基于ABB機(jī)器人的柔性分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳東青

(廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

0 前言

瓶體包裝是商品包裝的主要形式之一。為確保包裝質(zhì)量與商品外觀，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需對瓶體進(jìn)行分揀。傳統(tǒng)人工分揀雖不受瓶體變化影響，但效率慢且勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著人工成本提高，自動(dòng)化分揀、柔性分揀等應(yīng)用需求日趨迫切。

一般瓶體分揀線上的機(jī)構(gòu)除了滿足上料、分揀等功能需求外，同時(shí)還需輔助機(jī)構(gòu)滿足機(jī)器視覺[1-3]等智能檢測的條件。如一般機(jī)器視覺系統(tǒng)由于受限于光源、成像范圍等因素，需要檢測輔助機(jī)構(gòu)對檢測對象進(jìn)行定位。張英坤、陶玉娥[4]在其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中采用瓶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)確保將瓶體送入成像范圍；段春梅等[5]控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)每次旋轉(zhuǎn)瓶體120°。這些方法實(shí)現(xiàn)了對某類瓶體的自動(dòng)化檢測分揀，但機(jī)械結(jié)構(gòu)僅適用于當(dāng)前瓶體，柔性化程度低。

由于一般生產(chǎn)線上的機(jī)構(gòu)為按某一類或幾類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，適用范圍有限。因此，在柔性化生產(chǎn)需求的背景下，上料機(jī)構(gòu)、檢測輔助、分揀機(jī)構(gòu)成為柔性化生產(chǎn)必須解決的問題。區(qū)分于傳統(tǒng)機(jī)械自動(dòng)化，工業(yè)機(jī)器人因機(jī)構(gòu)可靈活調(diào)整及智能控制系統(tǒng)，在柔性生產(chǎn)中的作用尤為突出[6-9]。

本文作者針對圓柱瓶表面檢測工作站中，圓柱瓶尺寸在一定范圍內(nèi)變化且轉(zhuǎn)產(chǎn)頻繁的情況，設(shè)計(jì)基于ABB機(jī)器人的柔性分揀系統(tǒng)。系統(tǒng)以三菱PLC為核心，觸摸屏作為人機(jī)操作界面，協(xié)同雙機(jī)器人、伺服夾爪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測前上料、檢測輔助與測后分揀的柔性作業(yè)。

1 工況分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工況分析

多種尺寸類型共用的圓柱型瓶子檢測工作站的生產(chǎn)要求如下：

(1)測前上料環(huán)節(jié)，要求將直立輸送的瓶子通過夾持瓶口的方式，移動(dòng)至檢測位置。

(2)檢測輔助環(huán)節(jié)，工作站采用線掃描成像，要求在保持瓶子表面與相機(jī)檢測方向垂直且檢測距離穩(wěn)定的狀態(tài)下，將瓶子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周，以實(shí)現(xiàn)整圓柱表面的掃描成像。

(3)測后分揀環(huán)節(jié)，根據(jù)合格品或瑕疵品分別放置。

圖1所示為部分瓶子與檢測示例。其中與柔性分揀有關(guān)的瓶子尺寸、檢測范圍、夾爪等主要參數(shù)如圖2所示。

圖1 瓶子與檢測示例

圖2 主要參數(shù)

瓶子的檢測面高度h1為瓶身上需要檢測的圓柱表面高度；夾持高度h2為該類型瓶子穩(wěn)定夾持所需的接觸距離；檢測范圍參數(shù)中檢測距離L1調(diào)試確定后為定值，單次檢測中檢測面位于檢測寬度L2的中間，以確保檢測穩(wěn)定性。

當(dāng)瓶子尺寸變化時(shí)，需處理的柔性分揀問題有以下3點(diǎn)：

(1)上料與分揀環(huán)節(jié)，瓶身直徑D變化，要求取放時(shí)夾爪夾持中心點(diǎn)位置調(diào)整，以及檢測位置的中心點(diǎn)位置調(diào)整；瓶子總高H與夾持高度h2變化，要求取放時(shí)夾爪高度調(diào)整。

(2)檢測輔助環(huán)節(jié)，檢測面高度h1變化，要求對準(zhǔn)檢測寬度中間的位置調(diào)整，同時(shí)若檢測面高度h1小于檢測寬度L2則一次檢測，若大于則需分段多次檢測。

(3)夾爪的閉合控制。瓶口直徑d變化，要求調(diào)整夾爪閉合距離。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工況分析，設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人的柔性分揀料系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對位置調(diào)整的問題，采用ABB工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其Offs功能指令可實(shí)現(xiàn)示教位置在指定坐標(biāo)方向上的平移，實(shí)現(xiàn)位置的靈活調(diào)整。且ABB支持一臺(tái)控制器帶兩臺(tái)本體的配置，在程序設(shè)計(jì)上采用雙任務(wù)進(jìn)程，根據(jù)上料、檢測、分揀的動(dòng)作節(jié)拍，雙工業(yè)機(jī)器人交替動(dòng)作，保證分揀效率。另外，ABB的RobotStudio仿真軟件可進(jìn)行場景搭建與仿真調(diào)試，圖4所示為搭建的布局示意。

圖4 雙機(jī)器人布局示意

PLC與觸摸屏在自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[10-12]。系統(tǒng)采用三菱PLC與觸摸屏作為系統(tǒng)中心實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作，其中通過IO與檢測設(shè)備等進(jìn)行信號(hào)交互，信號(hào)分配如表1所示。同時(shí)，通過RS232通信與ABB控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與流程控制[13]。

表1 PLC分配

夾持類執(zhí)行器通過智能控制可實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)[14-15]。針對夾爪閉合控制的問題，采用由PLC控制伺服夾爪作為末端執(zhí)行器，可在夾爪行程與深度范圍內(nèi)適用于不同瓶子。

2 柔性設(shè)計(jì)

2.1 上料與分揀環(huán)節(jié)

根據(jù)不同尺寸瓶子的取放、檢測中的位置變化情況，基于ABB工業(yè)機(jī)器人的Offs平移功能，根據(jù)瓶子尺寸實(shí)現(xiàn)位置的自動(dòng)調(diào)整。

圖5所示為瓶子在輸送帶上的夾持位置示意，輸送帶一側(cè)為活動(dòng)擋板，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)擋板適用于不同的瓶身直徑。

圖5 夾持位置示意

以輸送帶固定頂點(diǎn)為原點(diǎn)，建立工件坐標(biāo)XOY(下面程序中記為wobj_Grip)。將基準(zhǔn)瓶型直徑記為D0，其他瓶型i在X、Y方向的夾持平移量ΔXi、ΔYi均為瓶子的半徑差值，如式(1)所示：

(1)

夾爪末端與瓶底的距離為瓶子總高減去夾持高度，因此相對于基準(zhǔn)瓶型，在Z方向的平移量為

ΔZi=(Hi-h2i)-(H0-h20)

(2)

在ABB控制器中，示教基準(zhǔn)瓶型的夾取點(diǎn)，記錄于程序如下：

MoveL pGrip_0，speed，fine，tool_GripWObj：=wobj_Grip；//示教基準(zhǔn)瓶型的夾取點(diǎn)采用直線插補(bǔ)指令記錄該位置

通過Offs指令，基于公式(1)(2)的計(jì)算結(jié)果，賦值新的夾取點(diǎn)：

pGrip:=Offs(pGrip_0,n_GX,n_GY,n_GZ); //Offs指令實(shí)現(xiàn)基于位置pGrip_0分別沿X、 Y、 Z軸平移n_GX、 n_GY、 n_GZ后賦值給pGrip

通過調(diào)用該夾取位置程序，即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)瓶型的夾取位置調(diào)整：

MoveL pGrip,speed,fine,tool_GripWObj:=wobj_Grip; //再運(yùn)行至夾取位置

同理，根據(jù)放置情況設(shè)置工件坐標(biāo)，分別可得合格品與瑕疵品的放置位平移量。

2.2 檢測輔助環(huán)節(jié)

圖6所示為瓶子在檢測位置示意，以夾爪末端工具坐標(biāo)為參考，相對于基準(zhǔn)瓶型，X方向上的檢測位平移量TXi為半徑差值：

(3)

圖6 檢測位置示意

若檢測面高度小于檢測寬度則一次檢測，僅需調(diào)整檢測面位于檢測寬度的中間，Z方向上的檢測位平移量TZi為

(4)

若大于則需分段多次檢測，如圖6所示分兩段：

(5)

(6)

通過Offs指令結(jié)合公式(4)—(6)計(jì)算結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)瓶型的檢測位置調(diào)整。

另外，在檢測位置旋轉(zhuǎn)一周的示例程序如下，pTest1與pTest1_C兩點(diǎn)的末端位置一致，僅第六軸前后度數(shù)分別為-180°與180°，通過關(guān)節(jié)插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)第六軸旋轉(zhuǎn)一周。

MoveL pTest1,speed,fine,tool_Grip; //再運(yùn)行至檢測位置

MoveJ pTest1_C,speed_C,fine,tool_Grip; //第六軸旋轉(zhuǎn)一周

2.3 夾爪的閉合控制

伺服夾爪采用脈沖控制運(yùn)動(dòng)距離，記由開限位至夾取基準(zhǔn)瓶型時(shí)的脈沖數(shù)為P0，結(jié)合夾爪行程，當(dāng)瓶口直徑變化時(shí)，夾持脈沖為

(7)

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析

位置調(diào)整與夾爪控制功能中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析由PLC控制器完成，主要數(shù)據(jù)寄存器如表2所示，可分為通信數(shù)據(jù)、執(zhí)行數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、瓶子數(shù)據(jù)。

表2 主要數(shù)據(jù)寄存器

通信數(shù)據(jù)為D0與D10，通過RS指令與ABB控制器進(jìn)行通信，程序格式RS D0 K1 D10 K1。

執(zhí)行數(shù)據(jù)為D100-D107，根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行瓶子類型，存儲(chǔ)公式(1)—(7)的計(jì)算結(jié)果，通過RS指令發(fā)送給ABB實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整，以及控制夾爪的夾持脈沖。

設(shè)備參數(shù)為D200-D205，存儲(chǔ)設(shè)備參數(shù)，供計(jì)算調(diào)用。

基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為D210-D217，存儲(chǔ)示教過程中選定的基準(zhǔn)瓶子數(shù)據(jù)，供計(jì)算調(diào)用。

瓶子數(shù)據(jù)為由D220起5個(gè)為一組，依次記錄瓶子數(shù)據(jù)，可通過觸摸屏增減或修改，執(zhí)行時(shí)進(jìn)行調(diào)用。

3 系統(tǒng)流程

3.1 操作流程

系統(tǒng)操作流程如圖7所示，分為自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)操作與參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)調(diào)試階段為手動(dòng)操作，通過各設(shè)備手動(dòng)調(diào)試，示教基準(zhǔn)瓶型的取放、檢測位置，并在觸摸屏界面中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，為自動(dòng)運(yùn)行作準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)產(chǎn)階段僅需通過參數(shù)設(shè)置調(diào)用或設(shè)置瓶子類型參數(shù)，系統(tǒng)計(jì)算執(zhí)行數(shù)據(jù)供自動(dòng)運(yùn)行調(diào)用。

主要依靠泥漿密度調(diào)整壓力和應(yīng)力平衡，泥漿密度窗口相對較窄；主要依靠泥漿的抑制性控制孔壁巖石與鉆井液之間物化平衡。所以沉積巖維護(hù)孔壁穩(wěn)定主要采用泥漿護(hù)壁技術(shù)，當(dāng)泥漿護(hù)壁技術(shù)無法滿足壓力、應(yīng)力或物化動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，采用套管固井隔離。

圖7 操作流程

3.2 自動(dòng)流程

系統(tǒng)以三菱PLC作為控制中心，協(xié)同ABB機(jī)器人、伺服夾爪、檢測設(shè)備及其他設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。其中，兩臺(tái)機(jī)器人的自動(dòng)模塊并行運(yùn)行，通過RS232通信中的命令與狀態(tài)信息，由PLC進(jìn)行自動(dòng)流程控制。命令與狀態(tài)如表3所示，部分程序如圖8所示。

表3 命令與狀態(tài)

圖8 ABB的程序示例

由PLC協(xié)調(diào)ROB1與ROB2依次運(yùn)行子模塊：夾取模塊、檢測模塊、合格品或瑕疵品放置模塊，其中ROB1先運(yùn)行一節(jié)拍，且PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測兩機(jī)器人狀態(tài)，避免干涉。

兩機(jī)器人的子模塊功能相同，圖9所示為ROB1夾取流程，由PLC控制機(jī)器人與伺服夾爪在夾取過程中的協(xié)作，同理有合格品放置流程與瑕疵品放置流程。ROB1檢測流程如圖10所示，由PLC控制機(jī)器人與檢測設(shè)備在檢測過程中的協(xié)作。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程可通過觸摸屏界面進(jìn)行監(jiān)控，如圖11所示。包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)與狀態(tài)監(jiān)視功能，其中機(jī)器人狀態(tài)顯示ROB1與ROB2對應(yīng)表3，夾爪狀態(tài)為張開與閉合，檢測設(shè)備為待機(jī)與運(yùn)行，檢測結(jié)果顯示剛結(jié)束的檢測結(jié)果，待機(jī)為無，結(jié)果為合格或不合格。

圖11 自動(dòng)運(yùn)行(a)與設(shè)置(b)界面

圖9 ROB1夾取模塊

圖10 ROB1檢測模塊

Fig.9 ROB1 pickup module

Fig.10 ROB1 detection module

4 結(jié)語

針對工作站需要適用于不同尺寸圓柱瓶且轉(zhuǎn)產(chǎn)頻次較高的柔性生產(chǎn)要求，基于ABB工業(yè)機(jī)器人的平移功能，根據(jù)工裝情況設(shè)置坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)相對示教的基準(zhǔn)瓶子，進(jìn)行上料、檢測、分揀等位置的調(diào)整；且采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾爪，適用于不同尺寸的瓶口夾取。以PLC為控制中心，協(xié)同雙機(jī)器人、伺服夾爪、檢測設(shè)備及其他設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)計(jì)觸摸屏界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控及各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置，便于柔性生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)置與轉(zhuǎn)產(chǎn)操作。

系統(tǒng)適用于圓柱瓶子在一定尺寸變動(dòng)范圍內(nèi)的分揀作業(yè)，且系統(tǒng)操作便捷，對工業(yè)機(jī)器人推廣應(yīng)用具有一定意義。