基于并聯(lián)機器人的自動選繭系統(tǒng)的設(shè)計

覃南強　梁先斌

【摘 要】為提高繅絲生產(chǎn)加工中選繭的效率和選繭結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計一套基于并聯(lián)機器人的自動選繭系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)的總體方案和控制方案，設(shè)計了傳送帶裝置、視覺系統(tǒng)和機器人末端抓取裝置，通過視覺系統(tǒng)識別和并聯(lián)機器人動態(tài)跟蹤抓取實現(xiàn)了自動選繭功能。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)機器人；自動選繭；視覺識別；動態(tài)抓取

0 引言

選繭是蠶繭繅絲生產(chǎn)中重要的工序之一。選繭的目的，是為了合理使用原料繭，保證生產(chǎn)效率和繅制品質(zhì)優(yōu)良的蠶絲[1]。想要使繅絲生產(chǎn)的效率高，產(chǎn)品的質(zhì)量好，提高回收率，進廠的原料繭就必須進行嚴(yán)格的挑選，剔除混在各批繭中不能繅絲的殘次繭，選出可繅絲的上車?yán)O，為繅絲生產(chǎn)穩(wěn)定、正常創(chuàng)造條件。

目前，選繭工序大部分采用的肉眼評定法[2]，通過光照的方式進行識別，選繭結(jié)果的準(zhǔn)確性易受人員技術(shù)水平、精神狀態(tài)等主觀因素影響，存在誤選率高、勞動強度大等缺點，特別黃斑繭等污斑面積接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時更是如此。此外，現(xiàn)有的自動選繭設(shè)備需要通過異型傳送帶進行蠶繭輸送，且只能一個一個識別和剔除殘次繭，存在生產(chǎn)效率低、適應(yīng)性差，升級困難等問題。本文主要針對上述選繭技術(shù)中存在的缺陷和不足，設(shè)計了基于并聯(lián)機器人的自動選繭系統(tǒng)以提高選繭效率和選繭結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

自動選繭系統(tǒng)主要由傳送皮帶裝置、視覺檢測識別系統(tǒng)、并聯(lián)機器人、機器人末端抓取裝置、蠶繭下料區(qū)等組成。系統(tǒng)的總體機構(gòu)示意圖如圖1所示：

自動選繭系統(tǒng)工作流程如下：由剝繭工序后下來的蠶繭均勻分布到傳送皮帶前端，勻速運動到視覺檢測識別系統(tǒng)的檢測范圍下。視覺系統(tǒng)將視覺范圍下的所有蠶繭進行拍照采集，然后與標(biāo)準(zhǔn)蠶繭模型進行比較，從而將不能繅絲的下繭、雙宮繭等殘次繭識別出來，同時將這些殘次繭的中心坐標(biāo)通過總線傳送給并聯(lián)機器人系統(tǒng)。當(dāng)蠶繭運行到并聯(lián)機器人抓取區(qū)域，機器人通過之前的視覺系統(tǒng)傳送的目標(biāo)蠶繭坐標(biāo)和傳送帶裝置上編碼器反饋的運行速度換算成抓取區(qū)域的坐標(biāo)，控制末端抓取裝置對殘次繭的動態(tài)跟蹤抓取，并將其放入相應(yīng)的殘次繭下料區(qū)。正常的蠶繭則通過輸送帶進入上車?yán)O下料區(qū)。整個系統(tǒng)工作流程實現(xiàn)無人化和自動化。

2 系統(tǒng)控制方案

在自動選繭中控制系統(tǒng)是核心部分，控制系統(tǒng)保證自動選繭生產(chǎn)線各個組成部分的協(xié)調(diào)工作。

控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示：

控制系統(tǒng)中PLC作為中央控制系統(tǒng)，接收并處理視覺檢測識別系統(tǒng)、并聯(lián)機器人和傳送帶編碼器發(fā)送過來的信號，控制系統(tǒng)的啟停和告知機器人執(zhí)行相應(yīng)的程序，控制整個系統(tǒng)的工作和循環(huán)。PLC接有人機交互的觸摸屏，觸摸屏主要負責(zé)系統(tǒng)各部分的參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)顯示，殘次繭計數(shù)等。

3 自動選繭系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 傳送帶裝置設(shè)計

傳送帶裝置主要負責(zé)選繭流水線的運動速度調(diào)節(jié)，傳送帶后端還安裝了殘次繭下料區(qū)和上車?yán)O下料區(qū)。根據(jù)常用人工選繭裝置的尺寸和速度，確定傳送帶裝置相關(guān)參數(shù)如下：有效寬度確定為250mm，長度為3000mm；輸送帶上表面距離地面800mm；輸送帶最大速度可達10m/min；使用同步帶，避免打滑情況；使用變頻電機，配置變頻器、編碼器來調(diào)整和反饋傳送皮帶速度；四個腳具有調(diào)水平裝置，保證整套裝置穩(wěn)固。

3.2 視覺檢測識別系統(tǒng)設(shè)計

視覺檢測識別系統(tǒng)主要包括支架、智能相機、鏡頭、光源和IO通訊模塊，其中智能相機、鏡頭和光源安裝在支架上，IO通訊模塊通過線纜與智能相機連接。視覺系統(tǒng)示意圖如圖3所示：

智能相機選用為500萬像素的彩色相機，5mm鏡頭，安裝高度約為400mm。采用動態(tài)拍照在線檢測長度為300mm的蠶繭。系統(tǒng)通過與預(yù)設(shè)的蠶繭標(biāo)準(zhǔn)模型進行對比識別，根據(jù)體積大小和橢圓曲率檢測出雙宮繭；根據(jù)色斑和陰影面積大小檢測出黃斑繭、穿頭繭等。然后通過坐標(biāo)變換，將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為機器人坐標(biāo)系，把識別出的殘次繭中心坐標(biāo)傳給并聯(lián)機器人。

3.3 機器人末端抓取裝置設(shè)計

由于被抓取對象的形狀、尺寸、材質(zhì)、重量、表面狀態(tài)等各不相同，機器人的末端執(zhí)行器是各種各樣的，大致可分為夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手等[3]。流水線上的蠶繭尺寸大小不一，排列也較為緊密。采用夾鉗式取料手，如氣爪，則其尺寸無法確定，抓取時也易碰到其他蠶繭，而且抓取速度也較慢；采用一般的吸附式取料手，如真空吸盤，由于蠶繭表面透氣性強，而且表面形狀也是不規(guī)則的，真空吸盤也無法滿足要求。因此，專門設(shè)計了一種針式吸盤蠶繭抓取裝置，可其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：

針式吸盤蠶繭抓取裝置通過連接法蘭安裝在機器人末端工具端臺上，機器人根據(jù)殘次繭的中心坐標(biāo)運動到抓取位置，通過機器人控制系統(tǒng)控制裝置的鋼針伸出和縮回從而實現(xiàn)殘次繭的抓取和放置，裝置還具有吹氣功能，可實現(xiàn)殘次繭快速、精準(zhǔn)地釋放。

3.4 并聯(lián)機器人選型

并聯(lián)機器人又名Delta機器人，通常具有3個空間自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度，通過視覺系統(tǒng)捕捉目標(biāo)物體，由三個并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心（TCP）的空間位置，其主要性能參數(shù)包括工作范圍、最大負載、工作節(jié)拍和自由度等。

3.4.1 工作范圍

傳送皮帶寬度為250mm，因此機器人的工作范圍≥500mm就可以滿足要求。

3.4.2 最大負載

由于抓取的是蠶繭，加上抓取裝置后機器人的負載也不會太大，故≥2kg就可達到應(yīng)用要求。

3.4.3 工作節(jié)拍

機器人的抓取范圍為250×500mm，在這一范圍內(nèi)蠶繭均勻分布，不粘連的個數(shù)約50個。傳送帶的最大速度為4m/min（66.67mm/s），因此蠶繭通過機器人抓取區(qū)域的時間：500/66.67=7.5s。抓取區(qū)域的殘次繭率最大為20%計算，即50×20%=10個。因此機器人在7.5s內(nèi)最多需要抓取10個殘次繭。抓取軌跡與機器人的標(biāo)準(zhǔn)軌跡25/305/25（mm）近似。由此，可得出機器人運動節(jié)拍：7.5/10=0.75秒/次（80次/分鐘），考慮氣動系統(tǒng)吸附時間，機器人運動節(jié)拍≥0.5秒/次（120次/分鐘）

3.4.4 自由度

由于機器人末端抓取裝置抓取蠶繭的中心位置即可，可無需旋轉(zhuǎn)自由度。因此，機器人的軸數(shù)≥3就可滿足要求。

通過上述分析和計算，自動選繭系統(tǒng)選用了優(yōu)愛寶型號為DELTA700的并聯(lián)機器人，其工作范圍為700mm，最大負載為3kg，工作節(jié)拍可達150次/分鐘，可滿足系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語

本自動選繭系統(tǒng)已在某繭絲生產(chǎn)廠進行了試運行，實現(xiàn)了全自動化選繭，自動化程度高，降低了人為因素的影響，節(jié)約了用工成本。

采用并聯(lián)機器人系統(tǒng)可對目標(biāo)蠶繭進行快速分選，分選速度可達到 80次/分鐘，遠遠高于一檔選繭工55次的技術(shù)水平[4]，可以動態(tài)分選傳送帶上的多個蠶繭，分選效率大大提高，且并聯(lián)機器人高可靠性，可長期穩(wěn)定的運行。此外，還可通過修改視覺系統(tǒng)的蠶繭模型標(biāo)準(zhǔn)和并聯(lián)機器人的運行路徑，可實現(xiàn)不同種類和批次的蠶繭分選，柔性化程度高，適應(yīng)性強，值得在繭絲加工行業(yè)進行推廣。

【參考文獻】

[1]薛振福.選繭對繅絲產(chǎn)量質(zhì)量回收率的影響[J].遼寧絲綢，2006（1）：27-28.

[2]李永強，陳麗君.談柞蠶選繭的現(xiàn)狀及自動化的可行性[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備， 1995（1）：38-39.

[3]黃賢新.工業(yè)機器人機械手設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2012（3）：220-221.

[4]陳大軍.選繭工藝設(shè)計探討[J].四川絲綢，1993（2）：19-20.

[責(zé)任編輯：田吉捷]