基于ABB機器人的柔性分揀系統設計

陳東青

(廣州城市理工學院機械工程學院，廣東廣州 510800)

0 前言

瓶體包裝是商品包裝的主要形式之一。為確保包裝質量與商品外觀，生產環節中需對瓶體進行分揀。傳統人工分揀雖不受瓶體變化影響，但效率慢且勞動強度大。隨著人工成本提高，自動化分揀、柔性分揀等應用需求日趨迫切。

一般瓶體分揀線上的機構除了滿足上料、分揀等功能需求外，同時還需輔助機構滿足機器視覺[1-3]等智能檢測的條件。如一般機器視覺系統由于受限于光源、成像范圍等因素，需要檢測輔助機構對檢測對象進行定位。張英坤、陶玉娥[4]在其設計的系統中采用瓶旋轉機構確保將瓶體送入成像范圍；段春梅等[5]控制旋轉平臺實現每次旋轉瓶體120°。這些方法實現了對某類瓶體的自動化檢測分揀，但機械結構僅適用于當前瓶體，柔性化程度低。

由于一般生產線上的機構為按某一類或幾類產品設計，適用范圍有限。因此，在柔性化生產需求的背景下，上料機構、檢測輔助、分揀機構成為柔性化生產必須解決的問題。區分于傳統機械自動化，工業機器人因機構可靈活調整及智能控制系統，在柔性生產中的作用尤為突出[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變化且轉產頻繁的情況，設計基于ABB機器人的柔性分揀系統。系統以三菱PLC為核心，觸摸屏作為人機操作界面，協同雙機器人、伺服夾爪作為執行機構，實現測前上料、檢測輔助與測后分揀的柔性作業。

1 工況分析與系統設計

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要求如下：

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

(2)檢測輔助環節，工作站采用線掃描成像，要求在保持瓶子表面與相機檢測方向垂直且檢測距離穩定的狀態下，將瓶子勻速轉動一周，以實現整圓柱表面的掃描成像。

(3)測后分揀環節，根據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的瓶子尺寸、檢測范圍、夾爪等主要參數如圖2所示。

圖1 瓶子與檢測示例

圖2 主要參數

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為該類型瓶子穩定夾持所需的接觸距離；檢測范圍參數中檢測距離L1調試確定后為定值，單次檢測中檢測面位于檢測寬度L2的中間，以確保檢測穩定性。

當瓶子尺寸變化時，需處理的柔性分揀問題有以下3點：

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

(2)檢測輔助環節，檢測面高度h1變化，要求對準檢測寬度中間的位置調整，同時若檢測面高度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，要求調整夾爪閉合距離。

1.2 系統設計

根據工況分析，設計基于工業機器人的柔性分揀料系統，系統結構如圖3所示。

圖3 系統結構

針對位置調整的問題，采用ABB工業機器人作為執行機構，其Offs功能指令可實現示教位置在指定坐標方向上的平移，實現位置的靈活調整。且ABB支持一臺控制器帶兩臺本體的配置，在程序設計上采用雙任務進程，根據上料、檢測、分揀的動作節拍，雙工業機器人交替動作，保證分揀效率。另外，ABB的RobotStudio仿真軟件可進行場景搭建與仿真調試，圖4所示為搭建的布局示意。

圖4 雙機器人布局示意

PLC與觸摸屏在自動化領域中應用廣泛[10-12]。系統采用三菱PLC與觸摸屏作為系統中心實現各個設備的協同運作，其中通過IO與檢測設備等進行信號交互，信號分配如表1所示。同時，通過RS232通信與ABB控制器進行數據傳輸與流程控制[13]。

表1 PLC分配

夾持類執行器通過智能控制可實現柔性生產[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行器，可在夾爪行程與深度范圍內適用于不同瓶子。

2 柔性設計

2.1 上料與分揀環節

根據不同尺寸瓶子的取放、檢測中的位置變化情況，基于ABB工業機器人的Offs平移功能，根據瓶子尺寸實現位置的自動調整。

圖5所示為瓶子在輸送帶上的夾持位置示意，輸送帶一側為活動擋板，通過調節活動擋板適用于不同的瓶身直徑。

圖5 夾持位置示意

以輸送帶固定頂點為原點，建立工件坐標XOY(下面程序中記為wobj_Grip)。將基準瓶型直徑記為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，示教基準瓶型的夾取點，記錄于程序如下：

MoveL pGrip_0，speed，fine，tool_GripWObj：=wobj_Grip；//示教基準瓶型的夾取點采用直線插補指令記錄該位置

通過Offs指令，基于公式(1)(2)的計算結果，賦值新的夾取點：

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

通過調用該夾取位置程序，即可實現相關瓶型的夾取位置調整：

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

同理，根據放置情況設置工件坐標，分別可得合格品與瑕疵品的放置位平移量。

2.2 檢測輔助環節

圖6所示為瓶子在檢測位置示意，以夾爪末端工具坐標為參考，相對于基準瓶型，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指令結合公式(4)—(6)計算結果，可實現相關瓶型的檢測位置調整。

另外，在檢測位置旋轉一周的示例程序如下，pTest1與pTest1_C兩點的末端位置一致，僅第六軸前后度數分別為-180°與180°，通過關節插補實現第六軸旋轉一周。

MoveL pTest1,speed,fine,tool_Grip; //再運行至檢測位置

MoveJ pTest1_C,speed_C,fine,tool_Grip; //第六軸旋轉一周

2.3 夾爪的閉合控制

伺服夾爪采用脈沖控制運動距離，記由開限位至夾取基準瓶型時的脈沖數為P0，結合夾爪行程，當瓶口直徑變化時，夾持脈沖為

(7)

2.4 數據存儲與分析

位置調整與夾爪控制功能中的數據存儲與分析由PLC控制器完成，主要數據寄存器如表2所示，可分為通信數據、執行數據、設備參數、基準數據、瓶子數據。

表2 主要數據寄存器

通信數據為D0與D10，通過RS指令與ABB控制器進行通信，程序格式RS D0 K1 D10 K1。

執行數據為D100-D107，根據當前執行瓶子類型，存儲公式(1)—(7)的計算結果，通過RS指令發送給ABB實現位置調整，以及控制夾爪的夾持脈沖。

設備參數為D200-D205，存儲設備參數，供計算調用。

基準數據為D210-D217，存儲示教過程中選定的基準瓶子數據，供計算調用。

瓶子數據為由D220起5個為一組，依次記錄瓶子數據，可通過觸摸屏增減或修改，執行時進行調用。

3 系統流程

3.1 操作流程

系統操作流程如圖7所示，分為自動運行、手動操作與參數設置。系統調試階段為手動操作，通過各設備手動調試，示教基準瓶型的取放、檢測位置，并在觸摸屏界面中設置相關參數，為自動運行作準備。轉產階段僅需通過參數設置調用或設置瓶子類型參數，系統計算執行數據供自動運行調用。

主要依靠泥漿密度調整壓力和應力平衡，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。所以沉積巖維護孔壁穩定主要采用泥漿護壁技術，當泥漿護壁技術無法滿足壓力、應力或物化動態平衡時，采用套管固井隔離。

圖7 操作流程

3.2 自動流程

系統以三菱PLC作為控制中心，協同ABB機器人、伺服夾爪、檢測設備及其他設備進行自動化作業。其中，兩臺機器人的自動模塊并行運行，通過RS232通信中的命令與狀態信息，由PLC進行自動流程控制。命令與狀態如表3所示，部分程序如圖8所示。

表3 命令與狀態

圖8 ABB的程序示例

由PLC協調ROB1與ROB2依次運行子模塊：夾取模塊、檢測模塊、合格品或瑕疵品放置模塊，其中ROB1先運行一節拍，且PLC實時監測兩機器人狀態，避免干涉。

兩機器人的子模塊功能相同，圖9所示為ROB1夾取流程，由PLC控制機器人與伺服夾爪在夾取過程中的協作，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控制機器人與檢測設備在檢測過程中的協作。

系統自動運行過程可通過觸摸屏界面進行監控，如圖11所示。包括生產數據與狀態監視功能，其中機器人狀態顯示ROB1與ROB2對應表3，夾爪狀態為張開與閉合，檢測設備為待機與運行，檢測結果顯示剛結束的檢測結果，待機為無，結果為合格或不合格。

圖11 自動運行(a)與設置(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 結語

針對工作站需要適用于不同尺寸圓柱瓶且轉產頻次較高的柔性生產要求，基于ABB工業機器人的平移功能，根據工裝情況設置坐標系，實現相對示教的基準瓶子，進行上料、檢測、分揀等位置的調整；且采用伺服電機驅動夾爪，適用于不同尺寸的瓶口夾取。以PLC為控制中心，協同雙機器人、伺服夾爪、檢測設備及其他設備的自動運行。設計觸摸屏界面，實現系統運行監控及各項參數的設置，便于柔性生產現場的設置與轉產操作。

系統適用于圓柱瓶子在一定尺寸變動范圍內的分揀作業，且系統操作便捷，對工業機器人推廣應用具有一定意義。