流水生產線產品抽檢抓手的應用

李文平

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

產品抽檢抓手屬于設備機械化發展過程中出現的一種新型裝置，尤其在近年來電子技術不斷發展與變革的社會背景下，將電子技術與計算機技術進行融合，進行機器人與智能化設備的開發與生產，已成了我國高新技術研究領域的關注重點與研究焦點。使用產品抽檢抓手對流水線生產產品進行質量檢測，不僅可以實現抽檢過程的人機交互，同時也可以更好地將機械與自動化技術進行動態融合[1]。使用機床設備，將其與產品抽檢抓手進行動態化融合，構建一個具有柔性加工性能的質量檢驗單元，用于機械工程中大型與小型設備流水生產線，使機械生產的過程更加規范。產品抽檢抓手的適應性較強，不會因外界運行環境的干擾而出現異常運行問題，并且使用柔性化生產系統控制產品抽檢抓手，當機械手中某個零部件發生故障需要被更替時，可采用直接替換的方式對其進行結構更新，該方式可進一步滿足并適應市場對流水生產線產品抽檢的需求[2]。目前，我國針對產品抽檢抓手的研究，相比于國外而言，仍存在一定的距離，無論在制造水平或生產方式上均與其存在某種程度上的差距。因此，設計流水生產線產品抽檢抓手的應用流程，在經濟與技術層面，提高流水線生產質量，為我國市場經濟發展帶來收益。

1 流水生產線產品抽檢抓手的應用

1.1 產品抽檢抓手剛體運動力學分析

在開展與該方面相關的研究前，應當明確產品抽檢抓手在常規運行條件下的關鍵技術與工藝參數[3]。對于該方面相關內容的描述如下表1 所示。

表1 產品抽檢抓手關鍵技術與參數描述

該文研究的產品抽檢抓手，通過使用PLC 作為控制抽檢抓手運動的主控制板，搭載傳感器與檢測技術，使抓手控制系統具有較高的運行穩定性與外界信息抗干擾能力，同時，通過控制算法的使用，使流水生產線產品抽檢抓手具備一定的智能性與可操作性[4]。圖1 為抓手原理圖。

圖1 抽檢抓手原理圖

在抓手抓取功能方面，通過對抓手的動力學分析，可實現對抓手與計算機終端的人機交互，確保抓手執行某種行為或動作的正確性與實用性。

在掌握與流水生產線產品抽檢抓手相關的內容后，可從自由度角度，對產品抽檢抓手的剛體運動力學進行分析，在對其進行分析前，應當先掌握此種抓手是由靜平臺、夾持機構（吸盤）、主動臂等結構構成，其中每個抓取運動臂在吸盤中的夾角均為120.0°，運動鏈由1 個主動抓取臂與一個從動運動臂構成，4 個球形附件與運動桿構成1 個完整的閉環運動結構。終端控制設備通過調制伺服電機的運動角度，對產品抽檢抓手的運動運行進行控制，確保抓手可以在流水生產線內進行自主運動[5]。基于空間運動層面分析，可將O點定義為吸盤固定點，與之對應的參考坐標表示為r=[x，y，z]，其中x，y，z分別對應抓取過程中，3 個主動臂的運動方向，在進行產品抽檢抓取過程中，r可以表示為主動臂的運動半徑，此時經過靜平臺的運行理論推導，可得到針對抓手剛體運動行為的結構角度。推導公式如下。

式中：ei表示為抓手剛體運動行為的力學角度；e表示為并聯產品抽檢抓手的夾角；βi表示為外接半徑差；T表示運動距離。根據上述計算公式，可依次推導出終端抓取驅動電機的轉動角度。計算公式如下。

式中：θi表示為流水生產線產品抽檢抓手在抓取生產產品時，主動臂的旋轉角度；Gi表示為兩端裝置位移；Fi表示為從動臂的臂長；Ei表示為基于力學角度分析得出的抓手夾角。

按照上述推導公式，可持續得出與產品抽檢抓手剛體運動相關的速度參數與運動加速度參數。以此完成對產品抽檢抓手剛體運動的力學分析。

1.2 設計抓手抽檢的抓取運動軌跡

為了確保產品抽檢抓手的應用可以在流水線生產中起到較好的作用，需要對其完成力學分析后，進行抓手抽檢過程中抓取運動軌跡的設計與分析。通過合理規劃抓手抓取軌跡的方式，不僅可以提高產品抓取抽檢過程中伺服電機運動的順暢性，同時也可以在一定程度上解決慣性負載問題，從而提高末端執行器的精度與速度[6]。而在規劃其運動路徑時，需要根據流水生產線的抽檢需求，在擺脫外界等相關因素對其產生干擾的前提下，在生產線操作過程中，設計一條在操作平臺內合理移動的抓手抓取路徑，以此達到高效率、高質量隨機抽檢的目的。

結合流水生產線產品抽檢抓手的抓取任務要求，可初步設計一個抽檢抓手在操作平臺的運動軌跡。如下圖2 所示。

根據上述圖2 中設計的抽檢抓手運動軌跡，可知抓手在進行流水線產品抽檢時，先從A點定位到隨機抽檢產品在流水線傳送帶上的位置，在抓取產品后，抽檢抓手依靠吸盤，對產品進行提升處理，當達到B點位置時，抽檢抓手開始做平移運動，將抓取的產品放置在抽檢傳送線帶中的C點位置，并在達到C點位置時，抽檢抓手垂直下移，持續從D點進行流水線產品隨機抽樣。在上述提出的運動軌跡中，A點到B點的距離、B點到C點的距離，需要根據生產現場的實際情況再行設計。

圖2 抽檢抓手在操作平臺的運動軌跡

盡管上述設計的運動軌跡可以滿足流水線產品抽檢需求，但考慮到在傳輸帶拐角位置抽檢產品時，可能會由于抓手運動不當，出現抓取產品時，帶動其他產品掉落的問題[7]。因此，需要在上述設計軌跡的基礎上，對其抓取線路進行優化。如下圖3 所示。

圖3 優化抽檢抓手在操作平臺的運動軌跡

在上述圖3 提出的抓取運動軌跡中，抽檢抓手從A點移動到D點，此時，D點的產品為隨機抽檢的目標產品，I點位樣本一次抽檢的終點路線。此時，抽檢抓手的作業路線可以為A點→B點→C點→D點→E點→F點→G點→H點→I點。在該過程中，抽檢抓手需要進行目標產品的抓取、位置點轉移、抽檢產品放置等行為。考慮到抽檢抓手的末端執行軌跡大多位于X-Y水平面，一般情況下末端執行軌跡是平行于Y軸的，而此時待抓取的產品位置在流水生產線中較為隨機，因此，可以認為無論抽檢抓手在任何一個待抓取區域內，均可按照圖2 所示的運動軌跡抓取流水線產品。當抽檢抓手從終端視覺傳遞端口獲得目標樣本在流水生產線中的X-Y水平坐標后，運動平臺均將抽檢抓手迅速移動到指定瓶子位置，通過這種方式，設計抓手抽檢的抓取運動軌跡。

1.3 下機位通信與流水生產線產品復檢

為了進一步落實抽檢抓手在流水生產線中的應用，需要在完成上述相關設計的基礎上，對下機位通信進行設計。由于抓手的操控大多需要后臺2 個工控機作為支撐，其中1 臺工控機用于控制抽檢抓手的抓取行為與運動行為，另一臺工控機用于進行圖像處理。同時要求終端的2 臺工控機處于一種實時通信狀態，只有2 臺工控機的運行數據能夠進行交互與傳遞，才可以確保抽檢結果的正確性與實用性。在該過程中，需要對工控機的串口號、波特比率進行校驗，并要求終端坐標口顯示抓手的傳遞坐標，坐標不僅應包括X與Y的位置信息，同時也應當包括目標產品的空間信息Z，在完成對坐標位置的顯示后，需要在傳輸的信息前端與后端同時加上終止標志位“！”與“#”，代表終止目標產品的抽檢行為。

當上機位公布的規劃數據顯示完全后，應當控制抓手的目標軌跡，由于抽取行為是在終端移動設備控制下實施的，因此，終端操作設備會將獲取的位置信息自動傳輸到前端，并在前端顯示一個完整的預設軌跡，運動軌跡中包括坐標位置點信息、控制點信息、軌跡檢測點信息等。當抓手完成對流水線生產產品的抓取后，產品將被移動到檢測傳送帶，該傳送帶中集成了傳感器，當流水線產品被放置到傳送帶上時，終端位置將自動對抽檢的產品進行質量檢測，一旦檢測出現質量問題，將會觸發終端警報。當對其質量檢測無誤后，傳送帶將自動掃描產品外型，檢測流水生產線產品外型與預設的外型是否存在顯著差異，一旦出現差異，上機位將連通前端通信裝置，對該產品進行預警。當抽檢傳送帶中出現多個產品的預警后，抽檢抓手將同樣按照圖2 所示的運動軌跡，對目標產品進行再次抓取，將流水生產線中不符合生產標準的產品放置到指定位置，達到對流水生產線產品復檢的目的。從而對流水生產線產品抽檢抓手的應用進行設計與規劃。

2 實例應用分析

為了進一步驗證該文上述流水生產線產品抽檢抓手在實際應用中的效果，按照上述設計要求，對抓手樣機進行制作。抓手共包括上位機、電氣和機械3 個組成部分，對樣機的制作只包括抓手本體，針對其動平臺部分，并沒有安裝相應的吸盤或其他抓手機構。為了確保該文最終驗證的準確性，對上述制作的抓手樣機進行測試。根據實際運行需要對其軌跡進行預設，并對抓手從原點靜止狀態到目標點運動狀態整個運行軌跡進行跟蹤。根據表2 中內容，對抓手在運行過程中的角度進行設定。

表2 產品抽樣抓手運行角度設定表

按照上述角度設定要求，在同一立體坐標系中，將上述制備的抓手樣機的目標位置設定為（-120，-150，-550），將放置點的位置設定為（120，150，550），將抓手的中心點坐標設置為（0，0，-452）。按照對應的位置，讓抓手運動到相應的目標位置，并在其運動過程中，確保上位機、通信等各類設備能夠穩定運行，并且使抓手自動規劃運行軌跡。為驗證該文提出的流水生產線產品抽檢抓手是否能夠達到高精度運行效果，將其運行過程中的角度誤差作為測試評價指標，將其記錄結果記錄如表3 所示。

根據表3 中記錄數據可以看出，該文設計的流水生產線產品抽檢抓手在實際運行過程中，能夠在上位機、通信等設備正常運行的狀態下，將運行角度誤差控制在0.03°以內，滿足抓手運行的高精度需要。因此，通過實例應用測試的方式進一步證明，該文設計的流水生產線產品抽檢抓手運行精度更高，將其應用于實際產品生產檢驗環節能夠進一步提高檢驗精度以及檢驗效率。

表3 流水生產線產品抽檢抓手測試結果記錄表

3 結語

在社會科學技術不斷發展的社會背景下，智能化技術得到了廣泛應用。其中流水生產線產品抽檢抓手便屬于現代化社會在不斷發展與實踐中的產物，機械手的應用，不僅實現了對工業化生產制造產品精度的提升，同時，通過機械作業，也在某種程度上降低了生產制造中人工行為的危險性。例如在化工生產中，部分生產原材料是存在有毒或放射性物質的，倘若使用流水生產線產品抽檢抓手進行該類貨物的搬運與下料，便可避免工作人員接觸危險物質。此外，使用智能抓手抓取零件，將其與其他結構的零件進行緊密結合，可以使結構密度更高。通過該方式，提升產品生產質量。因此，在后期還需要在該方面進行更加深入的研究，通過優化抓手結構的方式，使流水生產線產品抽檢抓手在市場中具有更高的應用價值。