流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用

李文平

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

產(chǎn)品抽檢抓手屬于設(shè)備機(jī)械化發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的一種新型裝置，尤其在近年來(lái)電子技術(shù)不斷發(fā)展與變革的社會(huì)背景下，將電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行融合，進(jìn)行機(jī)器人與智能化設(shè)備的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，已成了我國(guó)高新技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)與研究焦點(diǎn)。使用產(chǎn)品抽檢抓手對(duì)流水線生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，不僅可以實(shí)現(xiàn)抽檢過(guò)程的人機(jī)交互，同時(shí)也可以更好地將機(jī)械與自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)融合[1]。使用機(jī)床設(shè)備，將其與產(chǎn)品抽檢抓手進(jìn)行動(dòng)態(tài)化融合，構(gòu)建一個(gè)具有柔性加工性能的質(zhì)量檢驗(yàn)單元，用于機(jī)械工程中大型與小型設(shè)備流水生產(chǎn)線，使機(jī)械生產(chǎn)的過(guò)程更加規(guī)范。產(chǎn)品抽檢抓手的適應(yīng)性較強(qiáng)，不會(huì)因外界運(yùn)行環(huán)境的干擾而出現(xiàn)異常運(yùn)行問(wèn)題，并且使用柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)控制產(chǎn)品抽檢抓手，當(dāng)機(jī)械手中某個(gè)零部件發(fā)生故障需要被更替時(shí)，可采用直接替換的方式對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)更新，該方式可進(jìn)一步滿足并適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢的需求[2]。目前，我國(guó)針對(duì)產(chǎn)品抽檢抓手的研究，相比于國(guó)外而言，仍存在一定的距離，無(wú)論在制造水平或生產(chǎn)方式上均與其存在某種程度上的差距。因此，設(shè)計(jì)流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用流程，在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)層面，提高流水線生產(chǎn)質(zhì)量，為我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)收益。

1 流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用

1.1 產(chǎn)品抽檢抓手剛體運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

在開(kāi)展與該方面相關(guān)的研究前，應(yīng)當(dāng)明確產(chǎn)品抽檢抓手在常規(guī)運(yùn)行條件下的關(guān)鍵技術(shù)與工藝參數(shù)[3]。對(duì)于該方面相關(guān)內(nèi)容的描述如下表1 所示。

表1 產(chǎn)品抽檢抓手關(guān)鍵技術(shù)與參數(shù)描述

該文研究的產(chǎn)品抽檢抓手，通過(guò)使用PLC 作為控制抽檢抓手運(yùn)動(dòng)的主控制板，搭載傳感器與檢測(cè)技術(shù)，使抓手控制系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性與外界信息抗干擾能力，同時(shí)，通過(guò)控制算法的使用，使流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手具備一定的智能性與可操作性[4]。圖1 為抓手原理圖。

圖1 抽檢抓手原理圖

在抓手抓取功能方面，通過(guò)對(duì)抓手的動(dòng)力學(xué)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抓手與計(jì)算機(jī)終端的人機(jī)交互，確保抓手執(zhí)行某種行為或動(dòng)作的正確性與實(shí)用性。

在掌握與流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手相關(guān)的內(nèi)容后，可從自由度角度，對(duì)產(chǎn)品抽檢抓手的剛體運(yùn)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，在對(duì)其進(jìn)行分析前，應(yīng)當(dāng)先掌握此種抓手是由靜平臺(tái)、夾持機(jī)構(gòu)（吸盤）、主動(dòng)臂等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中每個(gè)抓取運(yùn)動(dòng)臂在吸盤中的夾角均為120.0°，運(yùn)動(dòng)鏈由1 個(gè)主動(dòng)抓取臂與一個(gè)從動(dòng)運(yùn)動(dòng)臂構(gòu)成，4 個(gè)球形附件與運(yùn)動(dòng)桿構(gòu)成1 個(gè)完整的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。終端控制設(shè)備通過(guò)調(diào)制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)角度，對(duì)產(chǎn)品抽檢抓手的運(yùn)動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行控制，確保抓手可以在流水生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)[5]。基于空間運(yùn)動(dòng)層面分析，可將O點(diǎn)定義為吸盤固定點(diǎn)，與之對(duì)應(yīng)的參考坐標(biāo)表示為r=[x，y，z]，其中x，y，z分別對(duì)應(yīng)抓取過(guò)程中，3 個(gè)主動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)方向，在進(jìn)行產(chǎn)品抽檢抓取過(guò)程中，r可以表示為主動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)半徑，此時(shí)經(jīng)過(guò)靜平臺(tái)的運(yùn)行理論推導(dǎo)，可得到針對(duì)抓手剛體運(yùn)動(dòng)行為的結(jié)構(gòu)角度。推導(dǎo)公式如下。

式中：ei表示為抓手剛體運(yùn)動(dòng)行為的力學(xué)角度；e表示為并聯(lián)產(chǎn)品抽檢抓手的夾角；βi表示為外接半徑差；T表示運(yùn)動(dòng)距離。根據(jù)上述計(jì)算公式，可依次推導(dǎo)出終端抓取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。計(jì)算公式如下。

式中：θi表示為流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在抓取生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，主動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)角度；Gi表示為兩端裝置位移；Fi表示為從動(dòng)臂的臂長(zhǎng)；Ei表示為基于力學(xué)角度分析得出的抓手夾角。

按照上述推導(dǎo)公式，可持續(xù)得出與產(chǎn)品抽檢抓手剛體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的速度參數(shù)與運(yùn)動(dòng)加速度參數(shù)。以此完成對(duì)產(chǎn)品抽檢抓手剛體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分析。

1.2 設(shè)計(jì)抓手抽檢的抓取運(yùn)動(dòng)軌跡

為了確保產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用可以在流水線生產(chǎn)中起到較好的作用，需要對(duì)其完成力學(xué)分析后，進(jìn)行抓手抽檢過(guò)程中抓取運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)與分析。通過(guò)合理規(guī)劃抓手抓取軌跡的方式，不僅可以提高產(chǎn)品抓取抽檢過(guò)程中伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的順暢性，同時(shí)也可以在一定程度上解決慣性負(fù)載問(wèn)題，從而提高末端執(zhí)行器的精度與速度[6]。而在規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)路徑時(shí)，需要根據(jù)流水生產(chǎn)線的抽檢需求，在擺脫外界等相關(guān)因素對(duì)其產(chǎn)生干擾的前提下，在生產(chǎn)線操作過(guò)程中，設(shè)計(jì)一條在操作平臺(tái)內(nèi)合理移動(dòng)的抓手抓取路徑，以此達(dá)到高效率、高質(zhì)量隨機(jī)抽檢的目的。

結(jié)合流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的抓取任務(wù)要求，可初步設(shè)計(jì)一個(gè)抽檢抓手在操作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡。如下圖2 所示。

根據(jù)上述圖2 中設(shè)計(jì)的抽檢抓手運(yùn)動(dòng)軌跡，可知抓手在進(jìn)行流水線產(chǎn)品抽檢時(shí)，先從A點(diǎn)定位到隨機(jī)抽檢產(chǎn)品在流水線傳送帶上的位置，在抓取產(chǎn)品后，抽檢抓手依靠吸盤，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行提升處理，當(dāng)達(dá)到B點(diǎn)位置時(shí)，抽檢抓手開(kāi)始做平移運(yùn)動(dòng)，將抓取的產(chǎn)品放置在抽檢傳送線帶中的C點(diǎn)位置，并在達(dá)到C點(diǎn)位置時(shí)，抽檢抓手垂直下移，持續(xù)從D點(diǎn)進(jìn)行流水線產(chǎn)品隨機(jī)抽樣。在上述提出的運(yùn)動(dòng)軌跡中，A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離、B點(diǎn)到C點(diǎn)的距離，需要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況再行設(shè)計(jì)。

圖2 抽檢抓手在操作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡

盡管上述設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以滿足流水線產(chǎn)品抽檢需求，但考慮到在傳輸帶拐角位置抽檢產(chǎn)品時(shí)，可能會(huì)由于抓手運(yùn)動(dòng)不當(dāng)，出現(xiàn)抓取產(chǎn)品時(shí)，帶動(dòng)其他產(chǎn)品掉落的問(wèn)題[7]。因此，需要在上述設(shè)計(jì)軌跡的基礎(chǔ)上，對(duì)其抓取線路進(jìn)行優(yōu)化。如下圖3 所示。

圖3 優(yōu)化抽檢抓手在操作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡

在上述圖3 提出的抓取運(yùn)動(dòng)軌跡中，抽檢抓手從A點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)，此時(shí)，D點(diǎn)的產(chǎn)品為隨機(jī)抽檢的目標(biāo)產(chǎn)品，I點(diǎn)位樣本一次抽檢的終點(diǎn)路線。此時(shí)，抽檢抓手的作業(yè)路線可以為A點(diǎn)→B點(diǎn)→C點(diǎn)→D點(diǎn)→E點(diǎn)→F點(diǎn)→G點(diǎn)→H點(diǎn)→I點(diǎn)。在該過(guò)程中，抽檢抓手需要進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)品的抓取、位置點(diǎn)轉(zhuǎn)移、抽檢產(chǎn)品放置等行為?？紤]到抽檢抓手的末端執(zhí)行軌跡大多位于X-Y水平面，一般情況下末端執(zhí)行軌跡是平行于Y軸的，而此時(shí)待抓取的產(chǎn)品位置在流水生產(chǎn)線中較為隨機(jī)，因此，可以認(rèn)為無(wú)論抽檢抓手在任何一個(gè)待抓取區(qū)域內(nèi)，均可按照?qǐng)D2 所示的運(yùn)動(dòng)軌跡抓取流水線產(chǎn)品。當(dāng)抽檢抓手從終端視覺(jué)傳遞端口獲得目標(biāo)樣本在流水生產(chǎn)線中的X-Y水平坐標(biāo)后，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)均將抽檢抓手迅速移動(dòng)到指定瓶子位置，通過(guò)這種方式，設(shè)計(jì)抓手抽檢的抓取運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.3 下機(jī)位通信與流水生產(chǎn)線產(chǎn)品復(fù)檢

為了進(jìn)一步落實(shí)抽檢抓手在流水生產(chǎn)線中的應(yīng)用，需要在完成上述相關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)下機(jī)位通信進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于抓手的操控大多需要后臺(tái)2 個(gè)工控機(jī)作為支撐，其中1 臺(tái)工控機(jī)用于控制抽檢抓手的抓取行為與運(yùn)動(dòng)行為，另一臺(tái)工控機(jī)用于進(jìn)行圖像處理。同時(shí)要求終端的2 臺(tái)工控機(jī)處于一種實(shí)時(shí)通信狀態(tài)，只有2 臺(tái)工控機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行交互與傳遞，才可以確保抽檢結(jié)果的正確性與實(shí)用性。在該過(guò)程中，需要對(duì)工控機(jī)的串口號(hào)、波特比率進(jìn)行校驗(yàn)，并要求終端坐標(biāo)口顯示抓手的傳遞坐標(biāo)，坐標(biāo)不僅應(yīng)包括X與Y的位置信息，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)包括目標(biāo)產(chǎn)品的空間信息Z，在完成對(duì)坐標(biāo)位置的顯示后，需要在傳輸?shù)男畔⑶岸伺c后端同時(shí)加上終止標(biāo)志位“！”與“#”，代表終止目標(biāo)產(chǎn)品的抽檢行為。

當(dāng)上機(jī)位公布的規(guī)劃數(shù)據(jù)顯示完全后，應(yīng)當(dāng)控制抓手的目標(biāo)軌跡，由于抽取行為是在終端移動(dòng)設(shè)備控制下實(shí)施的，因此，終端操作設(shè)備會(huì)將獲取的位置信息自動(dòng)傳輸?shù)角岸?，并在前端顯示一個(gè)完整的預(yù)設(shè)軌跡，運(yùn)動(dòng)軌跡中包括坐標(biāo)位置點(diǎn)信息、控制點(diǎn)信息、軌跡檢測(cè)點(diǎn)信息等。當(dāng)抓手完成對(duì)流水線生產(chǎn)產(chǎn)品的抓取后，產(chǎn)品將被移動(dòng)到檢測(cè)傳送帶，該傳送帶中集成了傳感器，當(dāng)流水線產(chǎn)品被放置到傳送帶上時(shí)，終端位置將自動(dòng)對(duì)抽檢的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，一旦檢測(cè)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將會(huì)觸發(fā)終端警報(bào)。當(dāng)對(duì)其質(zhì)量檢測(cè)無(wú)誤后，傳送帶將自動(dòng)掃描產(chǎn)品外型，檢測(cè)流水生產(chǎn)線產(chǎn)品外型與預(yù)設(shè)的外型是否存在顯著差異，一旦出現(xiàn)差異，上機(jī)位將連通前端通信裝置，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)抽檢傳送帶中出現(xiàn)多個(gè)產(chǎn)品的預(yù)警后，抽檢抓手將同樣按照?qǐng)D2 所示的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行再次抓取，將流水生產(chǎn)線中不符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品放置到指定位置，達(dá)到對(duì)流水生產(chǎn)線產(chǎn)品復(fù)檢的目的。從而對(duì)流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該文上述流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在實(shí)際應(yīng)用中的效果，按照上述設(shè)計(jì)要求，對(duì)抓手樣機(jī)進(jìn)行制作。抓手共包括上位機(jī)、電氣和機(jī)械3 個(gè)組成部分，對(duì)樣機(jī)的制作只包括抓手本體，針對(duì)其動(dòng)平臺(tái)部分，并沒(méi)有安裝相應(yīng)的吸盤或其他抓手機(jī)構(gòu)。為了確保該文最終驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，對(duì)上述制作的抓手樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要對(duì)其軌跡進(jìn)行預(yù)設(shè)，并對(duì)抓手從原點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)到目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)整個(gè)運(yùn)行軌跡進(jìn)行跟蹤。根據(jù)表2 中內(nèi)容，對(duì)抓手在運(yùn)行過(guò)程中的角度進(jìn)行設(shè)定。

表2 產(chǎn)品抽樣抓手運(yùn)行角度設(shè)定表

按照上述角度設(shè)定要求，在同一立體坐標(biāo)系中，將上述制備的抓手樣機(jī)的目標(biāo)位置設(shè)定為（-120，-150，-550），將放置點(diǎn)的位置設(shè)定為（120，150，550），將抓手的中心點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為（0，0，-452）。按照對(duì)應(yīng)的位置，讓抓手運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的目標(biāo)位置，并在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，確保上位機(jī)、通信等各類設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且使抓手自動(dòng)規(guī)劃運(yùn)行軌跡。為驗(yàn)證該文提出的流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手是否能夠達(dá)到高精度運(yùn)行效果，將其運(yùn)行過(guò)程中的角度誤差作為測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)，將其記錄結(jié)果記錄如表3 所示。

根據(jù)表3 中記錄數(shù)據(jù)可以看出，該文設(shè)計(jì)的流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，能夠在上位機(jī)、通信等設(shè)備正常運(yùn)行的狀態(tài)下，將運(yùn)行角度誤差控制在0.03°以內(nèi)，滿足抓手運(yùn)行的高精度需要。因此，通過(guò)實(shí)例應(yīng)用測(cè)試的方式進(jìn)一步證明，該文設(shè)計(jì)的流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手運(yùn)行精度更高，將其應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)能夠進(jìn)一步提高檢驗(yàn)精度以及檢驗(yàn)效率。

表3 流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手測(cè)試結(jié)果記錄表

3 結(jié)語(yǔ)

在社會(huì)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的社會(huì)背景下，智能化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。其中流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手便屬于現(xiàn)代化社會(huì)在不斷發(fā)展與實(shí)踐中的產(chǎn)物，機(jī)械手的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)制造產(chǎn)品精度的提升，同時(shí)，通過(guò)機(jī)械作業(yè)，也在某種程度上降低了生產(chǎn)制造中人工行為的危險(xiǎn)性。例如在化工生產(chǎn)中，部分生產(chǎn)原材料是存在有毒或放射性物質(zhì)的，倘若使用流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手進(jìn)行該類貨物的搬運(yùn)與下料，便可避免工作人員接觸危險(xiǎn)物質(zhì)。此外，使用智能抓手抓取零件，將其與其他結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行緊密結(jié)合，可以使結(jié)構(gòu)密度更高。通過(guò)該方式，提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。因此，在后期還需要在該方面進(jìn)行更加深入的研究，通過(guò)優(yōu)化抓手結(jié)構(gòu)的方式，使流水生產(chǎn)線產(chǎn)品抽檢抓手在市場(chǎng)中具有更高的應(yīng)用價(jià)值。