基于ABB機(jī)器人工作站芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法研究

嵇朋朋 竇艷艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京210019）

1.背景

1.1 相關(guān)工作介紹

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，帶來(lái)了很多便利，同時(shí)也面臨著更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著大批量、高效率的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷推廣和工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，對(duì)其應(yīng)用技術(shù)提出智能化、低成本、高可靠性和易于集成控制等要求[1]。工業(yè)機(jī)器人在包裝流水線上應(yīng)用廣泛，例如進(jìn)行分揀、碼垛、上下料等作業(yè)，由此對(duì)于工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)分揀功能的技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生[2-5]，但是利用ABB工作站對(duì)于芯片產(chǎn)品排序方面的研究還未出現(xiàn)。本文工作主要針對(duì)的是全國(guó)職業(yè)院校技能大賽集訓(xùn)工作，目的是為了提高學(xué)生工作效率和培養(yǎng)高技能人才，從而進(jìn)一步提高學(xué)生的職業(yè)能力[6]。

1.2 本文工作

職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)以ABB工業(yè)機(jī)器人為核心部件，融合了工具快換、PLC、氣動(dòng)技術(shù)、限位傳感器、視覺(jué)檢測(cè)、觸摸屏等先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)；以工業(yè)機(jī)器人在異形芯片插件工序的應(yīng)用為背景，主要考核基礎(chǔ)維護(hù)、涂膠、碼垛、分揀、裝配等工作任務(wù)，以促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人編程、系統(tǒng)調(diào)試以及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等崗位技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)，切實(shí)解決工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)人才嚴(yán)重短缺的問(wèn)題[7]。本文通過(guò)研究分揀環(huán)節(jié)的產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法，為提高產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)效率、培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才提供有力的技術(shù)和理論支撐。

工作站提供4種不同形狀的模擬芯片，每類(lèi)兩種顏色，如圖1所示。在初始時(shí)，按照芯片料庫(kù)中的指定料槽擺放各類(lèi)芯片，如圖2所示。根據(jù)任務(wù)要求，需從芯片料庫(kù)中剔除所有摻雜或探出所有空位，剩余芯片產(chǎn)品留在芯片料庫(kù)原位。在此基礎(chǔ)上將剩余芯片產(chǎn)品進(jìn)行排序，芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法主要有芯片產(chǎn)品簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)法、芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法、芯片產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法這3類(lèi)產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法。為了方便研究，假設(shè)剔除所有摻雜或探出所有空位后，芯片料庫(kù)中剩余芯片產(chǎn)品個(gè)數(shù)如表1所示，并給出一種特殊的排列方式，如圖3所示（圖3只是表1所列芯片產(chǎn)品的其中一種形式）。

圖1 4種不同形狀的模擬芯片

圖2 芯片料盤(pán)芯片擺放位置

表1 芯片料庫(kù)中剩余芯片數(shù)量

圖3 芯片產(chǎn)品數(shù)量的一種特殊初始排列方式

2.芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法研究

2.1 芯片產(chǎn)品簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)方法

將芯片料庫(kù)中剔除所有摻雜或探出所有空位，利用芯片料庫(kù)中的空位將所有剩余芯片產(chǎn)品按顏色進(jìn)行排序，具體產(chǎn)品排序要求如下：排序位置要求如圖2所示，三極管芯片，A類(lèi)芯片從14號(hào)位置開(kāi)始依次往后擺放，B類(lèi)芯片從19號(hào)位置開(kāi)始依次往前擺放；電容芯片，A類(lèi)芯片從21號(hào)位置開(kāi)始依次往后擺放，B類(lèi)芯片從26號(hào)位置開(kāi)始依次往前擺放；集成電路芯片，A類(lèi)芯片從5號(hào)位置開(kāi)始依次往后擺放，B類(lèi)芯片從12號(hào)位置開(kāi)始依次往前擺放；CPU芯片，A類(lèi)芯片從1號(hào)位置開(kāi)始依次往后擺放，B類(lèi)芯片從1號(hào)位置開(kāi)始依次往前擺放。

若對(duì)4種芯片按要求進(jìn)行排序，假設(shè)XN{i}為4種芯片產(chǎn)品數(shù)目，KA{4}為A類(lèi)芯片數(shù)目，KB{4}為B類(lèi)芯片數(shù)目，KC{4}為空位數(shù)目，K{4}為4種芯片產(chǎn)品的過(guò)渡位置，PX{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫(kù)各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類(lèi)芯片產(chǎn)品，2表示B類(lèi)芯片產(chǎn)品，具體算法流程如下。

此算法流程較為簡(jiǎn)單，參數(shù)及步驟較冗余，但可以完成芯片產(chǎn)品排序任務(wù)，將圖3所示例子用此算法完成，完成效果如圖4。

圖4 簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)法的效果示意圖

2.2 芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法

將芯片料庫(kù)中剔除所有摻雜或探出所有空位，利用芯片料庫(kù)中的空位將所有剩余芯片產(chǎn)品按顏色進(jìn)行排序，具體產(chǎn)品排序要求如下：A類(lèi)芯片產(chǎn)品從前往后放置奇數(shù)位置，B類(lèi)芯片產(chǎn)品從前往后放置偶數(shù)位置。

與芯片產(chǎn)品簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)方法一樣，對(duì)4種芯片按要求進(jìn)行排序，假設(shè)XN{i}為4種芯片產(chǎn)品數(shù)目，KA{4}為A類(lèi)芯片數(shù)目，KB{4}為B類(lèi)芯片數(shù)目，KC{4}為空位數(shù)目，K{4}為4種芯片產(chǎn)品的過(guò)渡位置。PA{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫(kù)各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類(lèi)芯片產(chǎn)品，2表示B類(lèi)芯片產(chǎn)品，PM{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫(kù)各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類(lèi)芯片產(chǎn)品，2表示B類(lèi)芯片產(chǎn)品。與簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)方法最大的不同就是，在排序之前首先人為地將PM{4,8}設(shè)定為排序后的目標(biāo)狀態(tài)，排序?qū)崿F(xiàn)方法就是將現(xiàn)狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)相比較，與目標(biāo)狀態(tài)相同的位置芯片保持不動(dòng)，與目標(biāo)狀態(tài)不同的位置芯片需互換位置，并記錄新的狀態(tài)，具體算法流程如下。

FOR X FROM 1 TO 4 DO

FOR A FROM 1 TO KA{X}DO

FOR B FROM KA{X}+1 TO XN{X}DO

IF PA{X,A}＜＞PM{X,B}THEN

Get X,1,A,15;

Put X,1,K{X},15;

Get X,1,B,15;

Put X,1,A,15;

Get X,1,K{X},15;

Put X,1,B,15;

PA{X,A}：=PA{X,B};

PK：=PA{X,B};

PA{X,B}：=PA{X,A};

ENDIF

ENDFOR

ENDFOR

ENDFOR

雖然芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法與簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)法有些區(qū)別，但是根據(jù)題目要求都可以完成兩種不同的排序任務(wù)。交替排序?qū)崿F(xiàn)法在編程及邏輯上更簡(jiǎn)潔、有效，可根據(jù)題意對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，并與現(xiàn)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，此方法魯棒性更強(qiáng)，根據(jù)要求完成的排序?qū)崿F(xiàn)如圖5。

圖5 交替排序?qū)崿F(xiàn)法的效果示意圖

2.3 芯片產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法

在簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)法、交替排序?qū)崿F(xiàn)法基礎(chǔ)上，本文思考用人機(jī)交互界面設(shè)定每個(gè)位置的芯片顏色及狀態(tài)，此類(lèi)排序?qū)崿F(xiàn)法叫做混合排序?qū)崿F(xiàn)方法。在研究過(guò)交替排序?qū)崿F(xiàn)算法后，可知芯片產(chǎn)品的目標(biāo)位置狀態(tài)可通過(guò)人為設(shè)定。而混合排序?qū)崿F(xiàn)方法就是要通過(guò)人機(jī)交互界面代替人為設(shè)定的目標(biāo)位置狀態(tài)，使得排序狀態(tài)更加隨機(jī)，更加不確定，難度更大。同理，假設(shè)XN{i}為4種芯片產(chǎn)品數(shù)目，KA{4}為A類(lèi)芯片數(shù)目，KB{4}為B類(lèi)芯片數(shù)目，KC{4}為空位數(shù)目，K{4}為4種芯片產(chǎn)品的過(guò)渡位置，PA{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫(kù)各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類(lèi)芯片產(chǎn)品，2表示B類(lèi)芯片產(chǎn)品。人機(jī)交互界面設(shè)定PM{4,8}為芯片產(chǎn)品料庫(kù)各位置所存放芯片的狀態(tài)，0表示空位，1表示A類(lèi)芯片產(chǎn)品，2表示B類(lèi)芯片產(chǎn)品。與交替排序?qū)崿F(xiàn)法最大的不同就是，用人機(jī)交互界面設(shè)定排序后的目標(biāo)狀態(tài)PM{4,8}，排序?qū)崿F(xiàn)方法就是將現(xiàn)狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)相比較，與目標(biāo)狀態(tài)相同的位置芯片保持不動(dòng)，與目標(biāo)狀態(tài)不同的位置芯片需互換位置，并記錄新的狀態(tài)。具體算法流程與交替排序?qū)崿F(xiàn)法一致。

假設(shè)人機(jī)交互界面設(shè)定排序后的目標(biāo)狀態(tài)PM{4,8}={{1,0,1,0,1,2,2,NON},{1,2,1,2,1,0,1,NON},{1,0,1,0,1,2,0,2},{1,2,0,1}}，則排序結(jié)果如圖6所示。

圖6 混合排序?qū)崿F(xiàn)法的效果示意圖

2.4 產(chǎn)品排序方法的比較

基于ABB工業(yè)機(jī)器人工作站芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法是通過(guò)ABB工業(yè)機(jī)器人手臂位置裝有吸盤(pán)工具實(shí)現(xiàn)芯片產(chǎn)品按要求搬運(yùn)，以致完成最終的芯片產(chǎn)品排序。

芯片產(chǎn)品簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)方法是最簡(jiǎn)單的排序方法，利用窮舉法搜索需要交換的芯片。如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號(hào)位置紅色芯片，2、5號(hào)位置灰色芯片,6、7、8號(hào)位置為空位置，現(xiàn)需按要求將紅色芯片產(chǎn)品放置1、2、3號(hào)位置，灰色芯片產(chǎn)品放置7、8號(hào)位置，中間為空位。首先，通過(guò)從前往后搜索1號(hào)位置紅色芯片，產(chǎn)品不動(dòng)，2號(hào)芯片產(chǎn)品為非紅色，搬運(yùn)至空位，再?gòu)暮笸八阉?號(hào)位置不動(dòng)，4號(hào)位置芯片產(chǎn)品為紅色，將4號(hào)芯片產(chǎn)品搬運(yùn)至2號(hào)位置，最后將原先搬運(yùn)至空位的原2號(hào)位置芯片搬運(yùn)至4號(hào)位置，重復(fù)循環(huán)此操作即可完成簡(jiǎn)單排序。

芯片產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)方法，如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號(hào)位置紅色芯片，2、5號(hào)位置灰色芯片,6、7、8號(hào)位置為空位置，現(xiàn)需按要求將紅色芯片產(chǎn)品放置1、3、5號(hào)位置，灰色芯片產(chǎn)品放置2、4號(hào)位置，中間為空位。與芯片產(chǎn)品簡(jiǎn)單排序方法不同，芯片產(chǎn)品交替排序有產(chǎn)品目標(biāo)狀態(tài)變量，只要將現(xiàn)狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)相對(duì)比，例如通過(guò)搜索會(huì)發(fā)現(xiàn)4、5號(hào)位置芯片產(chǎn)品狀態(tài)均與目標(biāo)狀態(tài)不同，則需利用空位對(duì)4、5號(hào)位置不同狀態(tài)的芯片產(chǎn)品進(jìn)行互換。

芯片產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)方法，如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號(hào)位置紅色芯片，2、5號(hào)位置灰色芯片,6、7、8號(hào)位置為空位置，現(xiàn)通過(guò)人機(jī)交互按要求將紅色芯片產(chǎn)品放置1、3、5號(hào)位置，灰色芯片產(chǎn)品放置6、8號(hào)位置，其余位置為空位。與芯片產(chǎn)品交替排序方法類(lèi)似，通過(guò)人機(jī)交互所有產(chǎn)品目標(biāo)狀態(tài)，只要將現(xiàn)狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)相對(duì)比，例如通過(guò)搜索會(huì)發(fā)現(xiàn)2、4、5、6、8號(hào)位置芯片產(chǎn)品狀態(tài)均與目標(biāo)狀態(tài)不同，逐步將2、5號(hào)位置芯片產(chǎn)品分別搬運(yùn)至6、8號(hào)位置，再將4號(hào)位置芯片產(chǎn)品搬運(yùn)至5號(hào)位置即可完成產(chǎn)品排序。

如圖3所示，集成電路芯片的位置為1、3、4號(hào)位置紅色芯片，2、5號(hào)位置灰色芯片,6、7、8號(hào)位置為空位置。對(duì)于這種排序任務(wù)，3種方法均能夠有效實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于交替排序和混合排序任務(wù)，簡(jiǎn)單的排序程序不僅會(huì)產(chǎn)生程序冗余現(xiàn)象，還有可能出現(xiàn)完不成任務(wù)，甚至程序報(bào)錯(cuò)。如表2所示，對(duì)于完成集成電路芯片簡(jiǎn)單排序任務(wù)所需搬運(yùn)次數(shù)也有所不同，簡(jiǎn)單排序方法需要5次搬運(yùn)才能完成任務(wù)，交替排序和混合排序方法僅需要3次就能完成任務(wù)。相比而言，后兩種排序方法更加簡(jiǎn)潔、靈活，尤其是混合排序方法能夠?qū)崿F(xiàn)各種產(chǎn)品排序任務(wù)。

表2 完成集成電路芯片簡(jiǎn)單排序任務(wù)所需搬運(yùn)次數(shù)

3.總結(jié)

本文根據(jù)技能大賽實(shí)際要求和約束條件，完成并實(shí)現(xiàn)芯片產(chǎn)品排序，并給出3種不同的芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)方法，即產(chǎn)品簡(jiǎn)單排序?qū)崿F(xiàn)法、產(chǎn)品交替排序?qū)崿F(xiàn)法、產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法。比較研究之后，產(chǎn)品混合排序?qū)崿F(xiàn)法性能更加魯棒，適應(yīng)性更強(qiáng)。通過(guò)對(duì)芯片產(chǎn)品排序?qū)崿F(xiàn)法的研究，加快了技能訓(xùn)練的效率，也提升了學(xué)生及老師的技能水平。