一，如今液袋的生產(chǎn)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，但是生產(chǎn)完成后的檢測仍然是人工肉眼檢測[2]，這就導(dǎo)致了液袋生產(chǎn)周期長、效率低和人工二次污染等問題。為了解決上述問題，設(shè)計了液袋缺陷檢測系統(tǒng)[3]。缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計完成后，怎樣進(jìn)行高效檢測成為研究的重難點問題。而高效檢測的關(guān)鍵是實現(xiàn)最優(yōu)檢測動作時序設(shè)計與優(yōu)化。

國內(nèi)外針對不同生產(chǎn)系統(tǒng)采用時序分析和時序優(yōu)化方法的研究較多。張南等人[4]針對熱模鍛壓力機(jī)曲軸鍛造自動化生產(chǎn)線，首先找出限制生產(chǎn)效率的瓶頸節(jié)拍，并進(jìn)一步通過時序拆分、時序分析與整合優(yōu)化的方法，實現(xiàn)節(jié)拍時序優(yōu)化。曹付義等[5]針對雙模式液壓機(jī)械傳動裝置離合器切換，運用正交試驗及極差分析法對切換過程中多個離合器的切換時序進(jìn)行優(yōu)化。胡小華等[6]針對微型晶體諧振器預(yù)封頂工序，利用Simulink/Stateflow建立動作時序模型，依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行時序優(yōu)化。馬娟娟等[7]針對多氣缸協(xié)調(diào)工作，利用時序圖的方法優(yōu)化各個氣缸的動作時間和運動順序，在防止干涉的情況下，有效地將串行時間轉(zhuǎn)化為并行時間。以上研究都是針對某個生產(chǎn)線或者某個復(fù)雜工序進(jìn)行時序優(yōu)化，這也證明時序優(yōu)化需要針對不同情況不同工況采用相應(yīng)的時序優(yōu)化方法。而對于某個檢測系統(tǒng)的時序優(yōu)化方法研究較少。因此，為了實現(xiàn)液袋缺陷檢測系統(tǒng)的高效檢測，作者對液袋缺陷檢測系統(tǒng)進(jìn)行了時序計算、分析，根據(jù)分析結(jié)果提出動作流程簡化方案和檢測動作并行的方案實現(xiàn)時序優(yōu)化。

1 液袋缺陷檢測系統(tǒng)介紹

輸液器液袋缺陷檢測系統(tǒng)按功能可以劃分為4部分系統(tǒng)：上位機(jī)系統(tǒng)，拍攝系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。以上4個部分系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)工作，才能完成對輸液器液袋的自動化檢測。其中機(jī)械系統(tǒng)作為液袋缺陷檢測系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的前提，是需要首先設(shè)計完備的系統(tǒng)。因而液袋缺陷檢測系統(tǒng)首先以客戶要求及輸液器液袋特性為基礎(chǔ)，完成機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行控制及上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1 液袋缺陷檢測機(jī)械系統(tǒng)

一套液袋缺陷檢測系統(tǒng)完成的功能包括：生產(chǎn)線上抓取液袋轉(zhuǎn)運到打光板上，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝、判斷，機(jī)械手進(jìn)行分揀。故液袋缺陷檢測系統(tǒng)由上料、拍攝、判斷、分揀4個部分組成。最終設(shè)計的液袋缺陷檢測機(jī)構(gòu)長1 795 mm，寬1 302 mm，高1 341 mm。整個系統(tǒng)的3D設(shè)計圖及標(biāo)識如圖1所示。

圖1 缺陷檢測系統(tǒng)3D設(shè)計圖

1.2 液袋缺陷檢測控制系統(tǒng)

輸液器液袋缺陷檢測控制系統(tǒng)采用工控機(jī)、觸摸屏和PLC形成基本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。工控機(jī)通過相應(yīng)的PLC控制軟件、觸摸屏軟件實現(xiàn)與各基礎(chǔ)設(shè)備的通信與信息交換，并實現(xiàn)對液袋缺陷檢測過程的測量、控制和管理。觸摸屏對液袋的狀態(tài)和輸入響應(yīng)實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，然后將監(jiān)控狀態(tài)反饋給控制模塊，從而實現(xiàn)控制模塊對不同模塊的控制與通信功能。PLC通過梯形圖實現(xiàn)各開關(guān)量、模擬量的控制和信息的傳輸，從而實現(xiàn)缺陷檢測系統(tǒng)的底層控制和通信功能[8-11]。

由于是嵌入式缺陷檢測系統(tǒng)，所以可編程邏輯控制器就統(tǒng)一使用原有的臺達(dá)PLC，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上擴(kuò)展一個DVP32HP00R模塊即可。經(jīng)過分析，輸液器液袋缺陷檢測系統(tǒng)總共需要21個輸入信號和25個輸出信號，接口分布如圖2所示。其中21路輸入信號包括系統(tǒng)的啟動/停止信號、進(jìn)料信號、拍攝端上料及下料信號、開機(jī)自檢及同步信號。輸出信號包括光源及相機(jī)拍攝的使能信號及設(shè)備中相關(guān)電機(jī)的啟動/停止信號。同時可編程邏輯控制單元需要兩個 COM1 端口，分別負(fù)責(zé)與工控機(jī)及其他可編程邏輯控制單元的通信[12]。

圖2 液袋缺陷檢測接口分布

2 液袋缺陷檢測工序設(shè)計

液袋缺陷檢測運動循環(huán)可分為3個循環(huán)：上料機(jī)械手上料循環(huán)、打光板定位移動循環(huán)(拍攝循環(huán))、分揀機(jī)械手分揀循環(huán)。首先上料循環(huán)將液袋轉(zhuǎn)移到打光板上；然后打光板定位移動循環(huán)將液袋從上料點轉(zhuǎn)移到拍攝點，完成拍攝后轉(zhuǎn)移到分揀點等待機(jī)械手抓取分揀；最后分揀機(jī)械手分揀循環(huán)將液袋從打光板上轉(zhuǎn)移到分揀傳送帶上[13-14]。3個循環(huán)依次進(jìn)行即可完成液袋的缺陷檢測與分揀，其中動作循環(huán)如圖3所示。

圖3 檢測動作流程

由圖3可知：上料節(jié)拍動作時間為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8之和；拍攝節(jié)拍時間為T7、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15之和；分揀節(jié)拍時間為T12、T13、T14、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24之和。

3 時序計算與優(yōu)化分析

對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，解決好執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同配合問題，不僅關(guān)系到整個系統(tǒng)工藝流程是否能夠?qū)崿F(xiàn)，而且對整個系統(tǒng)運行效率的提升有著十分重要的影響。相反，如果不能對這些協(xié)同配合問題進(jìn)行良好的統(tǒng)籌規(guī)劃，控制系統(tǒng)的程序會特別復(fù)雜，運行效率低，甚至導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作無法實現(xiàn)，從而無法滿足運行要求[15-16]。下面將針對此系統(tǒng)進(jìn)行動作時序計算、分析與優(yōu)化。

3.1 計算每個動作的運動時間

由于液袋缺陷檢測系統(tǒng)各動作的動力源都是氣缸，因此通過對氣缸進(jìn)行運動特性建模，然后利用MATLAB中的ode45程序仿真得到各動作的動作時間。下面將對氣缸進(jìn)行運動特性數(shù)學(xué)建模分析。

3.1.1 氣缸運動特性數(shù)學(xué)建模

由恒定氣源壓力向有限容積絕熱充氣的能量方程：KRTsdm=Vdp+kpdV和Qm=dm/dt可得到氣缸進(jìn)氣腔能量方程：

(1)

Va=Aa(Xa0+X)

(2)

式中：Va為進(jìn)氣腔容積，m3；pa為氣缸進(jìn)氣腔絕對壓力，Pa；Ts為氣源溫度，K；Qma為進(jìn)氣腔的質(zhì)量流量，kg/s；k為比熱比，kJ/(kg·K)；R為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)；Aa為進(jìn)氣腔有效作用面積，m2；Xa0為活塞起始間隙當(dāng)量長度，m；X為活塞的位移，m。

氣缸排氣腔能量方程：

(3)

Vb=Ab(Xb0+L-X)

(4)

式中：Vb為氣缸排氣腔容積，m3；Ab為排氣腔有效作用面積m2；pb為氣缸排氣腔絕對壓力；Tb為排氣腔溫度，K；Qmb為排氣腔的質(zhì)量流量，kg/s；Xb0為排氣腔余隙當(dāng)量長度，m；L為氣缸行程，m。

設(shè)b腔放氣時的壓力為p0(大氣壓)，溫度為起源溫度Ts，由于放氣過程較快，氣缸內(nèi)的氣體來不及與外界進(jìn)行熱量交換，可以看作是絕熱過程，根據(jù)等熵過程的狀態(tài)參數(shù)關(guān)系得：

Tb=Ts(pb/ps)(k-1)/k

(5)

氣動質(zhì)量流量方程：

(6)

(7)

其中：

式中：σa為進(jìn)氣腔壓力比；σb為排氣腔壓力比；b為臨界壓力比。

根據(jù)牛頓第二定律得其動力學(xué)方程為

(8)

3.1.2 氣缸運動特性模型仿真

將以上方程參量量綱一化后得到速度方程：

(9)

幼兒園應(yīng)該充分滿足幼兒在活動中所需的各種設(shè)備器材，這對激發(fā)幼兒活動參與積極性以及提高幼兒活動思維能力有著很好的輔助效果。幼兒園階段的孩子較為活潑好動，教師應(yīng)該在開展區(qū)域活動的過程中讓幼兒充分體會到區(qū)域活動的樂趣。這就需要幼兒園重視區(qū)域活動的場地建設(shè)和器材配備，不斷完善加強活動所需的硬件設(shè)施，以此來保證幼兒在活動中有充足的器材，進(jìn)而提升區(qū)域活動開展有效性。

利用四階龍格-庫塔法解微分方程，四階龍格-庫塔的計算公式如下：

(10)

液袋缺陷檢測氣缸使用的是SMC公司的氣缸，機(jī)械手垂直移動氣缸、上料機(jī)械手水平移動氣缸、分揀機(jī)械手水平移動氣缸、打光板推動氣缸參數(shù)如表1所示。

表1 缺陷檢測氣缸參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)進(jìn)行氣缸模型仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 各氣缸位移曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出各個動作時間如表2所示。

表2 各個動作行程及時間

根據(jù)每個動作運動時間和工序流程繪制3個循環(huán)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)時序如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前時序

根據(jù)時序圖計算缺陷檢測系統(tǒng)中各個設(shè)備的節(jié)拍時間如下：

T上=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8

(11)

T拍=T7+T9+T10+T11+T12+T13+T14+T15

(12)

T分=T12+T13+T14+T16+T17+T18+T19+T20+T21+T22+T23+T24

(13)

式中：T上為上料節(jié)拍時間；T拍為拍攝節(jié)拍時間；T分為分揀節(jié)拍時間。將表2中時間數(shù)據(jù)代入式(11)、(12)、(13)得：T上=4.54 s、T拍=6.13 s、T分=8.46 s。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研測試得液袋生產(chǎn)節(jié)拍T生=6 s。

綜上，完成液袋缺陷檢測所需要的時間T：

T=MAX(T上，T拍，T分，T生)=T分=8.46 s

(14)

通過以上節(jié)拍時序計算可知，分揀時間和拍攝時間都超過了液袋生產(chǎn)時間，在此時序條件下，將液袋缺陷檢測系統(tǒng)嵌入液袋生產(chǎn)線，整條生產(chǎn)線的節(jié)拍時間是8.46 s。雖然實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，但是效率降低了41%。

3.2 時序分析與優(yōu)化

3.2.1 分揀節(jié)拍優(yōu)化分析

根據(jù)以上時序計算可知分揀循環(huán)節(jié)拍是當(dāng)前影響生產(chǎn)效率的主要因素。通過細(xì)分工序步驟可知分揀循環(huán)動作過于復(fù)雜，所以對分揀循環(huán)動作做簡化處理，省去分揀過程中分揀機(jī)械手到分揀傳送帶正上方后的下移和上移過程，改為直接放料(即分揀機(jī)械手到分揀傳送帶正上方后直接放料，不用下移后再放料)，這樣可以省略4個動作，大約可以節(jié)約2.72 s。分揀放料高度并不高且液袋是塑料軟體，直接放料并不會對液袋造成損壞，所以此簡化過程是可行的。簡化后動作流程如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后動作流程

優(yōu)化后重新對分揀循環(huán)進(jìn)行時序劃分計算：

T′分=T12+T13+T14+T16+T18+T20+T22+

T24=5.74 s

(15)

分揀節(jié)拍優(yōu)化后缺陷檢測總結(jié)拍T′為

T′=MAX(T′上，T′拍，T′分，T生)=T′拍=6.13 s

(16)

分揀節(jié)拍動作簡化后影響檢測效率的動作節(jié)拍從分揀節(jié)拍轉(zhuǎn)移到了拍攝節(jié)拍，總節(jié)拍時間從8.46 s提升到了6.13 s，但是相比于沒有嵌入缺陷檢測時的液袋生產(chǎn)效率，效率還是降低了5.13%。下面對拍攝節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.2.2 拍攝節(jié)拍時序優(yōu)化分析

不同的工序在同一時間較高的重疊度會顯著提升生產(chǎn)線的效率、減少節(jié)拍時間[16]。對于拍攝節(jié)拍的動作，從理論上看，當(dāng)上料機(jī)械手在打光板上放料的同時打光板就開始前移，當(dāng)分揀機(jī)械手夾取液袋的同時打光板就返回，這樣拍攝節(jié)拍可以實現(xiàn)最短。但由于機(jī)械手和打光板之間存在干涉問題，其實現(xiàn)較為困難。通過分析，提出以下優(yōu)化方案：上料機(jī)械手放料后上移和移動打光板前移同時進(jìn)行，但為了避免上料機(jī)械手與打光板發(fā)生干涉，上料機(jī)械手放料后延時0.1 s移動打光板前移；同理，為了避免分揀機(jī)械手與打光板發(fā)生干涉，分揀機(jī)械手取料后延時0.1 s再移動打光板返回。優(yōu)化后時序如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后時序

優(yōu)化后重新計算拍攝節(jié)拍時間

T″拍=0.1+T9+T10+T11+T12+T13+0.1+

T15=4.86 s

(17)

優(yōu)化后總節(jié)拍T″：

T″=MAX(T″上，T″拍，T″分，T生)=T生=6 s

(18)

拍攝節(jié)拍時序優(yōu)化后總節(jié)拍時間從6.13 s提升至6 s，主要影響液袋生產(chǎn)效率的節(jié)拍從缺陷檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至液袋生產(chǎn)過程。通過分揀節(jié)拍和拍攝節(jié)拍時序優(yōu)化后液袋缺陷檢測的嵌入不僅能實現(xiàn)液袋生產(chǎn)自動化，而且不會影響原有生產(chǎn)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷檢測系統(tǒng)高效嵌入液袋生產(chǎn)線的目標(biāo)。

4 結(jié)語

針對液袋缺陷檢測系統(tǒng)不能高效檢測問題，作者運用氣缸運動特性建模仿真計算每一步動作時間，再根據(jù)結(jié)果分析計算出缺陷檢測系統(tǒng)每個節(jié)拍時間，發(fā)現(xiàn)分揀節(jié)拍和拍攝節(jié)拍都超過了生產(chǎn)節(jié)拍的時間6 s。對兩個節(jié)拍工作流程細(xì)分后提出了簡化分揀流程動作方案和并行拍攝動作方案。優(yōu)化后分揀節(jié)拍時間從8.46 s降低到了5.74 s，拍攝節(jié)拍時間從6.13 s降低到了4.86 s，成功將影響缺陷檢測效率的節(jié)拍轉(zhuǎn)移為液袋生產(chǎn)節(jié)拍。優(yōu)化后，液袋缺陷檢測效率提升了41%，缺陷檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效檢測，因此將其嵌入液袋生產(chǎn)線不會影響液袋生產(chǎn)效率。