基于UML方法和SFC的龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚玉良，閆 立，蔣濤濤，葉舒顏

(蚌埠凱盛工程技術(shù)有限公司 ，蚌埠 233000)

在現(xiàn)代生產(chǎn)中，工業(yè)碼垛機(jī)器人逐步演變成新時(shí)代的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，對(duì)于企業(yè)提高生產(chǎn)效率、保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和改善工作環(huán)境上起著很大的作用。而碼垛機(jī)器人的主要功能則是通過(guò)軟件控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在要求碼垛機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)必須具有可移植性、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性，以適應(yīng)碼垛不同規(guī)格的物品[1]。因此，碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性顯得十分突出。

目前，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的建模方法主要有功能分解法、數(shù)據(jù)流法、信息建模法和面向?qū)ο蠓?，其中，面向?qū)ο蠓ㄍㄟ^(guò)建立對(duì)象與問(wèn)題域的完整映射如實(shí)反映問(wèn)題域中事物的關(guān)系，主要設(shè)計(jì)的方法有面向?qū)ο笙到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法(Booch)，對(duì)象建模技術(shù)(OMT)，面向?qū)ο蟮能浖こ?OOSE)和UML[2]。此外，UML方法是其他三種面向?qū)ο蠓ǖ慕y(tǒng)一方法，是一種面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)的通用語(yǔ)言[3]。同時(shí)，編程語(yǔ)言也是控制軟件設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，對(duì)實(shí)施相同的順序控制，順序功能圖SFC采用工藝流程編譯的方法進(jìn)行編程，相對(duì)應(yīng)梯形圖(LD)程序而言，具有程序開(kāi)發(fā)周期短、程序工藝過(guò)程清晰、語(yǔ)法規(guī)則精煉和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)[4]，另外SFC可以有效解決PLC軟件規(guī)模膨脹、LD編寫(xiě)困難的問(wèn)題。

1 基于UML的龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)需求分析

龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)的功能需求包括4個(gè)方面：基本控制、參數(shù)設(shè)置、人機(jī)交互和作業(yè)保護(hù)。1) 基本控制：該功能需求主要以自動(dòng)碼垛為核心，包括紙箱運(yùn)輸節(jié)拍控制、推箱節(jié)拍控制、氣缸動(dòng)作控制、托盤(pán)輸送裝置控制、光電信號(hào)檢測(cè)和系統(tǒng)通訊控制等。2) 參數(shù)設(shè)置：配方選擇、碼垛層數(shù)設(shè)置和執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置。3) 人機(jī)交互：監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)控輸入信號(hào)、顯示生產(chǎn)信息等。4) 作業(yè)保護(hù)：防止生產(chǎn)錯(cuò)誤或執(zhí)行誤操作和防止設(shè)備運(yùn)行時(shí)人員進(jìn)入非安全區(qū)等。

1.2 靜態(tài)建模

通過(guò)上述需求分析，可建立軟件系統(tǒng)的靜態(tài)模型[5]。靜態(tài)模型從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和靜態(tài)角度描述系統(tǒng)，約束和限定系統(tǒng)功能范圍[6]。靜態(tài)建模主要用到UML提供的用例圖、類(lèi)圖等視圖。首先建立用例圖，辨別出系統(tǒng)外界的參與者和系統(tǒng)邊界，指出角色與角色、角色與用例和用例與用例之間的關(guān)系，然后建立類(lèi)圖，呈現(xiàn)出參與者和用例之間的關(guān)系。

在對(duì)龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)編程中，主要涉及到角色有托盤(pán)管理員角色、物品送入系統(tǒng)角色、物品送出系統(tǒng)角色和碼垛機(jī)組管理員角色，涉及到用例有托盤(pán)供給用例、物品供給用例、設(shè)備維護(hù)用例和物品碼垛用例。不同的角色與控制軟件系統(tǒng)有不同的交互功能，其中，托盤(pán)管理員能夠向碼垛機(jī)器人提供空托盤(pán)，保證托盤(pán)輸送線(xiàn)中存有空托盤(pán)；物品送入系統(tǒng)能夠向碼垛機(jī)器人輸送需要碼垛的同種規(guī)格的物品；物品送出系統(tǒng)能夠在物品被碼垛完畢后接收碼垛好的物品，移入倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中；碼垛機(jī)組管理員主要負(fù)責(zé)設(shè)備維護(hù)，及監(jiān)督物品送入系統(tǒng)和物品送出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)督托盤(pán)輸送狀態(tài)，保證碼垛機(jī)組良好的運(yùn)行狀態(tài)。綜上所述，建立如圖1所示的龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)用例圖。

圖1中的物品碼垛用例是整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心功能，為了分析其內(nèi)部具體的組成結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)及關(guān)系抽象成類(lèi)[7]，建立如圖2所示的龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)類(lèi)圖。根據(jù)圖2分析，龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)領(lǐng)域主要涉及到碼垛機(jī)組管理員類(lèi)、碼垛裝置類(lèi)、物品輸送裝置類(lèi)、推箱裝置類(lèi)、托盤(pán)輸送裝置類(lèi)、物品類(lèi)、托盤(pán)類(lèi)、HMI類(lèi)和PLC類(lèi)。

其中碼垛機(jī)組管理員類(lèi)主要監(jiān)控整個(gè)碼垛機(jī)器人控制運(yùn)行；物品輸送裝置類(lèi)主要能夠根據(jù)物品的屬性和碼垛物品擺放要求，具有物品輸送節(jié)拍、物品輸送速度和物品輸送個(gè)數(shù)等屬性，也可對(duì)物品進(jìn)行轉(zhuǎn)箱、擋箱、輸送和計(jì)數(shù)等操作；推箱裝置類(lèi)主要讀取PLC類(lèi)地址寄存器中的數(shù)值進(jìn)行推箱處理，具有推箱節(jié)拍、推箱速度和地址寄存器數(shù)值等屬性，對(duì)輸送擺放好的物品進(jìn)行整排推箱、置位和復(fù)位地址和計(jì)數(shù)推箱次數(shù)等操作；托盤(pán)輸送裝置類(lèi)主要根據(jù)托盤(pán)的屬性具有輸送托盤(pán)速度和托盤(pán)碼垛工位信息檢測(cè)等屬性，并可對(duì)執(zhí)行輸送托盤(pán)到碼垛工位等操作；碼垛裝置類(lèi)根據(jù)物品和托盤(pán)屬性，具有碼垛層數(shù)、碼垛速度和地址寄存器數(shù)值等屬性，可具有接受和碼垛單層物品、置位和復(fù)位地址寄存器和計(jì)數(shù)當(dāng)前層數(shù)等操作；PLC類(lèi)主要控制物品輸送裝置類(lèi)、推箱裝置類(lèi)、托盤(pán)輸送裝置類(lèi)和碼垛裝置類(lèi)運(yùn)行，具有運(yùn)算速度、控制點(diǎn)數(shù)、兼容性和穩(wěn)定性等屬性，對(duì)三個(gè)裝置類(lèi)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算等操作；HMI類(lèi)主要與PLC類(lèi)相互通信，具有檢測(cè)碼垛機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置控制參數(shù)和報(bào)警等操作。

1.3 動(dòng)態(tài)建模

動(dòng)態(tài)模型主要用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，動(dòng)態(tài)建模主要用到UML提供的序列圖、合作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖等四種視圖。其中，序列圖是描述軟件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的主要手段[8]，故這里擬建立龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)的序列圖，用來(lái)描述其對(duì)象之間交互消息傳遞的時(shí)序關(guān)系。首先簡(jiǎn)述序列圖的定義：

設(shè)序列圖OSD=(OS,LS,Σ,f)，其中：

1)OS表示系統(tǒng)對(duì)象集合，即系統(tǒng)中的每個(gè)對(duì)象為集合的元素；

2)AOLS表示全部對(duì)象位點(diǎn)集合，AOLS={θ(n),θ∈OS∧n∈SL(θ),n∈N}，其中，θ(n)表示對(duì)象θ生命線(xiàn)上發(fā)送或接受消息的點(diǎn)，即位點(diǎn)，SL(θ)表示單個(gè)對(duì)象θ的位點(diǎn)集合；

3)Σ表示對(duì)象消息集合，其語(yǔ)法格式為{[NO.][MN][PL]}，其中[NO.]表示消息序號(hào)，[MN]表示消息名，[PL]表示參數(shù)列表，[PL]可缺??；

4)f表示消息與位點(diǎn)之間的映射，f:Σ×{msnd,mred}→AOLS，其中msnd，mred表示消息的發(fā)送和接受。

從靜態(tài)模型中可以看出龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)以PLC對(duì)象為核心，主要與其交互的有托盤(pán)輸送裝置對(duì)象、物品輸送裝置對(duì)象、推箱裝置對(duì)象和碼垛裝置對(duì)象?，F(xiàn)以與PLC對(duì)象交互為基礎(chǔ)，遵循上述定義原則，可對(duì)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行如下描述：

1)托盤(pán)輸送裝置對(duì)象-PLC對(duì)象：碼垛控制系統(tǒng)運(yùn)行前，PLC對(duì)象采集托盤(pán)碼垛工位信息，若碼垛工位無(wú)信息，則PLC對(duì)象向托盤(pán)輸送裝置對(duì)象發(fā)送信息，并彈出消息框，等待托盤(pán)輸送到位，若碼垛工位有信息，則PLC對(duì)象發(fā)送空指令信息，使托盤(pán)輸送裝置對(duì)象等待下一個(gè)指令信息；

2)物品輸送裝置對(duì)象-PLC對(duì)象：托盤(pán)輸送到位后，PLC對(duì)象根據(jù)物品輸送裝置對(duì)象采集的物品送入信息和PLC對(duì)象內(nèi)部算法，向物品輸送裝置返回轉(zhuǎn)箱信息或不轉(zhuǎn)箱信息；之后，擋箱光電信息檢測(cè)到物品到位信息并向PLC對(duì)象發(fā)送其信息后，PLC對(duì)象根據(jù)內(nèi)部算法向擋箱裝置對(duì)象返回?fù)跸湫畔⒒虿粨跸湫畔ⅲ?/p>

3)推箱裝置對(duì)象-PLC對(duì)象： PLC對(duì)象采集擋箱光電計(jì)數(shù)信息和擋箱光電下降沿信息后，讀取內(nèi)部地址寄存器值進(jìn)行整排推箱，將整排物品推至托架上或緩沖區(qū)中，其中，每推箱一次，PLC內(nèi)部地址寄存器0和地址寄存器1的值同時(shí)加1；

4)碼垛裝置對(duì)象-PLC對(duì)象：當(dāng)?shù)刂芳拇嫫?值為2時(shí)，PLC對(duì)象向碼垛裝置對(duì)象發(fā)送碼垛信息，碼垛裝置對(duì)象首先將整層物品和托架移至一定高度后向PLC對(duì)象發(fā)送到位信息，PLC對(duì)象接收到位信息并返回將整層物品和托架水平移至碼垛工位的信息。PLC對(duì)象采集水平到位信息后再次返回夾緊信息，用于托架上物品的整形，之后碼垛裝置對(duì)象向PLC對(duì)象返回物品夾緊整形信息，最后，PLC對(duì)象向碼垛裝置對(duì)象返回托架復(fù)位信息進(jìn)行托架恢復(fù)到碼垛之前狀態(tài)。待托架復(fù)位之后，碼垛裝置對(duì)象向PLC對(duì)象發(fā)送更新信息，用于復(fù)位PLC對(duì)象內(nèi)部算法程序。

2 基于SFC的龍門(mén)碼垛機(jī)器人控制軟件程序設(shè)計(jì)

IEC61131-3[9,10]從公共元素和編程語(yǔ)言?xún)蓚€(gè)方面對(duì)PLC的編程進(jìn)行了規(guī)范，且定義了SFC為編程語(yǔ)言的公共元素和拓?fù)涑绦蚩蚣躘11]，屬于圖形編輯模式。在程序設(shè)計(jì)中，步進(jìn)點(diǎn)、轉(zhuǎn)移條件和動(dòng)作是SFC必要元素[12]，步進(jìn)點(diǎn)只有在轉(zhuǎn)移條件成立時(shí)才能轉(zhuǎn)移到其他步進(jìn)點(diǎn)。

在圖3中，UML序列圖中對(duì)象c向?qū)ο骴發(fā)送i:消息后，對(duì)象n由狀態(tài)e轉(zhuǎn)移到狀態(tài)f中，對(duì)象d的動(dòng)作發(fā)生改變。在SFC中，當(dāng)轉(zhuǎn)移條件XI成立后，原步進(jìn)點(diǎn)SA及其伴隨動(dòng)作被清除，步進(jìn)點(diǎn)SB及其伴隨動(dòng)作被驅(qū)動(dòng)，控制動(dòng)作發(fā)生改變。經(jīng)分析后可得，UML序列圖和SFC的狀態(tài)或動(dòng)作的轉(zhuǎn)換都是在某一條件成立的情況下進(jìn)行的。因此，序列圖與SFC有著內(nèi)在轉(zhuǎn)換關(guān)系，序列圖中對(duì)象d的狀態(tài)可轉(zhuǎn)換成SFC的步進(jìn)點(diǎn)及其伴隨動(dòng)作，序列圖中的i:消息可轉(zhuǎn)換成SFC中的轉(zhuǎn)移條件XI。故可從龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)序列圖中抽取相應(yīng)的各個(gè)裝置對(duì)象的SFC。

根據(jù)對(duì)軟件控制系統(tǒng)的描述，PLC對(duì)象采集托盤(pán)輸送裝置對(duì)象的托盤(pán)碼垛工位信息時(shí)，PLC對(duì)象會(huì)根據(jù)采集信息返回供于托盤(pán)輸送裝置對(duì)象進(jìn)行選擇分支的信息，控制碼垛裝置對(duì)象執(zhí)行不同的動(dòng)作。所以，在從UML中序列圖中抽取SFC時(shí)，托盤(pán)碼垛工位信息可轉(zhuǎn)換成SFC中的轉(zhuǎn)移條件，控制托盤(pán)裝置對(duì)象轉(zhuǎn)移到不同的步進(jìn)點(diǎn)中，并有不同的伴隨動(dòng)作。這個(gè)控制流程可用SFC表示成如圖4所示，PLC型號(hào)選擇DVP-ES系列。

按照上述分析方法，可分別從完整的碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)的UML序列圖中可抽取物品輸送裝置對(duì)象、擋箱裝置對(duì)象和碼垛裝置對(duì)象的順序功能圖SFC，如圖5，圖6和圖7所示，其中，擋箱裝置對(duì)象的動(dòng)作分為前擋箱和后擋箱。各裝置對(duì)象的SFC程序參數(shù)意義解釋如表1所示。

為了便于主程序設(shè)計(jì)和修改，可將上述四個(gè)SFC程序轉(zhuǎn)換成LD，進(jìn)行封裝成程序模塊，分別為托盤(pán)輸送程序模塊、物品輸送程序模塊、擋箱程序模塊和碼垛程序模塊。依據(jù)UML動(dòng)態(tài)模型交互關(guān)系以及程序初始化條件，可匯編龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)的主控制程序框架，SFC，如圖8所示，其中S11為托盤(pán)輸送程序模塊，S12為物品輸送程序模塊，S13為擋箱程序模塊，S14為碼垛程序模塊。

表1 各裝置對(duì)象的SFC程序參數(shù)意義解釋

3 聯(lián)合調(diào)試

經(jīng)上述設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)出的龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)，在投入生產(chǎn)運(yùn)行之前需進(jìn)行硬軟件的聯(lián)合調(diào)試。調(diào)試環(huán)境是在某礦泉水公司，在其實(shí)際工作環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的內(nèi)容主要是針對(duì)物品轉(zhuǎn)箱調(diào)試、物品擋箱調(diào)試、物品推箱調(diào)試和物品碼垛調(diào)試。

物品輸送調(diào)試主要是對(duì)進(jìn)入輸送線(xiàn)前端的物品進(jìn)行轉(zhuǎn)箱調(diào)試，即調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置伸出的位移使物品旋轉(zhuǎn)到合理角度。如圖9，物品旋轉(zhuǎn)至90°。物品擋箱調(diào)試主要是依據(jù)碼垛物品擺放要求以及物品的型號(hào)，修改內(nèi)部算法來(lái)調(diào)整擋板位置，實(shí)現(xiàn)前擋箱動(dòng)作和后擋箱動(dòng)作。物品推箱調(diào)試主要是基于PLC內(nèi)部算法，調(diào)試推箱距離使得單排物品被推至托架上或緩沖區(qū)，防止單排物品推至非工作區(qū)。物品碼垛調(diào)試主要是調(diào)試托架在碼垛和托架復(fù)位時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，使得托架上單層物品能夠較準(zhǔn)確無(wú)錯(cuò)誤的在碼垛工位處進(jìn)行碼垛，如圖10所示。

經(jīng)上述硬軟件調(diào)試后，各個(gè)程序模塊都達(dá)到了所設(shè)定的控制功能要求，龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果，也驗(yàn)證了該文所提出設(shè)計(jì)方法的可靠性和合理性。

4 結(jié) 論

提出了一種基于UML方法和SFC的龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，得到了以下結(jié)論：

a.基于軟件控制系統(tǒng)的需求分析，建立了龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)的UML靜態(tài)模型和UML動(dòng)態(tài)模型，分別描述軟件控制系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。

b.基于建立的系統(tǒng)靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，采用PLC圖形編輯形式的順序功能圖SFC從UML模型中抽取各個(gè)裝置對(duì)象的動(dòng)作程序，然后封裝成塊，設(shè)計(jì)龍門(mén)碼垛機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)的主程序，實(shí)現(xiàn)軟件控制系統(tǒng)的所有控制功能。

c.經(jīng)龍門(mén)碼垛機(jī)器人的硬軟件聯(lián)合調(diào)試，龍門(mén)碼垛機(jī)器軟件控制系統(tǒng)達(dá)到了所設(shè)定控制功能要求。