工業機器人車間數字化設計與性能仿真

景會成 王 穎

(華北理工大學電氣工程學院 河北 唐山 063210)

0 引 言

近年來我國諸多企業順應數字化發展的新趨勢，響應國家智能制造的號召，積極引進ERP、MES等諸多企業級、車間級管理系統，但企業管理與實際脫節、管理效果不明顯的現象仍然存在，主要原因是不能實時地采集、傳遞和處理信息，導致效率低，耗時長，錯誤率高，出現問題難以追溯問題源頭。RFID技術作為一種通信技術可以有效地解決這些問題，它通過電磁波信號識別特定目標，并在無須物理接觸或光學接觸下讀寫相關數據[1]。RFID技術與車間級管理系統MES、企業級管理系統ERP進行協同后，各級管理人員能在PC端實時查看工件的位置信息、工件的預計完成時間、成品率、合格率、設備運行情況等報表的實時信息，為各級管理人員日常工作和決策提供便易，并能有效地進行資源合理配置，提高工作效率，使車間管理工作更快捷、準確、透明，實現企業管理工作的信息化、規范化、標準化。

1 RFID系統

1.1 組成及優勢

本文設計面向整個車間進行，出于數字化車間精確、高效管理和企業節約成本的要求，機器人組裝調試數字化車間的RFID系統包含：RFID標簽、RFID讀寫器、天線及后端系統。后端系統主要包括數據庫、車間級管理軟件MES、企業級管理軟件ERP等系統。RFID系統組成結構圖如圖1所示。

圖1 RFID系統組成結構圖

RFID系統最基礎的功能是實現車間生產信息的采集。其優勢體現在：

(1)實現非接觸識別即不需要直接與工件接觸便可讀寫工件上RFID標簽中的信息。

(2)對移動(高速)的物體和人員進行識別，在實際生產中不需要暫停設備運行狀態。

(3)不用人工參與自動識別，可同時識別多個目標物體。

(4)RFID標簽可雙向通信。

(5)識別速度快，穿透性強，既可以識別黏附在工件表面的電子標簽，也可以識別裝在內部的電子標簽。

(6)外形小巧多變可根據工件的實際要求修改RFID標簽的外形。

(7)具有防水、防油的性質，適合在車間環境中使用。

(8)可重復性即可對已使用的RFID標簽的內部存儲信息進行擦除，擦除后即可重新使用。

(9)儲存容量大，安全性能高。

1.2 技術原理及工作過程

讀寫器以電磁波的形式向RFID標簽發送信息，RFID標簽中的內置天線能夠通過散射耦合的方式接收電磁波中的能量并且讀取命令信息，按照命令指示寫入或者傳遞信息。RFID標簽中的內置天線通過電磁波獲得能量被激活并自動將自身編碼等信息通過內置天線以反向散射的方式發送出去，從標簽發送來的信號經天線傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調和解碼后通過PC端送到后臺管理系統進行相應處理[2]。圖2為RFID系統工作過程。

圖2 RFID系統工作過程

RFID標簽在空間里沒有電磁波或者接收的電磁波能量不足時處于靜默狀態，當所處空間的電磁波所提供的能量達到其電壓閾值時根據電磁波攜帶的標簽ID(Identification)信息激活對應RFID標簽。向電子標簽內寫入信息并對電磁波攜帶的信息進行解調解碼后進行運算或儲存并傳遞給編碼器，負載調制之后傳遞給天線，天線傳遞給讀寫器，最終由讀寫器輸入到PC端完成信息交互。天線作為讀寫器的延伸向空間中發送電磁波為RFID標簽提供能量、時序，從而實現數據的輸入輸出[3]。

2 RFID在金屬環境中的應用

RFID標簽與無線之間是通過電磁波進行信息交互的，變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場,這就是電磁場,而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波[4]。英國物理學家、數學家麥克斯韋早在18世紀60年代就預言了電磁波的存在，因為電磁場不是保守力場，其有三個標量場的自由度，所以在描述電磁場時需要用向量微分、積分來描述(此處為微分)[5]。麥克斯韋方程組如下：

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

式中：▽表示哈密頓算子；H表示磁場強度；J表示電流密度；E表示電場強度；B表示磁通密度；D表示電通密度；ρ表示電荷密度[6]。輔助場量：

B=μH

(5)

D=εE

(6)

式中：μ表示磁導率；ε表示介電常數。在真空中：

ε=ε0=8.854 2×10-12(C2/N·m2)

(7)

μ=μ0=4π×10-7(N·S2/C2)

(8)

在金屬內部時麥克斯韋方程組的ρ=0、J=σE，σ表示電導率。對式(2)進行旋度計算且將式(3)、式(4)代入，易得金屬中電磁場波動方程：

(9)

平面波解形式:

E=Aeiη

(10)

其中:

η=kr-ωr

(11)

式中：ω為角頻率。

由式(7)得到:

-k2+iωμσ+ω2εμ=0

(12)

表明波矢量k為復數，令:

k=iα+β

(13)

則平面波的可寫成:

η1=η=i(βr-ωr)-αr

(14)

E=Aeiη1

(15)

由式(14)、式(15)可知，電磁波射入金屬時隨著入射距離的增大,波的幅度呈指數級衰減。衰減的主要原因是電磁波所形成的磁場會在金屬表面形成電流釋放焦耳熱造成能量損失。選用抗金屬RFID標簽且安裝位置位于金屬表面能有效地減少金屬環境下對RFID系統的影響。除此之外金屬環境和工藝對電磁波波段選擇具有要求，電磁波頻段劃分如表1所示。

表1 電磁波頻段劃分表

低頻的振蕩中磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去，而在高頻率的電振蕩中磁電相會變化非常快，能量不可能全部返回原振蕩電路[7]。再加上實際安裝不存在繞過障礙物等問題，對波長要求不大，所以結合以上設計要求和電磁輻射防護規定，此次設計選取特高頻段(UHF)的電磁波。國際標準 ISO/IEC 18000-6 推薦 UHF頻段RFID設備使用的頻率范圍是860～960 MHz。選擇其中比較典型的860～960 MHz頻段Type C類型協議，RFID標簽選用UHF天線。讀寫器采用脈沖寬度編碼方式，簡稱PIE，是以脈沖下降沿之間的不同時間寬度表示數據[8]。電子標簽采用雙相間空號編碼方式，簡稱FM0，其規則是在半比特周期中的任意邊沿表示二進制0，而沒有邊沿表示二進制1，而且在每一比特周期開始時電平都要反相[9]。

3 系統設計

3.1 RFID標簽

此次設計使用抗金屬RFID標簽，主要部分為芯片和內置UHF天線。芯片由射頻模擬前段、數字基帶及存儲器組成。讀寫器所讀寫的信息儲存在芯片中，所以要求芯片帶有存儲功能。UHF天線的作用是接收和發出電磁波。抗金屬標簽組成結構如圖3所示。

圖3 抗金屬標簽組成結構

EVA橡塑制品能夠緩震、隔絕外部環境，PPS外殼塑封能夠耐高溫、耐腐蝕，以及擁有良好的機械性能。

3.2 讀寫器及天線硬件設計

RFID讀寫器主要由一個應用處理單元、一個控制邏輯單元、一個用于與標簽進行無線射頻通信的耦合部件，以及多個功能模塊組成。此次設計的讀寫器包含ID識別模塊、讀寫模塊、安全模塊、離線模塊、RF模塊等多個功能模塊。

(1)ID識別模塊主要是針對單卡識別的有效作用范圍問題、多卡識別的防沖突算法問題、連續讀卡問題、次數和時間間隔問題。

(2)讀寫模塊主要針對的是單字節或多字節數據的讀取或寫入的字節長度、地址、有效儲存區等問題，可選用TID、EPC等多種識別方式。

(3)安全模塊主要針對的是標簽的Access通道密碼設置、Kill信息銷毀操作、Lock各種鎖定操作和EAS防盜竊功能等。

(4)離線模塊主要是在讀寫器與應用系統通信失敗時發揮作用，能自動將所識別的標簽信息及時間信息儲存在非易失儲存空間中。

(5)RF模塊：主要針對于工件的遠距離、高精度、動目標的識別。天線作為讀寫器的延伸受到讀寫器的控制，進而發生接收信號、發送信號和采集數據等行為。

讀寫器與天線、PC端的連接圖如圖4所示。

圖4 讀寫器與天線、PC端連線圖

RFID標簽與天線之間通過電磁波傳遞能量和信息，天線與讀寫器之間通過RF單穩態端口連接，讀寫器與電腦之間可通過以太網接口連接路由器，通過無線網完成通信。讀寫器在工作前首先要選擇正確的串口和波特率完成與上位機的聯機設置，配置完讀寫器參數、射頻參數、通信口參數、數據格式和I/O參數等諸多參數之后，根據讀寫器的實際配置和機器人生產線工序數量確定讀寫器、天線個數。本文采用配備2個讀寫器，每個讀寫器配有8個天線。讀寫器所讀取或寫入的信息存入一個數據庫中，MES軟件設置時間間隔從數據庫中掃描信息，過濾無關信息后，將有效信息整合生成文件，即完成RFID系統與數字化車間的信息交互。

3.3 基于RFID的機器人組裝調試數字化車間架構

此數字化車間分為5個功能區，16個工序與兩個讀寫器共16根天線一一對應。每個工序上各自安裝一個天線，只掃描當前工序上的RFID標簽。每個天線、RFID標簽具有唯一的身份ID，PC端可以根據身份ID精準判斷工件具體運動到什么位置、進行到車間的哪道工序。機器人組裝調試數字化車間架構如圖5所示，工序框圖如圖6所示。

圖5 機器人組裝調試數字化車間架構

圖6 工序框圖

零件配送區的三臺AGV小車分別為控制柜組裝區中的三個工序運送器件；控制柜組裝完成經檢測合格后運往機器人組裝區，與焊接工作區的動力線、編碼器線組裝完成后運往機器人調試區；調試合格即可運往成品倉，機器人生產及調試過程結束。RFID系統所承擔的信息采集內容覆蓋了機器人組裝和調試的全生命周期。機器人本體和控制柜組裝完成后，需要對機器人本體的部分參數進行檢測和優化。

4 機器人基礎參數檢測及優化

4.1 基于ACL-遺傳算法的實驗

最初由美國Michigan大學Holland教授于1975年提出來的遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)，是通過對自然進化過程進行模擬來實現搜尋最優解的一種方法[10]。本文采用遺傳算法對工業機器人基本參數進行優化，是以工業機器人位置作為樣本，根據多個不同位置獲得工業機器人耦合比、桿長、減速比、零點偏差、軸向等參數最接近于實際的數值。

以機器人的一個位姿為樣本,樣本總數為50個。首先通過API公司的激光跟蹤儀與機器人零點位置狀態下六軸所攜帶的SMR靶球搭建一個空間，此后機器人根據選定的坐標系運動，每次運動停止后六軸所攜帶的SMR靶球都會在建立的空間坐標系中生成一個點，將這個點的坐標(J1,J2,…,J6)作為一個采樣樣本。GA中變異概率設為0.1，交叉概率設為0.8。圖7為傳統的遺傳算法的絕對誤差。

圖7 傳統遺傳算法絕對誤差

傳統算法誤差很大，不滿足工藝要求，故本文引入自適應控制律(ACL)。剛體動力學方程為：

(16)

τc=KPE-Kdθ+G(θ)

(17)

式中：KP、Kd是對角增益矩陣。對同一組數據應用ACL-遺傳算法仿真后絕對誤差如圖8所示。

圖8 ACL-遺傳算法絕對誤差

通過對比圖7、圖8可以看出ACL-遺傳算法相對于傳統遺傳算法有效地降低了絕對誤差。ACL-遺傳算法流程如圖9所示。

圖9 ACL-遺傳算法流程圖

4.2 機器人基本參數優化

本文采用美國API公司的激光跟蹤儀(OT2)配合SMR靶球通過三角測距法對機器人位姿準確度、位姿重復性、位姿漂移特性、位置穩定時間和超調量、重復定位精度、最小定位時間等性能指標進行測試。主要介紹對機器人桿長、零位、減速比、耦合比參數的測試，并采用4.1節提到的ACL-遺傳算法對其進行優化。大體過程如下：

(1)輸入理論耦合比、桿長、減速比、零點偏差、軸向等機器人理論參數。

(2)采取50個點作為樣本，將理論點數據輸入到測試軟件中。

(3)以上述50個點為機器人運動軌跡并記錄實測數據，圖10為采樣點示意圖。

圖10 采樣點示意圖

(4)將實測數據與理論數據對比，若差距很小，可根據對比結果重新計算完成優化，否則檢測不合格。圖11為優化前后對比圖。

圖11 優化前后對比圖

每個采樣點都會記錄在圖10中，采樣時盡可能讓點均勻地分布在工作空間中這樣更利于數據的優化。圖11所示的絕對精度是指預測值與實際值之間的差值(單位：mm)。上方曲線代表校準前，可以看到曲線波動很大，各個點絕對精度差別大、不穩定。下方曲線代表優化后，絕對精度整體變小且曲線相對平滑。可見通過ACL-遺傳算法對機器人基本參數進行優化能夠達到優化效果。

5 結 語

RFID技術的應用解決了車間信息實時采集、處理問題，可以使生產的各個產品、各個工序處于監測管理之中。信息的實時采集和數字化管理軟件的配合組成了一個巨大的數字化信息網絡。對數字化信息網絡中大數據的分析有利于優化設計、提高質量。RFID技術的應用將有效解決傳統車間數據、管理、產品質量等問題，有利于數字化車間的構建和企業的長足發展。