工業(yè)機器人在自動化生產(chǎn)線分揀站的應用要素探索

曲翠翠

浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院，浙江杭州，310000

0 引言

現(xiàn)階段，工業(yè)機器人已經(jīng)被廣泛地應用在焊接、噴涂、搬運（碼垛）以及裝配等領域。在沒有引入機器人之前，分揀流水線上的產(chǎn)品主要由人工來碼放，在企業(yè)業(yè)務量不斷增加的背景下，在分揀活動中若依舊采用傳統(tǒng)的人工碼放方式，不僅會降低工作效率，而且還會增加人工成本，影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益。將工業(yè)機器人引入到自動化生產(chǎn)線分揀站工作活動中，不僅可以減少產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，而且能夠提升分揀站生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益。

1 工業(yè)機器人運動學原理分析

在工業(yè)機器人運動學分析活動中，需要依托歐式空間來搭建笛卡爾右手坐標系（下簡稱D-H坐標系），在坐標系的建設中應注意以下內(nèi)容。

建立工業(yè)機器人每個桿件相對應的D-H坐標系（如圖1所示），以此來描述工業(yè)機器人在運行時的三維運動，為了便于對各桿件運行狀態(tài)進行分析，也會將相鄰桿件坐標系關聯(lián)在一起，建立系統(tǒng)的D-H坐標系。

圖1 連桿桿件D-H坐標系示意圖

每一個單獨的坐標系都會進行命名，而且為了準確分析工業(yè)機器人目前的工作狀態(tài)，也會在體系中添加固定參照物。一般情況下，用于分揀的工業(yè)機器人底座是處于固定的狀態(tài)，因此會圍繞基座建立基坐標系。

確定桿件的工作參數(shù)，以圖1為例，其包含的參數(shù)及含義如下：①桿件的移動長度ai，表示桿件沿著Xi方向上，從Zi移動到Zi+1位置的距離；②桿件的移動長度αi，表示桿件沿著Xi方向上，從Zi移動到Zi+1位置所轉(zhuǎn)動的角度；③桿件偏移的距離di，表示從Zi到Xi之間的距離；④桿件關節(jié)位置的轉(zhuǎn)動角度θi，表示桿件圍繞Zi，從Xi-1到Xi所需要旋轉(zhuǎn)的角度。基于這些參數(shù)可以對工業(yè)機器人整個工作過程進行量化描述。

2 工業(yè)機器人工作流程分析

如圖2所示，工業(yè)機器人工作車間，共設有兩條傳送帶和兩個碼垛臺，其具體的工作流程如下。①在1號傳送帶的供料進入光電傳感器1感知范圍內(nèi)之后，此時光電傳感器會將檢測信號傳輸給控制系統(tǒng)（PLC程序），在控制系統(tǒng)完成信息處理后向工業(yè)機器人下達工作指令；②工業(yè)機器人根據(jù)接收到的指令，移動機械臂對1號傳輸帶上的供料進行夾取，旋轉(zhuǎn)機身將夾取的供料轉(zhuǎn)移到碼垛臺1上方，根據(jù)既定的擺放程序，擺放到碼垛臺目前空缺的位置；③此時系統(tǒng)碼垛臺1的計數(shù)“+1”，在達到預設數(shù)值后，此時傳輸帶1上的指示系統(tǒng)會顯示綠燈，提示該碼垛臺已經(jīng)完成堆放任務，需要進行碼垛盤的更換。自動化生產(chǎn)線中達標的碼垛盤會自動轉(zhuǎn)移到下一作業(yè)區(qū)域，同時也會更換新的碼垛盤；④系統(tǒng)檢測到新碼垛盤后，計數(shù)會清零，開始下一個循環(huán)操作過程；⑤若傳送帶同時傳來供料，那么系統(tǒng)會根據(jù)程序接收的先后順序依次進行夾取，為避免堆積，傳送帶也會放慢運行速度，等待供料成功轉(zhuǎn)移后，恢復正常速度的運輸狀態(tài)。

圖2 工業(yè)機器人工作車間仿真示意圖

3 工業(yè)機器人在自動化生產(chǎn)線分揀站的應用要點

3.1 碼垛系統(tǒng)

碼垛系統(tǒng)作為自動化生產(chǎn)線分揀站上的基礎系統(tǒng)，其主要由以下內(nèi)容構(gòu)成。

（1）傳送帶，其在工作時的主要作用是將供料從某一位置轉(zhuǎn)移到指定位置，其構(gòu)造相對簡單，主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：①驅(qū)動裝置，是確保傳送帶可以穩(wěn)定運行的動力源，其主要是由電動機、減速器等設備組成；②傳動裝置，是供料順利傳動到指定位置的重要載體，主要有輸送帶、托輥、滾筒等設備構(gòu)成；③張緊裝置，作用是靈活調(diào)整傳送帶的松緊狀態(tài)，以確保供料可以穩(wěn)定傳輸?shù)街付ㄎ恢?；④變頻裝置，與光電傳感器、PLC程序組成聯(lián)動裝置，用來控制傳送帶運行速度，避免供料堆積問題。

（2）工業(yè)機器人，根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)、生產(chǎn)內(nèi)容的不同，選擇相應載重能力、位移能力、臂展能力、定位精度、轉(zhuǎn)向能力、高度調(diào)節(jié)能力的工業(yè)機器人，確保碼垛活動的有序進行。

（3）光電傳感器，是利用光電元件制作的檢測元件，會將其安裝在傳送帶的起始位置和接近尾部的位置，實現(xiàn)對供料位置的快速定位，便于工業(yè)機器人執(zhí)行相關操作。

3.2 電氣系統(tǒng)

在工業(yè)機器人的工作中，主要以電力作為主要的驅(qū)動力，因此為確保工業(yè)機器人工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，需做好電氣系統(tǒng)的設計工作。通常情況下設計中會設計一個集成化程度較高的電控箱，該電控箱會由一個或多個開關構(gòu)成，搭配著相應的控制系統(tǒng)、保護裝置，與外部機械設施共同組成了整體運營系統(tǒng)。在電氣系統(tǒng)的具體應用中，包含了以下內(nèi)容：①可編輯邏輯控制器（PLC系統(tǒng)），用于動態(tài)控制整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，下文中會進行詳述；②漏電開關與熔斷器，在電氣系統(tǒng)運行時出現(xiàn)漏電問題時，此時漏電開關打開，相關聯(lián)的熔斷器斷路，以保護系統(tǒng)正常的運行狀態(tài)；③電源，主電源是工業(yè)用電提供的交流電或直流電，備用電源為UPS電源，在出現(xiàn)突發(fā)斷電問題時可以在某個時間段內(nèi)提供電力供給，維持設備正常的工作狀態(tài)；④其他配件，如中間繼電器、連接線路、保護器等。

3.3 控制系統(tǒng)

3.3.1 PLC控制程序

在工業(yè)機器人工作中，會將PLC作為運行時的中央處理系統(tǒng)，其工作原理對操控界面上不同傳感器傳輸?shù)姆答佇畔⑦M行整理，根據(jù)整理結(jié)果向工業(yè)機器人下達啟動、夾取、轉(zhuǎn)向等指令，屬于整個控制系統(tǒng)中的核心組件。結(jié)合現(xiàn)場運行的實際需求，為了提高所設計程序的可理解性，會將整個系統(tǒng)的框架拆分成若干模塊，包括機械臂動作模塊、計算機視覺模塊、轉(zhuǎn)向模塊等。在PLC程序的設計中包含了以下內(nèi)容：①PLC和計算機視覺模塊、機械臂動作模塊關聯(lián)在一起的系統(tǒng)程序，用于監(jiān)督和調(diào)整工業(yè)機器人機械臂的操作過程；②人機交互界面程序，作用是抽查工業(yè)機器人的碼垛情況和夾具工作狀態(tài)；③運動程序，即供料從傳送帶開始傳動，一直到完成碼垛操作，對整個過程的執(zhí)行順序、時間順序進行監(jiān)督與動態(tài)調(diào)整，以此來提高系統(tǒng)運行狀態(tài)的安全性與高效性。

3.3.2 I/O接線端口

在控制系統(tǒng)工作過程中，會借助I/O接線端口來完成信息交互，而工業(yè)機器人各模塊（如傳感器模塊、電源模塊等）也會依托各自I/O接線端口向控制系統(tǒng)傳輸相應信息，最后由控制系統(tǒng)對傳輸信息進行統(tǒng)一處理，為設備運行、維修等工作的展開提供良好保障。在系統(tǒng)的運行中，主要會依托傳感器模塊來采集系統(tǒng)的運行信息，在整個控制系統(tǒng)中可以將其看做是輸入信號，而控制系統(tǒng)得到這些輸入信號后，也會利用PLC程序?qū)@些信號的邏輯關系進行判斷，并利用計算公式對其進行運算處理，從而得到相應的輸出信息，指揮工業(yè)機器人進行相應操作[1]。另外，在系統(tǒng)具體的運行中，也會基于通信電纜模板接口來確定字節(jié)地址與位地址，從而確定信號發(fā)出位置，幫助系統(tǒng)快速鎖定系統(tǒng)故障位置，加快故障問題的檢修效率。

3.4 視覺系統(tǒng)

3.4.1 視覺坐標系

在工業(yè)機器人工作過程中，所使用到的視覺坐標系如下。

（1）世界坐標系，該坐標系的主要作用是準確描述某物體在三維空間中的絕對位置，這也是確定工業(yè)機器人機械臂轉(zhuǎn)矩、角度等參數(shù)的重要參考指標。

（2）相機坐標系，將工業(yè)相機的光心作為系統(tǒng)運行時的坐標原點，將相機的光軸作為x軸，建立三維坐標系，輔助工業(yè)機器人進一步確定工作坐標。

（3）像素坐標系，將光電傳感器獲取到的圖像信息轉(zhuǎn)換為平面圖像，將圖像左上角作為坐標系原點，建立平面坐標系，從而對目標像素點（供料位置）進行確定。

（4）圖像坐標系，在獲取到平面圖像后，將圖像中心作為原點來建立平面坐標系，從而確定目標圖像點的相對位置。

上述四種坐標系都是工業(yè)機器人定位供料位置的常用坐標系，而四類坐標系也存在著 轉(zhuǎn)換關系，即世界坐標系通過剛性轉(zhuǎn)換可以得到相機坐標系，相機坐標系通過透射投影可以得到圖像坐標系，而圖像坐標系經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換便可以得到像素坐標系。依托PLC控制系統(tǒng)可以對多坐標系內(nèi)容進行整理與分析，以此來提高定位結(jié)果的準確性[2]。

3.4.2 手眼標定系統(tǒng)

在手眼標定系統(tǒng)的應用中，又可以細分為以下兩種系統(tǒng)。①EIH系統(tǒng)，該系統(tǒng)會安裝在機械手臂前端，是基于世界坐標系和相機坐標系之間的相對位置，來動態(tài)捕捉工業(yè)機器人的運動變化，在機器人手臂末端逐漸靠近物體時，此時物體的相對位置參數(shù)也會得到不斷修正，而且依托于兩種坐標系之間的相互關系，也可以更好地進行視覺控制，以得到準確的定位結(jié)果，順利完成目標物體的夾取與轉(zhuǎn)移。②ETH系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將工業(yè)相機安裝在工作區(qū)域的固定位置，以此來建立圖像坐標系與像素坐標系，工業(yè)機器人機械手末端在運動時會看做是點靠近另一點（目標物體）的過程，根據(jù)兩者相互間的位置關系，來準確完成相應的操作指令[3]。

3.5 安全系統(tǒng)

工業(yè)機器人在分揀活動中，確保其運行安全性也屬于非常重要的工作內(nèi)容。基于PLC程序工作特征，設計safety bus保護系統(tǒng)，搭配著相應的安全裝置，能夠?qū)ο到y(tǒng)安全運行情況進行實時監(jiān)督，在發(fā)現(xiàn)隱患問題后可以對接系統(tǒng)進行報警，同時根據(jù)安全威脅的影響情況，對設備采取繼續(xù)運行、停機保護等操作，確保工業(yè)機器人運行過程的安全性。安全系統(tǒng)在應用中，聲光報警模塊是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要結(jié)構(gòu)，在對該模塊相關設備進行選擇時，需考慮其時效性、準確性，以提高安全隱患發(fā)現(xiàn)的及時性，減少系統(tǒng)故障問題[4]。

3.6 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)的設計是對工業(yè)機器人工作狀態(tài)進行監(jiān)督，這樣也可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行問題，及時采取措施進行處理，以提高工業(yè)機器人工作效率與工作質(zhì)量。在系統(tǒng)的具體應用中，會選擇具有觸摸功能的顯示屏，而且對于整個系統(tǒng)中的不同控制單元，也會分配相應的觸摸屏，基于I/O端口完成信息交互，形成良好的工業(yè)機器人工作聯(lián)動系統(tǒng)。并且在各單元觸摸屏上也會布置指示燈、操作按鈕等結(jié)構(gòu)，借助人為干預的方式來確保系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，在出現(xiàn)一些故障問題后，這些故障的解決過程也會通過人機交互界面來展示故障位置、故障修復過程，從而為系統(tǒng)完善提供可靠的數(shù)據(jù)支持，提高工業(yè)機器人工作狀態(tài)的穩(wěn)定性[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)機器人作為新技術不斷拓展背景下的產(chǎn)物，在許多自動化生產(chǎn)線中都有著良好應用。自動化生產(chǎn)線具有較高的自動化水平，可以根據(jù)既定程序，有序完成自動化生產(chǎn)任務，具有生產(chǎn)效率高、成品質(zhì)量高等優(yōu)勢。通過整理工業(yè)機器人在分揀站中的應用要點，一方面，可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量；另一方面，能夠提高工業(yè)機器人在分揀活動中工作狀態(tài)的穩(wěn)定性與安全性，以此來確保產(chǎn)品的合格率，為生產(chǎn)體系優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。