基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)

曾國耀,曾國藝,肖小華

(1.福建科盛智能物流裝備有限公司,福建 泉州 362104;2.泉州市科盛包裝機(jī)械有限公司,福建 泉州 362104)

0 引言

在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中,為了提高運(yùn)輸貨物的能力,機(jī)械手設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[1]。機(jī)械手的很多功能與人類手臂類似,可以提高揀配工件的自動化程度。

在全球化經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中,企業(yè)如果想提高在國際市場中的地位,需要依靠自動化生產(chǎn)技術(shù)提高自身的生產(chǎn)效率和質(zhì)量[2]。將機(jī)械手應(yīng)用在生產(chǎn)線揀配過程中,可提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量,因此,需要對其展開深入的分析和研究。

胡江等[3]建立了機(jī)械手在運(yùn)動過程中的數(shù)學(xué)模型,通過控制模塊、PLC控制器、驅(qū)動模塊、傳感器模塊和主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的硬件部分,在軟件設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)了PLC控制器,以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制,但該方法存在軌跡規(guī)劃精度低的問題。王麗娟[4]通過五次多項(xiàng)式差值法規(guī)劃搬運(yùn)機(jī)械手關(guān)節(jié)軌跡,并將關(guān)節(jié)的加速度信息、速度信息和位置信息輸入MATLAB中,在笛卡爾空間中獲得機(jī)械手的運(yùn)動軌跡,以此實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制,但該方案存在角位移誤差較大的問題。蔡清清等[5]利用LV8729、槽型光電開關(guān)、STM32控制器和光電編碼器完成對機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),并在軟件設(shè)計(jì)過程中引入了PID雙環(huán)控制算法,但該系統(tǒng)存在運(yùn)動位移誤差較大的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1中,本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)由人機(jī)界面HMI、智能相機(jī)、傳送帶、伺服驅(qū)動器和機(jī)械手等構(gòu)成,系統(tǒng)與生產(chǎn)線模塊直接相連。

a.智能相機(jī):主要作用是獲取工件的具體坐標(biāo)值,檢測工件類型,將上述檢測數(shù)據(jù)通過Modbus通信方式傳輸?shù)缴a(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)的PLC控制器中。

b.傳送帶:通過傳送帶將工件傳送到系統(tǒng)的分揀點(diǎn)處。

c.機(jī)械手:將傳送帶中存在的工件分揀到對應(yīng)的工位處。

d.伺服電機(jī):其主要作用是控制機(jī)械手和傳送帶。

e.人機(jī)界面HMI:顯示工件數(shù)量、報(bào)警信息和工件運(yùn)動信息。

f.PLC控制器:通過與智能相機(jī)采集的數(shù)據(jù)展開交互,控制相機(jī)采集工件數(shù)據(jù),屬于生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)中的核心控制器[6]。

g.伺服驅(qū)動器:伺服驅(qū)動器在系統(tǒng)中的主要作用是控制機(jī)械手和傳送帶的運(yùn)動情況。

1.2 機(jī)械手軌跡規(guī)劃

1.2.1 構(gòu)建機(jī)械手運(yùn)動學(xué)方程

機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的位移都是在靜止?fàn)顟B(tài)下開始的,其位移h可通過機(jī)械手的減速、勻速和加速位移計(jì)算得到,設(shè)置減速過程和加速過程具有相同的加速度,此時機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)位移h為

(1)

a為加速度;h1、h2、h3分別為加速狀態(tài)下產(chǎn)生的位移、勻速狀態(tài)下產(chǎn)生的位移和減速狀態(tài)下產(chǎn)生的位移;t1、t2、t3分別為機(jī)械手的加速時間、勻速時間和減速時間。

在機(jī)械手搬運(yùn)工件的過程中,設(shè)定生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)控制程序中具有相同的減速和加速時間,即t1=t3。

生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)中所用的機(jī)械手通常為多自由度機(jī)械手,現(xiàn)針對其中作為主要結(jié)構(gòu)的2段機(jī)械臂展開研究,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

圖2中,夾角α由X軸和AB臂構(gòu)成,夾角γ由AB臂和BC臂構(gòu)成;夾角β由X軸與BC臂構(gòu)成,A點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)為(xA,yA),B點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)為(xB,yB),C點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)為(xC,yC),AB臂和BC臂的臂長分別為L1、L2。

在確定機(jī)械手的末端坐標(biāo)后,通過聯(lián)動控制使機(jī)械手末端到達(dá)指定位置。將轉(zhuǎn)角α和β的值輸入生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)的伺服電機(jī)中,控制機(jī)械臂到達(dá)指定位置,即

(2)

ω1、ω2分別為轉(zhuǎn)角α和β的旋轉(zhuǎn)系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)余弦定理,在2點(diǎn)距離公式的基礎(chǔ)上通過式(3)計(jì)算點(diǎn)C的坐標(biāo)。

(xC-xA)2+(yC-yA)2=

(3)

1.2.2 機(jī)械手軌跡規(guī)劃

將機(jī)械手各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信息輸入伺服電機(jī)中,控制機(jī)械臂到達(dá)指定位置,完成機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃[7]。

本文系統(tǒng)選用永磁同步電機(jī)作為系統(tǒng)的伺服電機(jī)。永磁同步電機(jī)在生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)中的電壓方程為

(4)

uu、uv、uw為定子在電機(jī)中對應(yīng)的電壓;R為定子繞組電阻;?為微分算子;eu、ev、ew分別為在u、v、w相電樞繞組中永磁體磁場感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動勢;Zu、Zv、Zw為定子繞組自感;iu、iv、iw為相定子在伺服電機(jī)中的電流;Quv、Qwu、Qvw為繞組間存在的互感[8]。

設(shè)?為u軸與d軸間的夾角,永磁體基波磁場方向與d軸方向一致[9],則三相靜止坐標(biāo)系u-v-w可通過下述變換矩陣V轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q,即

V=

(5)

在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,在上述變換矩陣的基礎(chǔ)上獲得電壓方程為

(6)

ud、id分別為d軸定子對應(yīng)的電壓和電流;uq、iq分別為q軸定子對應(yīng)的電壓和電流;Zd、Zq分別為d軸、q軸定子繞組自感;ζ為永磁體磁鏈。

假設(shè)J1為電磁轉(zhuǎn)矩,其可通過電樞繞組電流和永磁體磁鏈計(jì)算得到,即

J1=Kζiq+iqid(Zd-Zq)

(7)

K為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。通過上述分析,構(gòu)建伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為

(8)

N為粘滯摩擦系數(shù);J2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

將機(jī)械手各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信息輸入上述伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型中,完成機(jī)械手的軌跡規(guī)劃。

1.3 生產(chǎn)線高效智能揀配

在完成對機(jī)械手軌跡的規(guī)劃處理后,建立機(jī)械手歐拉方程,再采用PI控制算法控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)工件搬運(yùn),從而達(dá)到生產(chǎn)線高效智能揀配的目的。

采用牛頓基本方程建立機(jī)械手運(yùn)動學(xué)方程為

F=mav

(9)

av為機(jī)械手的加速度;m為質(zhì)量參數(shù);F為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程中受到的合力。

在上述運(yùn)動方程的基礎(chǔ)上建立機(jī)械手的歐拉方程為

FP=Ic(ξ′-ξ)

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Ic為電流張力;P為工件與機(jī)械手受力點(diǎn)之間的距離;ξ′為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)后的速度;ξ為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)前的速度。

基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在機(jī)械手搬運(yùn)工件過程中引入PI控制策略,提高了系統(tǒng)揀配的有效性。

假設(shè)x=[e,ep]T代表PI控制策略的輸入量,其中ep代表誤差概率,e代表預(yù)測誤差,上述參數(shù)的函數(shù)形式為Yn(e)、Yn(ep),則PI控制策略的輸出量u(e,ep)為

(11)

n為工件數(shù)量;u(e,ep)為誤差函數(shù)[10]。

在上述誤差函數(shù)的基礎(chǔ)上建立模糊網(wǎng)絡(luò)模型,該模型分為以下4層:

a.第1層為輸入層,該層輸出的階數(shù)為H(1)。

b.第2層為起始層,參數(shù)輸入到第2層后會發(fā)生改變,該層的輸出量H(2)為

H(2)=νH(1)

(12)

ν為模糊因子。

c.第3層為核心層,可用于獨(dú)立計(jì)算所有變量,該層的輸出量H(3)為

H(3)=ν·(H(1)+H(2))

(13)

d.第4層為輸出層,該層也是模糊網(wǎng)絡(luò)模型的最后一層,該層的輸出量H(4)為

H(4)=μH(3)

(14)

μ為模糊標(biāo)記。

結(jié)合上述內(nèi)容,采用機(jī)械手搬運(yùn)工件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線揀配,從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)的設(shè)計(jì),具體流程如下:

a.采用智能相機(jī)采集生產(chǎn)線中物料、工位點(diǎn)與分揀點(diǎn)的位置信息。

b.通過機(jī)械手運(yùn)動學(xué)模型,獲取機(jī)械手搬運(yùn)工件時的關(guān)節(jié)角信息,將其輸入生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)中。

c.永磁同步電機(jī)根據(jù)接收到的信號確定物料分配的工位點(diǎn),確定機(jī)械手分揀工件的軌跡。

d.采用PI控制策略控制機(jī)械手根據(jù)規(guī)劃軌跡將工件分揀到工位點(diǎn)處,從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線高效智能分揀。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng)的整體有效性,對其展開測試。

設(shè)置機(jī)械手搬運(yùn)工件的運(yùn)動軌跡,采用本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對圖3所示的機(jī)械手展開軌跡控制,控制結(jié)果如圖4所示。

圖3 工件搬運(yùn)機(jī)械手

圖4 不同系統(tǒng)對機(jī)械手軌跡的控制結(jié)果

由圖4可知,本文系統(tǒng)在物料搬運(yùn)過程中的運(yùn)動軌跡和角位移軌跡與規(guī)劃軌跡基本相符,而文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡和角位移軌跡均存在較大誤差,通過上述對比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有較高的軌跡控制精度。

設(shè)置生產(chǎn)線中需揀配50 kg、100 kg和150 kg這3種規(guī)格的工件,分別采用本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對其揀配。測試應(yīng)用不同系統(tǒng)后,機(jī)械手搬運(yùn)過程的運(yùn)動位移誤差,測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法的運(yùn)動位移誤差

由圖5可知,當(dāng)工件為50 kg時,本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的位移誤差均較小;當(dāng)工件為100 kg時,3種系統(tǒng)的位移誤差均控制在±2×10-3m以內(nèi);當(dāng)工件為150 kg時,文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的位移誤差超過±2×10-3m,本文系統(tǒng)仍控制在±2×10-3m以內(nèi)。

通過上述分析可知,3種系統(tǒng)在控制機(jī)械手揀配不同重量工件時,本文系統(tǒng)的運(yùn)動位移誤差均是最小的,表明本文系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性,且適用于多種規(guī)格的工件。

3 結(jié)束語

目前生產(chǎn)線揀配系統(tǒng)存在運(yùn)動軌跡誤差大、角位移誤差大和位移誤差大的問題,為此,本文提出了基于機(jī)械手搬運(yùn)工件的生產(chǎn)線高效智能揀配系統(tǒng),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中建立了機(jī)械手運(yùn)動學(xué)方程,并對其軌跡和控制過程展開規(guī)劃和設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的不足。