基于輸送帶及視覺跟蹤的機(jī)器人分揀包裝工作站仿真

馮凌云，曾祥蘋，李琴，王彩芳

基于輸送帶及視覺跟蹤的機(jī)器人分揀包裝工作站仿真

馮凌云1，曾祥蘋1，李琴2，王彩芳1

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510535）

提高分揀包裝工作站的生產(chǎn)效率和柔性，并探索在早期設(shè)計階段利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行驗證。以某食品公司巧克力餅干產(chǎn)品的生產(chǎn)為例，提出結(jié)合輸送帶跟蹤和視覺識別技術(shù)搭建分揀包裝仿真工作站。在ABB公司離線編程與仿真軟件Robotstudio開發(fā)環(huán)境下，首先對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了三維建模，并根據(jù)任務(wù)要求完成工作站的空間布局。其次，需要完成輸送帶創(chuàng)建、動態(tài)Smart組件設(shè)計、工作站邏輯連接、輸送帶跟蹤功能啟用、相機(jī)數(shù)據(jù)記錄和機(jī)器人控制程序編寫。最后，分析工作站結(jié)構(gòu)得到生產(chǎn)節(jié)拍的參數(shù)設(shè)定公式。仿真工作站實現(xiàn)了對持續(xù)移動輸送帶上雜亂擺放物料的動態(tài)跟蹤分揀裝盒，能依據(jù)理論計算方式調(diào)節(jié)參數(shù)滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需求。工作站達(dá)到了預(yù)期功能目標(biāo)，可以為各行各業(yè)里以機(jī)器人為中心的分揀包裝系統(tǒng)高效、柔性生產(chǎn)研究提供參考與借鑒。

工業(yè)機(jī)器人；輸送帶跟蹤；視覺引導(dǎo)；分揀包裝；生產(chǎn)節(jié)拍；仿真設(shè)計

分揀包裝是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，是保護(hù)產(chǎn)品數(shù)量完整，質(zhì)量完好，實現(xiàn)產(chǎn)品價值和增值的重要手段[1-2]。隨著市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品競爭力的高低在很大程度上取決于包裝的速度和質(zhì)量。當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)（尤其是中小企業(yè)）仍依靠人工完成產(chǎn)品的檢測、分級、分揀和包裝等任務(wù)，這既增大了企業(yè)的用工成本和管理成本，而且在不斷變化的市場環(huán)境下難以根據(jù)需求調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍[3-4]。為解決這一問題，將機(jī)器人及其視覺技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)，搭建自動分揀包裝系統(tǒng)，已逐漸成為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的方向[5-8]。

以機(jī)器人為中心的分揀包裝系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對空間、時間、流程的把控都有較高的標(biāo)準(zhǔn)。利用虛擬仿真技術(shù)在計算機(jī)環(huán)境中模擬產(chǎn)品分揀包裝的生產(chǎn)過程，可以在早期設(shè)計階段驗證機(jī)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)線布局、包裝工藝、生產(chǎn)節(jié)拍等的可行性和合理性，以便及早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而有效降低投資成本和技術(shù)風(fēng)險。文獻(xiàn)[9-12]對此進(jìn)行了探究，利用ABB公司的機(jī)器人離線編程與仿真軟件Robotstudio（以下簡稱RS）搭建了虛擬分揀包裝生產(chǎn)線，完成了對物料的靜態(tài)拾取裝盒，但尚未充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的功能和性能。本文在RS環(huán)境中搭建巧克力餅干分揀包裝工作站，利用輸送帶跟蹤和Smart組件功能，實現(xiàn)對持續(xù)移動輸送帶上雜亂擺放物料的動態(tài)跟蹤分揀裝盒，提升生產(chǎn)的效率和柔性。

1 模型搭建及工作任務(wù)

將工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺和輸送帶控制等技術(shù)相結(jié)合搭建自動化工作站，是目前食品、藥品、3C等行業(yè)產(chǎn)線升級，完成分揀、包裝任務(wù)典型和通用的解決方案。

1.1 搭建工作站模型

食品包裝是包裝工業(yè)最大的細(xì)分領(lǐng)域，占有約60%的市場份額[13]。參考某食品公司的巧克力餅干分揀包裝工作站結(jié)構(gòu)，在Solidworks等三維CAD軟件中設(shè)計好包裝盒輸送帶（以下簡稱輸送帶1）、物料輸送帶（以下簡稱輸送帶2）、機(jī)器人安裝架、視覺相機(jī)、真空吸盤、空包裝盒、袋裝巧克力餅干等創(chuàng)建工作站所需用到的三維仿真模型。工業(yè)機(jī)器人從RS自帶模型庫中選取，采用ABB公司的IRB360–1/1130型并聯(lián)機(jī)器人（以下簡稱IRB360），有效負(fù)載1 kg，工作范圍達(dá)到1 130 mm，其運(yùn)動控制性能強(qiáng)、精度高、節(jié)拍時間短，特別適合在快速揀選和包裝場景中應(yīng)用。將以上模型導(dǎo)入到RS工作區(qū)視圖中，調(diào)整各模型位置以完成布局工作，搭建的巧克力餅干分揀包裝仿真工作站如圖1所示。

圖1 工作站模型及整體布局

1.2 工作任務(wù)

工作站主要任務(wù)是讓IRB360動態(tài)拾取輸送帶2上的袋裝餅干，并按照規(guī)則有序擺放至輸送帶1上的包裝盒中，裝盒完畢后產(chǎn)品下料進(jìn)入后續(xù)工序。具體要求如下：袋裝餅干從輸送帶2的起點(diǎn)上料，起始位置和角度均隨機(jī)，并隨輸送帶移動；盒蓋敞開的空包裝盒依次從輸送帶1起點(diǎn)上料，并隨輸送帶1移動到達(dá)預(yù)設(shè)裝盒位置時停止；輸送帶1間歇式運(yùn)行，輸送帶2連續(xù)運(yùn)行；空包裝盒應(yīng)始終先于袋裝餅干到達(dá)裝盒位置；機(jī)器人對運(yùn)動在輸送帶2上的袋裝餅干進(jìn)行動態(tài)追蹤，當(dāng)目標(biāo)到達(dá)抓取區(qū)域時進(jìn)行動態(tài)分揀裝盒；包裝盒裝滿后立即啟動輸送帶1，后續(xù)包裝盒繼續(xù)向前移動至裝盒位置停止，再次進(jìn)行分揀裝盒，如此循環(huán)；裝盒完畢的產(chǎn)品在輸送帶1末端下料。

2 智能仿真環(huán)境設(shè)計

模型搭建完成后，首先“從布局”生成機(jī)器人系統(tǒng)，在系統(tǒng)選項參數(shù)中須添加選項“606-1 conveyor traking”，賦予機(jī)器人輸送帶跟蹤功能以勝任工作任務(wù)的要求。其次，通過軟件“建?！边x項卡下的“創(chuàng)建輸送帶”功能和Smart組件（也稱智能組件）設(shè)計功能讓各個設(shè)備變得“智能”，既能獨(dú)立動作又能聯(lián)動運(yùn)行。最后進(jìn)行工作站邏輯連接，完成整個智能仿真環(huán)境的設(shè)計。

2.1 創(chuàng)建輸送帶

生產(chǎn)線共有2條輸送帶，過往文獻(xiàn)主要記載通過Smart組件實現(xiàn)輸送帶功能[14]。本文采用RS提供的另一種便捷方式，即“創(chuàng)建輸送帶”功能自主定義輸送帶，共分為2個步驟。其一，點(diǎn)擊“創(chuàng)建輸送帶”命令按鈕，在彈出的對話框中設(shè)置輸送帶機(jī)構(gòu)參數(shù)。創(chuàng)建完成后，RS界面左側(cè)瀏覽樹中輸送帶模型文件會立即消失，同時會生成“輸送鏈”文件，表示輸送帶機(jī)構(gòu)編譯成功。其二，右擊剛生成的輸送帶“添加對象”，在彈出的“傳送帶對象”對話框中設(shè)置待輸送物料模型的運(yùn)動參數(shù)。完成后，RS工作區(qū)內(nèi)的物料模型會消失不見，左側(cè)瀏覽樹中物料模型文件也移動到“輸送鏈”文件下的“對象源”中。以上創(chuàng)建過程需要設(shè)置的主要屬性參數(shù)見表1，創(chuàng)建成功的輸送帶在仿真過程中能夠自動復(fù)制物料，并完成物料的上料、傳送與下料，與現(xiàn)實的輸送帶在功能上毫無差別。

表1 輸送帶屬性參數(shù)

Tab.1 Attribute parameters of conveyor belt

2.2 Smart組件設(shè)計

2.2.1 相機(jī)Smart組件

相機(jī)Smart組件用于模擬視覺檢測輸送帶2上無序擺放的袋裝餅干，并向機(jī)器人發(fā)送餅干的偏移和姿態(tài)數(shù)據(jù)。可以在輸送帶起點(diǎn)附近增加LineSensor（線傳感器）子組件，當(dāng)餅干復(fù)制品生成時，會被線傳感器感應(yīng)到，并通過Positioner（定位器）子組件修正其位置和角度。Positioner內(nèi)的位置數(shù)據(jù)（單位為mm）和角度數(shù)據(jù)（單位為°）來自2個Random（隨機(jī)數(shù)）子組件，生成的位置（單位為m）和角度（單位為rad）隨機(jī)數(shù)要經(jīng)過VectorConverter（向量值轉(zhuǎn)換）子組件轉(zhuǎn)換為位置向量和角度向量才能被正常接入。在調(diào)整完餅干位置后，把新位置通過向量形式經(jīng)RapidVariable（控制器變量）子組件告知機(jī)器人，同時置位組件的輸出信號為DO_New。組件設(shè)計如圖2所示，屬性間的有向線段表明子組件之間的屬性傳遞關(guān)系，I/O信號間的有向線段表明子組件之間的信號邏輯關(guān)系[15]。

圖2 相機(jī)Smart組件設(shè)計

2.2.2 吸盤Smart組件

吸盤Smart組件設(shè)計如圖3所示，用于機(jī)器人末端“真空吸盤”工具吸附和釋放袋裝餅干，且放置好的餅干能隨包裝盒一起繼續(xù)沿輸送帶1移動。組件定義了1個輸入信號DI_Grip和1個動態(tài)屬性（ProjiectObject類型）信號Box_sensed_in。輸入信號為“1”時，將激活安裝于吸盤末端的LineSensor子組件。LineSensor一旦檢測到對象（袋裝餅干），其輸出信號SensorOut即激活A(yù)ttacher（安裝）子組件動作，將檢測到的對象安裝到吸盤上。當(dāng)輸入信號為“0”時，信號經(jīng)過LogicGate[NOT]（邏輯非）取反后激活Detacher（拆除）子組件動作，將吸盤上吸附的對象釋放，放下的對象通過另一個Attacher子組件被安裝到包裝盒（由動態(tài)屬性Box_sensed_in指定）上。需要注意的是，袋裝餅干是輸送帶2自動生成的，即父集為輸送帶2。因此在對象放下時，還需要通過SetParent（設(shè)置父對象）子組件修改對象父集，否則放下的對象依舊會隨輸送帶2運(yùn)動。

2.2.3 其他設(shè)備Smart組件

生產(chǎn)線其他重要設(shè)備有包裝盒到位傳感器和下料裝置。包裝盒到位傳感器用于判斷輸送帶1上運(yùn)送的包裝盒是否到達(dá)裝盒位置，組件定義了1個輸入信號DI_Box_allow、1個輸出信號DO_Box_in_pos和1個動態(tài)屬性信號Box_sensed_out。輸入信號為1時，將激活放置于輸送帶1上預(yù)設(shè)裝盒位置的VolumeSensor（體積傳感器）子組件（由其長/寬/高屬性定義的箱形區(qū)域應(yīng)略大于包裝盒）。當(dāng)包裝盒沿輸送帶直線運(yùn)動至自身全部進(jìn)入傳感器內(nèi)部時會被感應(yīng)到，此時傳感器的SensorOut端口將置1，表明包裝盒已到位，并通過連接的DO_Box_in_pos輸出信號。另外，子組件的SensedPart屬性連接至組件的動態(tài)屬性信號，用以輸出檢測到的對象供吸盤Smart組件使用。下料裝置用于模擬產(chǎn)品的下料（見圖4），可以放置在VolumeSensor子組件輸送帶1末端偏前的產(chǎn)品必經(jīng)的路徑上。當(dāng)盒內(nèi)碼放好的餅干隨包裝盒運(yùn)動至自身全部進(jìn)入傳感器內(nèi)部時會被感應(yīng)到。SensorOut置1的同時激活Sink（移除）子組件，將被感應(yīng)到的餅干模型刪除。包裝盒作為輸送帶1的“對象源”，在運(yùn)動到末端后會自動刪除，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品的整體下料移出。

2.3 工作站邏輯連接

在生成機(jī)器人系統(tǒng)、創(chuàng)建輸送帶和設(shè)計Smart組件之后，還需將它們的信號、屬性連接起來組成網(wǎng)絡(luò)，得以相互通信，即為工作站邏輯連接，如圖5所示。機(jī)器人控制系統(tǒng)System_IRB360中的DI_New信號負(fù)責(zé)接收相機(jī)的反饋信號，DI_Box_in_pos信號判斷包裝盒是否到達(dá)裝盒位置，DO_Grip用于控制吸盤動作，DO_Box_allow用于激活或停用包裝盒到位傳感器。包裝盒到位傳感器的屬性與吸盤Smart組件屬性相連，輸出用來控制輸送帶1的啟停。

圖3 吸盤Smart組件設(shè)計

圖4 下料裝置Smart組件運(yùn)行效果

圖5 工作站整體邏輯關(guān)系

3 物料跟蹤基本原理及實現(xiàn)

工作站中輸送帶2上運(yùn)動著的袋裝餅干需要利用輸送帶跟蹤和機(jī)器視覺實現(xiàn)動態(tài)抓取。如圖6所示，基本原理是根據(jù)輸送帶運(yùn)動的速度，計算當(dāng)前時刻目標(biāo)物移動的距離；通過相機(jī)獲取目標(biāo)物實際上料位置（1點(diǎn)）相對于標(biāo)準(zhǔn)上料位置（1點(diǎn)）的位移偏差和姿態(tài)偏差；當(dāng)目標(biāo)物到達(dá)機(jī)器人工作區(qū)域時，控制器根據(jù)、、預(yù)測目標(biāo)物實時位姿及抓取時機(jī)，發(fā)送控制指令給機(jī)器人完成分揀裝盒。

圖6 輸送帶視覺跟蹤

3.1 啟用跟蹤功能

RS中開啟輸送帶2跟蹤功能，需要右擊軟件界面左側(cè)瀏覽樹輸送帶下的連接“創(chuàng)建連接”，然后按照圖6所示設(shè)置輸送帶跟蹤的各連接參數(shù)（偏移、啟動窗口寬度、最小距離、最大距離），在機(jī)器人控制器重啟后便會生效。這時會生成1個移動工件坐標(biāo)系wobj_cnv1，同時在輸送帶上會出現(xiàn)一個淡黃色的長方體，就是輸送帶跟蹤窗口。機(jī)器人將在這個區(qū)域內(nèi)完成輸送帶跟蹤任務(wù)[16]。

3.2 記錄相機(jī)數(shù)據(jù)

機(jī)器人總是提取最前面物料的坐標(biāo)數(shù)據(jù)完成輸送帶跟蹤任務(wù)。上文通過相機(jī)Smart組件實現(xiàn)了物料的隨機(jī)上料擺放，并得到位姿數(shù)據(jù)和，但數(shù)據(jù)會不斷被后續(xù)新上料的物料覆蓋，為此需要及時記錄相機(jī)給出的數(shù)據(jù)。可以通過RAPID語言編程構(gòu)造隊列功能：物料只要在輸送帶上上料，便通過DI_New信號觸發(fā)機(jī)器人進(jìn)入中斷程序，將位姿數(shù)據(jù)存入隊列最后。機(jī)器人每次提取的數(shù)據(jù)為數(shù)組最前數(shù)據(jù)，提取后同時把后續(xù)數(shù)據(jù)依次向前遞進(jìn)。

4 機(jī)器人控制程序設(shè)計

機(jī)器人程序采用模塊化設(shè)計，整體架構(gòu)及流程如圖7所示，會用到4條跟蹤指令：ActUnit指令用于接通與輸送帶的連接，WaitWobj用于等待輸送帶上的工件，DropWobj用于丟棄輸送帶上的工件，DeactUnit用于斷開與輸送帶的連接。程序入口是主程序Main，程序指針進(jìn)入Main后按流程執(zhí)行指令及調(diào)用其他例行程序。rInit是初始化程序、Calwobj是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序、rPick是動態(tài)分揀程序、rPut是裝盒程序、rBoxallow是允許下一個包裝盒前移裝盒程序。ClearQueue程序負(fù)責(zé)清空位姿數(shù)據(jù)隊列、GetQueue程序為從隊列中提取位姿數(shù)據(jù)。另外，Vision是中斷程序，調(diào)用InsertQueue程序?qū)⑸狭系拇b餅干位姿數(shù)據(jù)存入隊列。限于篇幅，以下主要介紹rPick和rPut例行程序。

圖7 程序架構(gòu)及流程

4.1 分揀示教編程

分揀程序采用“相對位置法”，即先示教物料拾取的基準(zhǔn)點(diǎn)，再通過相機(jī)捕捉產(chǎn)品位姿偏差進(jìn)行校正。首先，右擊軟件左側(cè)瀏覽樹“物料輸送帶”下“對象源”內(nèi)的物料圖標(biāo)，將袋裝餅干模型“放在傳送帶上”，此時餅干會出現(xiàn)在圖6中1點(diǎn)位。然后再次右擊圖標(biāo)，點(diǎn)選“連接工件”至移動工件坐標(biāo)系，建立物料與機(jī)器人之間的連接關(guān)系。接著右擊“輸送帶”手動“操縱”物料運(yùn)動到跟蹤窗口區(qū)域內(nèi)的拾取基準(zhǔn)點(diǎn)2，與此同時wobj_cnv1（坐標(biāo)系）會跟隨物料一起運(yùn)動。之后，在例行程序rPick( )中對機(jī)器人進(jìn)行示教編程拾取物料，工具坐標(biāo)使用末端吸盤、工件坐標(biāo)使用移動工件坐標(biāo)系，并注意在跟蹤窗口中只能使用直線類型運(yùn)動指令。最后，構(gòu)建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序calwobj( )，將相機(jī)反饋的位姿數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)化為四元數(shù)，并賦值給wobj_cnv1的oframe，將工件坐標(biāo)更新為。如此，則無須重復(fù)示教或編程，機(jī)器人仍可在程序運(yùn)行過程中正常拾取位于2點(diǎn)位的實際物料（于1點(diǎn)位上料），這與實際中視覺引導(dǎo)機(jī)器人分揀的原理是類似的。相關(guān)程序代碼如下：

4.2 裝盒程序設(shè)計

裝盒任務(wù)可視作在包裝盒內(nèi)進(jìn)行碼垛作業(yè)，基本思想是機(jī)器人基于一個基準(zhǔn)點(diǎn)做偏移運(yùn)動。如圖8所示，每個包裝盒可容納8袋餅干，以數(shù)字序號為順序分2層，每層4袋橫向排列進(jìn)行擺放（括號表示在第2層）。根據(jù)擺放方式，需要分8次動作來完成整個過程?！啊瘛北硎疚PTCP經(jīng)過的位置點(diǎn)，“→”表示運(yùn)動軌跡。機(jī)器人從初始位置Phome點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過Phome→2'（接近點(diǎn)）→2→2'將袋裝餅干從2點(diǎn)拾起，經(jīng)Trans（過渡點(diǎn)）→Put'（接近點(diǎn)）→Put（放置點(diǎn)）→Put' →Trans完成第1袋餅干裝盒。在第2、3、4次裝盒時，Put和Put'點(diǎn)依次沿軸（虛線方向）移動30 mm，同時保持和軸方向不變。從第5次裝盒開始，需要沿軸方向移動20 mm（餅干高度）進(jìn)行第2層擺放；第6、7、8次裝盒與第1層相似。最后1袋餅干入盒后，機(jī)器人回到Phome點(diǎn)。

圖8 機(jī)器人運(yùn)動軌跡及物料擺放方式

根據(jù)以上規(guī)律，在裝盒程序設(shè)計過程中引入3個變量，其中是裝盒的次數(shù)同時作為循環(huán)變量，表示同一層中放置點(diǎn)沿軸偏移的距離，表示沿軸偏移的距離。構(gòu)造如表2所示的分析表，可歸納出第次裝盒過程中Put'和Put點(diǎn)沿軸和軸偏移的通項公式分別見式（1）和式（2），其中MOD表示求余，DIV表示整除。在裝盒程序的運(yùn)動指令中使用offs偏移函數(shù)，并將和分別疊加在基準(zhǔn)點(diǎn)的方向和方向偏移分量上，工件坐標(biāo)使用wobj0，即可實現(xiàn)8次循環(huán)完成全部裝盒任務(wù)。以Put點(diǎn)為例，指令為MoveL offs(Put, n MOD 4 * 30, 0 , n DIV 4*20),v1500, fine,mygripperWObj:=wobj0。

=MOD 4*30 (1)

=DIV 4*20 (2)

表2 循環(huán)及偏移分析

Tab.2 Cycle and offset analysis

5 工作站的柔性實現(xiàn)與仿真分析

5.1 柔性生產(chǎn)節(jié)拍實現(xiàn)方法

生產(chǎn)節(jié)拍靈活可調(diào)是柔性化生產(chǎn)的主要特征之一，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)可實現(xiàn)工作站的柔性生產(chǎn)節(jié)拍。經(jīng)分析，在站內(nèi)設(shè)備之間協(xié)調(diào)且平衡的前提下，生產(chǎn)節(jié)拍應(yīng)滿足式（3）及約束條件式（4）—（6）。其中=8代表盒內(nèi)袋裝餅干數(shù)量；1、2為常量，分別代表包裝盒及袋裝餅干沿輸送帶方向的尺寸；為包裝盒在裝盒位置的停留時間；1、2分別為輸送帶1、輸送帶2的上料間隔（節(jié)距）；1、2分別為輸送帶1、輸送帶2的速度。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍要求，可以參考式（3）—（6）在仿真工作站中便利地調(diào)整輸送帶速度、節(jié)距及機(jī)器人TCP速度R等參數(shù)，并通過觀察仿真動畫和的值來驗證實際效果。

5.2 仿真實驗與分析

在RS的仿真設(shè)定界面中勾選輸送帶、Smart組件和機(jī)器人控制器，程序進(jìn)入點(diǎn)選擇Main，單擊播放按鈕即可開始運(yùn)行仿真程序。工作站按照流程執(zhí)行程序，仿真動畫能直觀地展現(xiàn)持續(xù)移動輸送帶上雜亂擺放袋裝餅干的動態(tài)跟蹤分揀裝盒過程，工作效率比傳統(tǒng)靜態(tài)分揀裝盒方式有了明顯提高。筆者在仿真工作站中對不同生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行了大量實驗，部分代表性的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。表3中第2列是生產(chǎn)節(jié)拍目標(biāo)值，第3—7列是參數(shù)設(shè)定值，第9—10列分別是的理論值和實測值，其中的實測值通過在信號分析器中選擇DO_Box_in_pos信號進(jìn)行記錄。從序號1、2的記錄可以看出，依據(jù)公式設(shè)定的不同參數(shù)組合均能讓工作站達(dá)到同一生產(chǎn)節(jié)拍要求。序號3—5的記錄反映隨著TCP速度降低，實測值會逐漸超過理論值直至無法穩(wěn)定測量，說明機(jī)器人已無法穩(wěn)定跟蹤輸送帶2，會出現(xiàn)漏揀。序號6—8的記錄表明更快的生產(chǎn)節(jié)拍需要配合更快的TCP速度，而且節(jié)拍的調(diào)節(jié)范圍取決于TCP的速度極限等。實驗結(jié)果表明，仿真工作站能順利完成分揀裝盒任務(wù)，在機(jī)器人、輸送帶等設(shè)備性能允許的范圍內(nèi)，可以參考式（3）—（6）調(diào)整各個參數(shù)，直至滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求為止。

表3 不同生產(chǎn)節(jié)拍的參數(shù)設(shè)定和實驗結(jié)果

Tab.3 Parameter setting and experimental results of different cycle time

6 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺作為現(xiàn)代科技的代表性技術(shù)，在產(chǎn)品分揀包裝生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)某食品公司巧克力餅干產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)要求，利用離線編程與仿真軟件RS搭建了工業(yè)機(jī)器人分揀包裝工作站。在計算機(jī)環(huán)境中，結(jié)合軟件的仿真設(shè)計功能和ABB機(jī)器人的輸送帶跟蹤技術(shù)，編程實現(xiàn)了持續(xù)移動輸送帶上雜亂擺放物料的動態(tài)跟蹤及分揀裝盒仿真效果。利用仿真工作站調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實驗，驗證了生產(chǎn)節(jié)拍參數(shù)設(shè)定公式的正確性及適用性。該方案提高了生產(chǎn)的效率和柔性，不僅可以在早期設(shè)計階段檢驗產(chǎn)品分揀包裝生產(chǎn)工藝的可行性和合理性，還可以于投產(chǎn)后在不影響設(shè)備正常生產(chǎn)情況下輔助技術(shù)人員，為工作站的參數(shù)優(yōu)化設(shè)置提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。當(dāng)然，現(xiàn)實生產(chǎn)中需要考慮的因素還有很多，還需綜合現(xiàn)場的空間布局、設(shè)備性能、運(yùn)維成本等實際情況調(diào)整工作站，直至滿足生產(chǎn)需求為止。

[1] 陳永平, 王凱凱. 基于ABB機(jī)器人的雙追蹤傳送包裝系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝工程, 2020, 41(1): 116-122.

CHEN Yong-ping, WANG Kai-kai. Design of Double Transmission Tracking Packaging System Based on ABB Robot[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(1): 116-122.

[2] 羅定提. 包裝學(xué)科概論[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2018: 1-15.

LUO Ding-ti. Introduction to Packaging Discipline[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2018: 1-15.

[3] 譚子會. 基于雙目視覺的包裝過程分揀技術(shù)研究[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2020, 38(5): 60-63.

Tan Zi-hui. Research on Packaging Process Sorting Technology Based on Binocular Vision[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(5): 60-63.

[4] FENG Ling-yun. Research on Intelligent Production Line Design and Dynamic Balance for 3C Products[J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2022, 4136978: 1-9.

[5] 付瑞玲, 禹春來, 范甜甜. 基于并聯(lián)機(jī)器人的包裝分揀系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝工程, 2018, 39(11): 204-208.

FU Rui-ling, YU Chun-lai, FAN Tian-tian. Design of Packaging Sorting System Based on Parallel Robot[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(11): 204-208.

[6] 嚴(yán)培培. 面向非典型食品生產(chǎn)的高速機(jī)器人分揀系統(tǒng)設(shè)計[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(2): 94-97.

YAN Pei-pei. High Speed Sorting Robot for Non-Typical Food Production Systems[J]. Food & Machinery, 2016, 32(2): 94-97.

[7] 賈超廣, 肖海霞. 機(jī)器視覺的食品包裝快速分揀系統(tǒng)[J]. 食品工業(yè), 2021, 42(5): 276-279.

JIA Chao-guang, XIAO Hai-xia. Rapid Sorting System of Food Packaging Based on Machine Vision[J]. The Food Industry, 2021, 42(5): 276-279.

[8] DEWI T, RISMA P, OKTARINA Y. Fruit Sorting Robot Based on Color and Size for an Agricultural Product Packaging System[J]. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, 2020, 9(4): 1438-1445.

[9] 王曦鳴. 基于Robotstudio的巧克力裝盒生產(chǎn)線仿真[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2020, 38(5): 55-59.

WANG Xi-ming. Simulation of Chocolate Boxing Production Line Based on RobotStudio[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(5): 55-59.

[10] 孟靜靜, 郝睿, 王惠卿, 等. 基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的自動生產(chǎn)線智能包裝系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2021(11): 63-67.

MENG Jing-jing, HAO Rui, WANG Hui-qing, et al. Design of Intelligent Packaging System for Automatic Production Line Based on PLC and Industrial Robots[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2021(11): 63-67.

[11] 孫守勇, 崔慧娟, 劉小英. 基于RobotStudio的Delta機(jī)器人雙輸送鏈跟蹤分揀仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造工程, 2022, 51(6): 65-69.

SUN Shou-yong, CUI Hui-juan, LIU Xiao-ying. Simulation Research on Tracking and Sorting of Delta Robot with Double Conveyor Chains Based on RobotStudio[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2022, 51(6): 65-69.

[12] 郝瑞林, 周利杰, 蔡國慶, 等. 基于機(jī)器視覺與RobotStudio的餅干包裝生產(chǎn)線仿真[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2022, 40(1): 64-69.

HAO Rui-lin, ZHOU Li-jie, CAI Guo-qing, et al. Simulation of Biscuit Packing Production Line Based on Machine Vision and Robotstudio[J]. Packaging and Food Machinery, 2022, 40(1): 64-69.

[13] 佚名. “雙碳”背景下的食品企業(yè)包裝綠色風(fēng)潮[J]. 中國包裝, 2022, 42(5): 8-9.

Anon. Green Trend of Food Enterprise Packaging under the Background of "Carbon Peaking and Carbon Neutrality"[J]. China Packaging, 2022, 42(5): 8-9.

[14] 馮凌云, 劉凱. 虛實結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實踐教學(xué)平臺開發(fā)與應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2021, 38(5): 223-229.

FENG Ling-yun, LIU Kai. Development and Application of Virtual-Actual Practical Teaching Platform for Industrial Robot[J]. Experimental Technology and Management, 2021, 38(5): 223-229.

[15] 馮凌云, 郭燦彬, 朱旭義, 等. 基于快換夾具和視覺的機(jī)器人裝配工作站仿真設(shè)計[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2021(8): 126-130.

FENG Ling-yun, GUO Can-bin, ZHU Xu-yi, et al. Simulation Design of Robot Assembly Workstation Based on Magic Chuck and Vision[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2021(8): 126-130.

[16] 王功亮, 王好臣, 李振雨, 等. 基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人輸送鏈跟蹤仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2019(11): 231-234.

WANG Gong-liang, WANG Hao-chen, LI Zhen-yu, et al. The Simulation of Industrial Robot Conveyor Chain Tracking Based on RobotStudio[J]. Machinery Design & Manufacture, 2019(11): 231-234.

Simulation of Robot Sorting and Packaging Workstation Based on Conveyor Belt and Visual Tracking

FENG Ling-yun1, ZENG Xiang-ping1,LI Qin2,WANG Cai-fang1

(1. Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic, Guangzhou 510515, China; 2. Patent Examination Cooperation Guangdong Center of the Patent Office, Guangzhou 510535, China)

The work aims to improve the production efficiency and flexibility of the sorting and packaging workstation, and explore the use of virtual simulation technology for validation in early design. With the production of chocolate chip cookies in a food company as an example, a robot sorting and packaging simulation workstation was proposed by combining conveyor belt tracking and visual recognition technology. Under the development environment of ABB's off-line programming and simulation software Robotstudio, the 3D modeling of related equipment was carried out, and the space layout of the workstation was completed according to the task requirements. After that, the steps of creating the conveyor belt, designing dynamic Smart components, connecting workstation logic, enabling the tracking function of the conveyor belt, recording camera data, and programming robot control program were required. Finally, the structure of the workstation was analyzed and the parameter setting formula of cycle time was obtained. The workstation could dynamically track the cluttered materials on the continuous moving conveyor belt and complete the sorting and packing task, and could adjust the parameters according to the theoretical calculation method to meet the demand of production rhythm. The workstation achieves the expected functional objectives and can provide reference for the research on efficient and flexible production of robot centered sorting and packaging systems in all walks of life.

industrial robot; conveyor chain tracking; visual guidance; sorting and packaging; cycle time; simulation design

TB486；TP242.2

A

1001-3563(2023)13-0227-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.027

2022?11?12

廣東省高職教育教學(xué)改革研究與實踐項目（GDJG2021066）；廣東省高等職業(yè)院校機(jī)電類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會教學(xué)改革研究與實踐項目（GDJDJZW202120）；廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目（CXTD20220003）

馮凌云（1984—），男，碩士，副教授/高級工程師，主要研究方向為工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用、智能制造類教學(xué)設(shè)備研發(fā)、水電站調(diào)速器及監(jiān)控系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋