雙位膠片智能上料系統(tǒng)優(yōu)化設計及糾偏與運動規(guī)劃研究＊

徐曉華 呂 勇 蔣桂平 張政潑

（①桂林航天工業(yè)學院機電工程學院， 廣西 桂林 541004；②桂林廣陸數字測控有限公司，廣西 桂林 541213）

導電膠條是電子工業(yè)重要的導電器件，應用極為廣泛[1]。導電膠條采用導電膠片經切條機剪切制成，而導電膠片又是由導電層和絕緣層交替層疊、碾壓和硫化而成。因此導電膠條截面呈斑馬條，條紋方向的正確是保證電信號可靠傳輸的關鍵質量指標之一。為確保導電膠條的質量，剪切加工過程導電膠片的準確擺放成為重要的環(huán)節(jié)。目前導電膠片剪切加工上料工序主要采用人工放置和調整方式，存在準確性較差、裁切精度不穩(wěn)定、廢品率較高、生產效率低和自動化程度低等問題，對該行業(yè)的發(fā)展是一個制約因素。當前中國導電膠行業(yè)產品主要集中在中低端領域，高性能導電膠主要依賴進口，其產品結構亟待調整[2]。有關國內外導電膠技術的報導主要是關于導電膠產品本身技術現狀和發(fā)展趨勢、材料制備及性能研究等方面的多，如文獻[1-3]，雖然針對常規(guī)膠片制造的自動化上料裝置已有研究[4]，但還未涉及到膠片方位的自動識別和糾正功能。有關導電膠片智能上料等制造裝備技術的研究報導還很少。

同時，針對復雜機械裝備方案的綜合評價和優(yōu)化選擇，目前常用多指標綜合評價法已有多種[5]，以及根據不同情況作的方法改進，如灰色模糊評價法[6]、引入信息熵原理的設計方案評價模型[7]、將模糊綜合評價與層次分析法有機結合的精細決策模型[8]等，以上方法各有特點和優(yōu)點，但主要重在指標權重系數調整和計算方法改進，或只注重模糊評價方法的應用等，沒有考慮到復雜系統(tǒng)總成效果和實施可行性整體經驗評估環(huán)節(jié)的重要性，這方面還需進一步探索和完善。

常規(guī)零件的自動上料系統(tǒng)已較為普遍，并且可應用機器視覺識別零件位置，但應用于切條機的雙膠片智能上料系統(tǒng)的研究還未見有報導，開展這方面的研究具有重要意義。本研究課題設計了一種具有自動拾取、自動方位識別和偏差糾正、按最佳運動程序運行等功能的雙位導電膠智能上料系統(tǒng)，并采用改進的方案評價新方法，實現上料系統(tǒng)整體方案的評價和優(yōu)化設計。這些分析和優(yōu)化設計方法對于類似機械裝備研究設計具有參考意義。

1 智能上料系統(tǒng)的方案分析和優(yōu)化設計

1.1 智能上料的功能要求和初步方案確定

因切條機一次裁切兩塊膠片，為確保效率，要求智能上料系統(tǒng)雙片同時上料。而待切膠片在上一道裁切工序中的裁切形狀、尺寸及其與基準線的位置關系都可能有偏離，且每片的偏離程度不同；同時矩形膠片放入料框擺放過程具有一定的隨意性偏差，因而膠片基準線和中心位置與理論值往往會出現偏離。這就要求智能上料系統(tǒng)滿足：自動識別兩膠片的中心位置和基準線角度，自動糾正以滿足方向和位置要求。

因此智能上料系統(tǒng)包括如下部分：自動上料裝置、機器視覺識別系統(tǒng)、自動糾偏系統(tǒng)、拾取和氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其中，自動上料裝置端部配置雙位氣動負壓拾取裝置，可同時拾取雙片膠片；同時還可應用機器視覺系統(tǒng)實現膠片的缺陷檢查功能。基本運行過程如下：①上料裝置拾取雙膠片、移動；②機器識別和偏差計算；③上料裝置移動至等待位置，如存在表面質量缺陷則放至處理位置；④偏差糾正計算；⑤上料裝置按糾正結果放置膠片于加工位置。上料裝置可采用關節(jié)式機器人和直角坐標機器人；關節(jié)式機器人可實現復雜路徑和運動，但對某些場合和部位并不適應，如不宜伸入料框取料，且成本較高，控制較復雜。本系統(tǒng)上料環(huán)境的運動路徑和形式相對簡單，可通過直線運動組合完成，因此采用桁架式三軸直角坐標機器人更合理和簡捷[9-11]。如圖1為初步方案布局示意圖。

圖1 雙位智能上料系統(tǒng)初步方案示意圖

其中，利用桁架X運動和數控剪切機床工作臺Y運動作為雙膠片的上料運動及膠片Ⅰ的位置偏差糾正運動機構，桁架機械臂垂向運動為公共Z軸運動；X2、Y2、C2為膠片Ⅱ糾正運動軸。上述上料系統(tǒng)要滿足方案和配置的合理性、可靠性、效率、工藝性和精度等要求，并滿足成本要求，這就需要進行優(yōu)化設計和綜合評價，以及偏差糾正運算和運動規(guī)劃。對于雙膠片的位置和角度偏離，應用常規(guī)機器視覺檢測及數據處理求得偏差值[12-13]，在本文中不作具體分析。

1.2 總體方案和布局分析設計與優(yōu)化

1.2.1 方案分析和組合評價法

根據初步方案和功能要求，三軸直角坐標機器人運動控制軸分配和軸數的分析比較如下：①原始方法采用6個直線軸（X1、Y1、Z1和X2、Y2、Z2）加2個旋轉軸（C1、C2），分別獨立完成兩片膠片的移動和糾偏，上料速度最快、節(jié)拍最短，糾偏算法簡單，但顯然結構太復雜、成本高，可靠性也不好；②當確保兩組膠片數量相同，由于Z向不需要糾正偏差，因此Z軸可以共用，即最多需要7個運動軸；③可逐步進行機構簡化，合并和減少運動軸數，此時顯然會降低制造成本，但也將無法實現獨立且同步糾偏和放置運動，導致運動次數和順序、可靠性、效率、工藝和維護性和壽命等方面發(fā)生變化；這些配置和布局改動有多種方案，須進行綜合評價，選擇最優(yōu)方案。

本研究通過進一步分析認為，復雜機械系統(tǒng)的影響因素很多、很復雜，各環(huán)節(jié)的關聯性和相互影響性、整體效果性較強，以往的常規(guī)綜合評價方式及其各種改進方法對于一些復雜機械裝備系統(tǒng)還是難于很好反映方案的最終效果，特別是一些系統(tǒng)總成后才顯現的不易直接量化評價的特性，以及權重系數法未涉及到的指標和因素等。因此在本研究裝備系統(tǒng)方案評價和優(yōu)化中，提出如下改進方法：以權重系數計算法為基礎，結合以經驗判斷為主要方式、以模糊區(qū)間表示為方法、重在體現整體效果和實施可行性的評估法，形成綜合計算評價-整體經驗評估組合評價法。本評價方法同樣也適用于其他機電裝備的方案優(yōu)化設計。

（1）綜合計算評價。根據雙位智能上料系統(tǒng)的運動特點和綜合要求，確定評價指標為成本、可靠性、效率、壽命和工藝與維修性5項，綜合計算評價的計算式為

式中：ui為 第i方案的綜合計算評價值；sij(j=1,2,3,4,5)分 別為第i方案的成本、可靠性、效率、壽命、工藝和維護性的指標評價值，并已歸一化；kj(j=1,2,3,4,5)分別為成本、可靠性、效率、壽命、工藝和維修性的權重系數值。

（2）整體經驗評估。由該領域具有豐富經驗和高水平的專家組針對各方案的總成效果和可行性進行評估，其綜合性不僅涵蓋上述指標因素，并涵蓋先進性、外觀性、實施可行性等，無法以精確值量化，而以模糊區(qū)間值表示

式中：vi為 第i方案的整體經驗模糊評估區(qū)間值；λimin、 λimax分 別為第i方案評估區(qū) 間 的 最小值、最 大值； Δ λi為 第i方案的評估值域范圍大小，體現模糊性， Δ λi越大則越模糊，借用模糊度概念，稱為評價模糊度；σ為根據實際情況確定的評價模糊度閾值，具有限定模糊性不能過大的意義。 Δ λi應限定在 σ以內為有效，因為在實踐中，如果 Δλi太大即模糊性太大，則說明評價過程存在缺陷而失去意義，應重新檢查。

（3）綜合計算評價-整體經驗評估組合評價。上述整體經驗評估法重在總成效果和實施可行性，不能取代多指標計算綜合的常規(guī)評價法，而需要兩者結合，達到融合兩者優(yōu)點的目的；同時采用本組合評價法是基于對上述兩種評價模式的同等認可，因此確定組合評價算式為代數積方式

式中：wi為 第i方案的組合評價模糊值域。通過式（3）計算，有些方案模糊評價值域可能會相互重合或交叉而無法直接比較，因此首先考慮體現值域綜合水平的算數均值和體現模糊性的評價模糊度計算

設第m方 案Pm為最優(yōu)方案，須滿足如下條件

1.2.2 各方案配置及其評價指標值計算

所考察的不同方案主要取決于坐標運動軸數和配置形式，并因此導致上料運動方式變化，從而決定各評價指標值?？赡艿膸追N不同方案的運動軸配置和運動次數如表1。

表1中，Pi表 示第i方 案；ni為相應配置的運動軸數，未標識下標的運動軸為共用軸；qi為雙膠片一個放置循環(huán)的放置次數；mi為一個旋轉軸在一次雙膠片放置循環(huán)中的運動次數。可以近似認為各個坐標軸機構的成本相等、可靠度相等，5個評價指標值計算如下。

表1 各方案運動軸配置和運動次數表

（1）成本指標評價值計算。這里考慮的成本指標主要涉及到坐標軸機構成本的總和，忽略不同配置而引起的微小附加成本，則

式中：nmin為所有方案中運動軸數最少的方案的運動軸數，為4。

（2）可靠度指標評價值計算。本上料系統(tǒng)為串聯系統(tǒng)，忽略其他環(huán)節(jié)的可靠度影響，根據串聯系統(tǒng)可靠度計算原理[15]，系統(tǒng)可靠度為

式中：Ri為 具有ni個 運動軸的系統(tǒng)可靠度；rj為第j運動軸的可靠度，依假定均為r0，從而系統(tǒng)可靠性指標評價計算為

（3）效率指標評價值計算。由于糾偏和移動運動可重合，每次放置運動總時間相差不大，因此對效率的評價可主要按一個循環(huán)中放置的次數計算

式中：qmin為 所有方案中qi的最小值，為1。

（4）壽命指標評價值計算。主要考慮與方案變動最為相關的運動機構壽命變化，其主要取決于傳動機構的運動行程。但對于直線軸，其偏差糾正運動行程相對于上料移動行程很小而可忽略，即可認為直線軸壽命與方案選擇無關。因此主要考慮旋轉軸壽命，壽命指標評價值計算為

式中：mmin為所有方案中mi的最小值為2。

（5）工藝與維修性指標。工藝與維修性指標評價值si5除了與運動軸數有關，還與具體布局有關，采用經驗排序并歸一化的評定方式。經評定，從方案P1至P5排 列，si5值分別為0.2、0.6、0.8、1、0.4。

1.2.3 方案評價和優(yōu)化選擇

從表1可知有5種方案選擇，根據式（1）得到綜合計算評價矩陣算式

可以看出，指標評價值具有客觀性，而權重系數同時具有客觀性和主觀性，這里的主觀性是指研究設計者對各指標的注重程度，如本具體項目研究更注重可靠性和成本等指標，因而結果各有不同。根據實際情況和目標要求，在確定了權重系數和整體經驗評估模糊取值區(qū)間的相關具體數值后，根據式（3）、（6）～（10）及si5的確定值，得到最終組合評價集再按式（4）、（5）和方案選擇方法，本研究設計最終選擇為最優(yōu)方案。所確定方案的特點是，每片膠片的偏差糾正和放置運動所需的4個坐標運動軸全部共用，方案布局示意如圖2。

圖2 雙位智能上料系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

圖2省略了機器視覺等部分表示，并同樣利用機床工作臺Y向運動，納入上料運動軸考慮。所選方案只能每次一塊膠片依次執(zhí)行偏差糾正和放置運動，需在其中一個膠片拾取板機構上增設一個小錯位氣缸裝置（如設在拾取機構Ⅱ上），確保每次放置運動只有一個拾取板與工作臺發(fā)生作用，避免干涉；由于小氣缸裝置為簡單機構，對系統(tǒng)指標評價影響可忽略。

2 方位偏差糾正計算

2.1 方位偏差糾正相關問題和四維坐標系建立

兩片膠片方位偏差的數值由機器視覺部分獲得，并由系統(tǒng)專用軟件分析計算，根據上料系統(tǒng)運動方式給出坐標運動的糾正值。因兩塊膠片偏差程度不同，須各自糾正。由于C軸共用，角度糾正的旋轉中心與膠片理論中心不重合，角度糾正運動會影響位置坐標。因此方位偏差的糾正值并不能簡單等于偏差的相反值。

根據上料系統(tǒng)結構和運動特點，且為便于系統(tǒng)性分析計算，將膠片的位置坐標和角度坐標統(tǒng)一納入坐標體系，因此建立兩個包括三軸直線坐標和一個旋轉坐標的四維坐標系，其中O-XYZC為與機床固連的系統(tǒng)坐標系；o-xyzC為與上料拾取機構中心固連的機械手坐標系；兩個坐標系為平移關系，Z(z) 軸與上料機構升降運動平行；C為繞Z(z)軸的旋轉軸，取與x(X)軸的夾角為坐標值。如圖3，在o-xyzC中 ，o1、o2分別為膠片Ⅰ、Ⅱ的理論中心，拾取機構中心與旋轉軸中心重合，兩膠片在料框中的間隔和與工作臺上的放置間隔相同。

圖3 機械手坐標系示意圖

四維坐標 (x,y,z,C)用于表征膠片的中心位置和方向角度；工件的方位偏差及其糾正值在機械手坐標系中標識和計算，上料機構的拾取和放置運動坐標值在系統(tǒng)坐標系中取值，放置移動坐標值為理論坐標值與偏差糾正值之代數和。理論移動坐標值根據機床和上料系統(tǒng)的位置關系固有設定，因此只需分析推導機械手坐標系中的偏差糾正量計算式。

2.2 方位偏差糾正分析計算

由于方位偏差只存在于x-y平面，后面的偏差糾正分析略去z坐標表示。

如圖4為方位偏差糾正計算示意圖，以右膠片Ⅰ的計算為例，膠片理論角度為0，為o1的實際偏離點；為包括位置和角度的實際方位量，其相應的坐標偏差值組合為 Δ1=(Δx1,Δy1,Δθ1)，并定義為廣義偏差量。則在o-xyC中的坐標為

圖4 膠片方位偏差糾正計算示意圖

根據旋轉軸變換原理，將式（12）擴展至包括C軸，得在o-xyC的坐標計算關系為

由式（14）可看出，位置偏差分量只影響位置糾正分量，且是線性關系；而角度偏差分量不只影響角度糾正分量，還影響非線性位置糾正分量。將式（14）展開，得具體糾正分量計算表達式

膠片Ⅱ的糾正量分析計算原理與上述相似，不再贅述。

3 運動規(guī)劃和驗證

3.1 運動流程

根據既定方案，研究、規(guī)劃和確定系統(tǒng)運動流程，達到運動流程和路徑最合理、高效非常重要。為此確定運動流程規(guī)劃原則如下：

（1）設置等待位置。由于膠片拾取、轉移時間短于剪切加工時間，因此在加工區(qū)域附近設定等待位置，機構取料后移動至等待位置等待。

（2）同步原則。上料轉移直線運動與方位偏差糾正運動盡可能同步。片位置和角度允差值也稱為廣義允差

（3）設置允差值。根據實際加工要求設置膠值,。大部分情況下兩片膠片都需要糾正，但當 Δ1或Δ2≤ε， 或 Δ1,Δ2≤ε時（按分量分別比較），則相應的一片或兩片不需糾正。

（4）雙膠片放置順序。兩膠片都需要糾正時約定先放膠片Ⅰ，后放膠片Ⅱ，也可反過來；當兩膠片都不需要糾正時，可同時放置；當兩膠片中有一片不需要糾正時，則先放置不需糾正的膠片。

（5）z軸運動規(guī)則。為適應料框中的膠片高度隨上料而逐步降低的狀況，z軸取料運動坐標根據計數信息作相應的步進調整，步長為膠片厚度t。

（6）錯位氣缸控制。①兩膠片都需糾正而依次放置：放置膠片Ⅰ時，錯位氣缸帶動膠片Ⅱ拾取板縮回；放置膠片Ⅱ時錯位氣缸伸出，確保每次放置運動都只有相應放置的一側機構和工作臺接觸；②當雙膠片都不需要糾正而同時放置時，膠片Ⅰ放置到位后，錯位氣缸伸出放置膠片Ⅱ，再整個機構升起退回。

根據上述原則，上料系統(tǒng)運動流程邏輯關系如圖5。

圖5 運動流程邏輯框圖

3.2 運動仿真驗證

采用運動仿真方式進行驗證：建立相似模型用于表征上料系統(tǒng)布局和機構；設定若干個典型的膠片方位偏差值，并設置改變流程規(guī)則比較環(huán)節(jié)，通過運動仿真驗證運動流程的有效性和高效性，以及通過模擬圖形比較驗證偏差糾正的準確性。

通過仿真驗證，確認運動流程有效并最優(yōu)，偏差糾正準確。

4 結語

導電膠片是電子裝備的重要元件，研究應用于導電膠片制造的具有方位自動識別和偏差糾正功能的智能上料系統(tǒng)具有重要意義。以權重系數為基礎的常規(guī)綜合計算評價法，結合以經驗判斷為主要方式、以模糊區(qū)間值為表示方法的整體經驗評估法，形成綜合計算評價-整體經驗評估組合評價法，具有融合多指標計算綜合和總成效果及可行性經驗評估的優(yōu)點；采用上述組合評價法對智能上料系統(tǒng)的多種方案進行評價和優(yōu)化設計，合理性和效果性好；該評價法同樣也適用于其他復雜機電裝備系統(tǒng)。

采用四維坐標系和坐標旋轉法對雙位膠片智能上料系統(tǒng)的偏差糾正進行表達和分析計算，給出糾正量與偏差量的綜合關系式和計算式，對于糾正量的正確計算以及兩者關系的考察和理解很有意義。通過上料系統(tǒng)運動流程規(guī)劃，可實現上料運動流程和順序的合理性、高效性。