基于RobotStudio的Delta機器人雙輸送鏈跟蹤分揀仿真研究

孫守勇,崔慧娟,劉小英

(咸陽職業(yè)技術(shù)學院機電學院，陜西 咸陽 712000)

作為智能化機電裝備，工業(yè)機器人在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)、智能制造領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是在搬運、碼垛、分揀、包裝、焊接、噴涂等領(lǐng)域得到廣泛的應用[1]。在食品加工生產(chǎn)線上，需要對食品進行分揀、包裝，采用人工分揀不僅會對食品造成一定程度的污染和破損，而且工作效率較低。食品企業(yè)上線分揀機器人，可以實現(xiàn)對食品的快速分揀、包裝作業(yè)，降低產(chǎn)品破損率，保障食品安全，并提高生產(chǎn)效率[2]。目前分揀機器人以Delta并聯(lián)機器人為主，比如ABB的IRB360、發(fā)那科的M-3iA、Adept的Quattro機器人等。企業(yè)在進行產(chǎn)線升級改造前，一般需通過虛擬仿真軟件對產(chǎn)線進行布局規(guī)劃和仿真調(diào)試，以驗證產(chǎn)線布局的科學性和可行性，從而降低企業(yè)升級改造成本。

本文主要研究ABB IRB360并聯(lián)機器人在巧克力輸送鏈的跟蹤分揀應用，通過RobotStudio軟件對分揀工作站進行布局規(guī)劃和仿真調(diào)試，研究機器人和輸送鏈之間的最優(yōu)速度比，在保證分揀率的前提下提高產(chǎn)線的運行速度。

1 Delta并聯(lián)機器人

Delta并聯(lián)機器人最早由法國Clavel博士提出，其主動臂由外轉(zhuǎn)動副驅(qū)動，從動臂為平行四邊形結(jié)構(gòu)。從動臂末端的閉環(huán)機構(gòu)形成動平臺，可在工作范圍內(nèi)實現(xiàn)沿X,Y,Z3個方向的高速平動。在靜平臺和動平臺之間加裝帶有虎克鉸鏈的可伸縮轉(zhuǎn)軸，可實現(xiàn)繞Z軸的轉(zhuǎn)動[3]。IRB360是典型的Delta并聯(lián)機器人，其工作范圍有800,1 300,1 600 mm 3種規(guī)格，載荷能力有1,3,6,8 kg 4種規(guī)格。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，主要分為三軸驅(qū)動和四軸驅(qū)動。圖1所示為四軸驅(qū)動的IRB360機器人，其4個自由度分別為基坐標系下X軸方向的平動、Y軸方向的平動、Z軸方向的平動、繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動[4]。

圖1 Delta并聯(lián)機器人示意圖

2 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

輸送鏈跟蹤系統(tǒng)主要包括工業(yè)機器人本體、輸送鏈跟蹤板卡、編碼器、帶有同步傳感器的輸送鏈、帶有附加功能選項的控制器等，如圖2所示。對于IRB360機器人來說，要實現(xiàn)輸送鏈跟蹤功能，可以通過I/O信號板卡DSQC377B來實現(xiàn)。DSQC377B板卡主要提供機器人輸送鏈跟蹤功能所需要的對編碼器與同步傳感器信號的處理[5]。編碼器用于監(jiān)測輸送鏈的運動情況并進行記錄。因為ABB機器人在高電平信號時才會觸發(fā)動作，所以應選擇PNP輸出類型的增量式編碼器。同步傳感器主要用于檢測工件在輸送鏈上的位置。當檢測到工件時，同步傳感器會發(fā)生一次有效的上升沿信號至系統(tǒng)跟蹤單元，并配合編碼器記錄該工件的脈沖數(shù)值。一個輸送鏈跟蹤板卡DSQC377B只能實現(xiàn)一條輸送鏈的跟蹤，同時機器人控制系統(tǒng)需要額外訂購606-1 Conveyor Tracking選項。

圖2 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)組成

2.2 原理分析

1)輸送鏈編碼器脈沖計數(shù)。

用于輸送鏈跟蹤的編碼器的分辨率(脈沖/m)，即輸送鏈每運動1 m時編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)量，一般為1 250～2 500脈沖/m即可，更高的編碼器分辨率對于跟蹤精度并沒有提高作用。編碼器的A相、B相與DSQC377B板卡X20接口的5和6引腳相連。由于輸送鏈跟蹤板卡同時采集A相、B相計數(shù)脈沖上升沿和下降沿個數(shù)，即一個周期采集4次有效信號，因此輸送鏈在運行1 m過程中，共采集到的脈沖信號個數(shù)是編碼器輸出計數(shù)脈沖個數(shù)的4倍，即5 000～10 000個。

2)輸送鏈跟蹤過程分析。

當工件經(jīng)過同步傳感器后，輸送鏈跟蹤板卡接收到一次有效的上升沿脈沖，編碼器讀取當前脈沖數(shù)值并記錄，當前工件隨即被加入到跟蹤隊列中。隨后工件進入啟動窗口。如果當前機器人空閑，則立即處理啟動窗口中的工件，否則等待機器人完成當前工作后再處理啟動窗口中最前面的工件[6]。機器人能否有效完成每次跟蹤與機器人的運行速度、輸送鏈運行速度有關(guān)。

隊列跟蹤長度是同步傳感器和輸送鏈坐標系原點之間的距離，系統(tǒng)默認為0，即同步傳感器和輸送鏈坐標系原點重合。啟動窗口寬度表示機器人可啟動工藝處理的區(qū)域。最大距離和最小距離分別表示輸送鏈在正向運動和反向運動時機器人可跟蹤處理的最遠距離。在RobotStudio中可以通過設置工件節(jié)距來設置同步間隔距離(SyncSeparation)，即兩個連續(xù)工件之間的最小間隔。

輸送鏈跟蹤過程如圖3所示，輸送鏈上7個工件(1～7)可分為5種跟蹤狀態(tài)。工件1為已連接狀態(tài)，機器人正在對其進行工藝處理；工件2在未被連接之前已經(jīng)通過了啟動窗口，所以不會再被連接和處理。處理完工件1后，機器人將連接下一個位于啟動窗口中的工件；工件3和4當前正處在啟動窗口中，若此時工件1已處理完，則機器人會立即跟蹤處理工件3；5和6已通過同步傳感器，并已進入跟蹤隊列，但尚未進入啟動窗口，暫不會被連接和處理；工件7尚未通過同步傳感器，尚未進入跟蹤隊列。

圖3 輸送鏈跟蹤過程示意圖

3 輸送鏈跟蹤參數(shù)配置

3.1 輸送鏈跟蹤參數(shù)

輸送鏈跟蹤參數(shù)CountsPerMeter設定的是,當輸送鏈剛好運動1 m時，DSQC377B板卡實際采集到的計數(shù)脈沖個數(shù)[7]。由于跟蹤板卡同時采集A、B兩個相位計數(shù)脈沖的上升沿和下降沿信號，因此該參數(shù)理論上等于輸送鏈運動1 m時編碼器輸出計數(shù)脈沖個數(shù)的4倍。CountsPerMeter參數(shù)一般用式(1)計算得到：

CountsPerMeter=

(1)

式中：Position1為實際工作站中，工件經(jīng)過同步傳感器一段距離后停止輸送鏈，示教器中CNV1的位置值1；Position2為再次啟動輸送鏈，運動超過1 m后停止輸送鏈，此時示教器中CNV1顯示的位置值2；measured_meters為用長度測量工具測得的輸送鏈在兩次停止位置之間的實際距離，mm；default_value為測距默認值。在RobotWare6.0及以上系統(tǒng)中，默認default_value的值為20 000，在RobotWare6.05系統(tǒng)中默認default_value的值為10 000。

3.2 編碼器方向校準

當編碼器和同步傳感器與輸送鏈跟蹤板卡連接之后，需要驗證編碼器A相、B相接線是否正確，才能保證輸送鏈正確的運行方向，若A、B兩相接線接反，則輸送鏈會往反方向運行。

在示教器手動操縱界面中，單擊機械單元，選擇需要驗證的輸送鏈裝置CNV1，查看當前輸送鏈位置數(shù)值。然后啟動輸送鏈，放置一個工件在輸送鏈前端，使其通過同步傳感器時觸發(fā)一次脈沖信號，在示教器界面右上角會實時顯示當前輸送鏈的位置數(shù)值，如果位置數(shù)值不斷增大，說明A、B兩相接線正確；如果位置數(shù)值不斷減小，則需要調(diào)換A、B兩相接線順序[8]。

4 分揀系統(tǒng)I/O信號配置與Smart組件設置

4.1 I/O信號配置

創(chuàng)建數(shù)字輸入信號di_BoxInPos用于檢測巧克力盒是否到位，di_BoxRunning用于檢測巧克力盒是否正在移動；創(chuàng)建數(shù)字輸出信號do_Gripper用于控制真空吸盤動作，do_NewBox用于控制產(chǎn)生新巧克力盒子，do_chocCNV用于控制巧克力輸送鏈的啟動和停止。具體I/O信號配置見表1。

表1 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)I/O信號

4.2 巧克力盒輸送鏈Smart組件創(chuàng)建

巧克力盒輸送鏈Smart組件主要用于巧克力盒輸送鏈運動控制及動畫效果的實現(xiàn)。在Smart組件中可以通過添加相關(guān)子組件來實現(xiàn)不同功能：Source子組件用于創(chuàng)建一個圖形組件的拷貝；Queue子組件用于將Source組件生成的巧克力盒對象加入到隊列中；LinerMover子組件用于控制隊列的線性運動；LogicSRLatch子組件用于設定、復位以及鎖定操作；LogicExpression子組件用于對多個操作數(shù)進行And、Or、Not、Xor等邏輯運算符的操作[9]。輸送鏈Smart組件s_CNV的信號和連接關(guān)系見表2。

表2 組件s_CNV的信號和連接關(guān)系

4.3 工作站邏輯設定

RobotStudio中將Smart組件和機器人控制系統(tǒng)進行信號、屬性的連接，可以實現(xiàn)工作站各模塊單元的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與動作仿真。Smart組件s_CNV中的輸出信號sdo_BoxInPos和sdo_BoxInPos2分別和兩個機器人系統(tǒng)CNV_track中的di1_BoxInPos連接，sdo_BoxRunning和兩個機器人控制系統(tǒng)中的di2_BoxRunning連接；機器人控制系統(tǒng)CNV_track中的do1_Gripper用于控制吸盤動作，do2_NewBox用于生成新的巧克力盒，do3_chocCNV用于控制巧克力盒輸送鏈運動。具體的工作站邏輯如圖4所示。

圖4 工作站邏輯圖

5 仿真分析

5.1 運動前準備

在RobotStudio軟件中搭建雙輸送鏈分揀工作站，兩條輸送鏈平行放置，其中左側(cè)輸送鏈用于輸送小熊巧克力，右側(cè)輸送鏈用于輸送心形巧克力。兩臺并聯(lián)機器人位于巧克力輸送鏈末端上方。包裝盒輸送鏈和巧克力輸送鏈垂直放置，工作站布局如圖5所示。手動啟動輸送鏈并記錄Position1為249.5 mm，再次啟動輸送鏈，使其運動超過1 m后停止，記錄Position2的值為368.6 mm，若輸送鏈框架上兩個位置實際距離為1 280 mm，通過式(1)計算得到CountsPerMeter=(368.6-249.5)×20 000/1 280=1 861。

圖5 輸送鏈跟蹤工作站布局

5.2 跟蹤分揀結(jié)果分析

在跟蹤分揀的過程中，影響機器人分揀節(jié)拍的重要因素就是機器人工具中心點(tool center point，TCP)的運行速度和輸送鏈運行速度之間的關(guān)系[10]。為保證生產(chǎn)效率，避免兩條輸送鏈之間相互影響，需將兩條輸送鏈設為相同的運行速度，兩臺機器人也要設為相同的運行速度。本文以仿真1 min為研究時長，統(tǒng)計生成的巧克力實例對象個數(shù)以及拾取數(shù)量，計算機器人在輸送鏈不同運行速度下的拾取率(表2)。

表2 不同輸送鏈速度下機器人拾取率

通過分析可知，當輸送鏈速度和機器人速度之比分別為0.5∶1、0.8∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1時，拾取率逐漸下降，從100%降至52.6%，出現(xiàn)漏揀現(xiàn)象，如圖6所示。輸送鏈速度太快將導致工件漏揀率升高，輸送鏈速度太慢將影響產(chǎn)線的分揀效率。由實驗可知，工業(yè)機器人跟蹤輸送鏈時，輸送鏈的速度與機器人運行速度之比設置為0.77～1.00為宜。通過虛擬仿真驗證，本文將輸送鏈和機器人速度之比設定為0.8∶1，該比值不僅能滿足拾取率要求，還能保證運行速度。

圖6 機器人漏揀示意圖

6 結(jié)束語

本文研究了輸送鏈在持續(xù)運行狀態(tài)下，如何應用工業(yè)機器人輸送鏈跟蹤技術(shù)對巧克力進行動態(tài)抓取分揀，并在RobotStudio軟件中對分揀系統(tǒng)進行了仿真運行，分析了輸送鏈和機器人之間的運行速度關(guān)系，尋找到一種最優(yōu)速度比，既能滿足拾取率要求又提高了生產(chǎn)效率。后續(xù)工作將結(jié)合企業(yè)實際進行試驗，以進一步優(yōu)化理論數(shù)據(jù)，服務企業(yè)生產(chǎn)。