（湖南科技職業(yè)學(xué)院 智能裝備技術(shù)學(xué)院，長沙 410004）

0 引言

隨著科技進步和企業(yè)之間競爭加劇，各類智能化生產(chǎn)線不斷出現(xiàn)。企業(yè)自動化生產(chǎn)線的智能化程度和生產(chǎn)效率成為企業(yè)之間市場競爭的關(guān)鍵。合理的生產(chǎn)線節(jié)拍是生產(chǎn)線設(shè)計與規(guī)劃的重要內(nèi)容，它既是成功組織生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)線平衡的前提條件，又直接關(guān)系企業(yè)的生產(chǎn)效率。然而，生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計和調(diào)試費時費力，而且一旦訂單需求發(fā)生改變，又可能需要重新設(shè)計和調(diào)試節(jié)拍[1]。近年來，并聯(lián)機器人因運動靈活、運動精度高等優(yōu)點，被食品生產(chǎn)企業(yè)用于糖果、巧克力、月餅等產(chǎn)品的分揀、裝盒。機器人的運動規(guī)劃，及其與生產(chǎn)線節(jié)拍的協(xié)調(diào)問題是這類生產(chǎn)線設(shè)計中的重要問題。如果能在制造出生產(chǎn)線之前，或在不影響正常生產(chǎn)的條件下，模擬出機器人與生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)運動，進行生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計和仿真，則能縮短設(shè)計調(diào)試的時間，節(jié)省資源，避免不必要的返工。

文獻檢索發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的仿真研究多以焊接生產(chǎn)線為對象[2-5]，食品包裝生產(chǎn)線仿真研究較少。從使用的工具看，有些研究者使用Flexsim、ExSepct等工具進行生產(chǎn)線的仿真優(yōu)化[6-7]。這一類研究側(cè)重于生產(chǎn)線資源配置、布局或生產(chǎn)節(jié)拍的研究，未涉及機器人與生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)設(shè)計。還有研究者運用Tecnomatix Process Simulate、Delmia、Robotstudio等工具對含機器人的生產(chǎn)線進行仿真研究，主要涉及機器人的上下料、碼垛等，較少涉及到包含復(fù)雜控制的多條生產(chǎn)線運動仿真[8-11]。

本文在離線編程與仿真軟件Robotstudio中搭建了某巧克力裝盒生產(chǎn)線的仿真模型。對生產(chǎn)線上的并聯(lián)機器人進行了運動規(guī)劃，分析了生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計的原則。在此基礎(chǔ)上，進行Smart組件設(shè)計制作和機器人離線編程，實現(xiàn)了復(fù)雜流水線運動和機器人運動仿真。基于該仿真模型進行了巧克力裝盒生產(chǎn)線的節(jié)拍設(shè)計。

1 創(chuàng)建裝盒生產(chǎn)線仿真模型

并聯(lián)機器人具有靈活性高、占地面積小、精度高等優(yōu)勢，能高效的處理輸送裝置上的流水線產(chǎn)品。根據(jù)工作范圍要求，選用ABB的IRB 360-1/1600型并聯(lián)機器人，下文簡稱IRB 360。ABB機器人配套的軟件Robotstudio，具有強大的離線編程和仿真功能。為了創(chuàng)建巧克力裝盒生產(chǎn)線仿真模型，首先在三維軟件中創(chuàng)建了輸送裝置、巧克力托盤及巧克力等模型。然后，將模型導(dǎo)入Robotstudio，進行生產(chǎn)線布局。圖1為該巧克力裝盒生產(chǎn)線的整體布局及仿真模型。

2 巧克力裝盒生產(chǎn)線仿真設(shè)計

2.1 并聯(lián)機器人運動規(guī)劃

對并聯(lián)機器人的裝盒運動軌跡進行了具體設(shè)計。IRB 360末端法蘭盤上安裝有吸盤，在吸盤末端的中心處定義工具坐標系（TCP）。為了提高生產(chǎn)效率，巧克力拾取位置與托盤裝盒的位置之間的距離應(yīng)盡量小。對機器人路徑和運動軌跡進行了規(guī)劃，如圖2所示。從a→b→c，機器人從安全點到巧克力拾取點，吸附起巧克力。從d→e→f，機器人從過渡點到裝盒位置，根據(jù)9顆巧克力的不同放置位置進行放置。放置后經(jīng)g路徑，經(jīng)b→c→d→e→f，再次進行巧克力吸附、放置。托盤裝滿后，機器人經(jīng)h到安全位置等待下一托盤到位。

2.2 生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計原則

該巧克力生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計以保證生產(chǎn)線正常生產(chǎn)過程中巧克力和托盤流動順暢，減小各個環(huán)節(jié)等待或滯留時間，防止出現(xiàn)阻塞和生產(chǎn)不飽滿為基本原則[12]。

運送巧克力托盤的具體要求：

（1）托盤隨托盤輸送裝置移動。當托盤到達裝盒位置，延時一段時間，直至確認托盤已準確定位，托盤輸送裝置停止運動。此時托盤準備就緒。第一個托盤應(yīng)先于巧克力到達裝盒位置。目的是待巧克力到位，機器人即可開始裝盒。

（2）若托盤裝滿巧克力，應(yīng)立即啟動輸送，后續(xù)托盤繼續(xù)向前輸送。機器人應(yīng)回安全點等待下一托盤到位。

（3）當前一托盤通過裝盒位置，下一托盤應(yīng)移動至裝盒位置，延時直至確認托盤已準確到位。此時，托盤準備就緒，機器人又開始下一次裝盒，如此循環(huán)。

運送巧克力的具體要求：

（1）巧克力隨巧克力輸送裝置移動。當排頭的巧克力移動到位，即移動到巧克力輸送裝置末端pPick點，巧克力輸送裝置停止運動。

（2）機器人將排頭的巧克力取走后，巧克力輸送裝置重啟輸送，余下巧克力繼續(xù)沿輸送帶移動。重復(fù)（1）、（2）過程，直到完成訂單需求。

為了盡量減少機器人等待時間，當機器人完成前一個巧克力裝盒，回到抓取巧克力位置時，下一個巧克力應(yīng)當已經(jīng)到位，等待機器人抓取。

3 Smart組件設(shè)計與制作

在巧克力裝盒生產(chǎn)線中，巧克力輸送運動、托盤輸送運動以及吸盤對巧克力的吸附和放置動畫的設(shè)計和制作，對整個巧克力裝盒生產(chǎn)線的仿真起到重要的作用。Smart組件是Robotstudio軟件用來制作動畫的重要工具。使用Smart組件設(shè)計并制作了3個Smart組件來實現(xiàn)巧克力裝盒生產(chǎn)線的動畫效果。

吸盤Smart組件SC_Gripper用來實現(xiàn)吸盤吸附和放置巧克力動畫。同時，放置到托盤里的巧克力要安裝到托盤，和托盤一起繼續(xù)沿輸送裝置移動。按照該設(shè)計思路，制作吸盤Smart組件的過程如下：首先添加子組件，包括3個動作子組件 Attacher1（安裝）、Attacher2（安裝）、Detacher（拆除），2個傳感器子組件Linesensor（線傳感器）和Planesensor（面?zhèn)鞲衅鳎?，邏輯信號子組件Logicgate（邏輯非門）。Attacher1用來實現(xiàn)吸盤吸附巧克力動畫。安裝在機器人吸盤上的線傳感器Linesensor檢測到的巧克力SensedPart，被安裝到吸盤。Detacher實現(xiàn)吸盤放置巧克力的動畫。Detacher要放置的子對象Child是Attacher1安裝在吸盤上的對象Child。巧克力托盤裝滿9顆巧克力以后，要沿著托盤輸送裝置繼續(xù)向前移動。Detacher拆除下來的巧克力，被安裝到面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor檢測到的托盤上，便于裝盒后的巧克力和托盤一起沿輸送裝置運動。各子組件之間的屬性連結(jié)如表1所示。

表1 吸盤Smart組件屬性連接表

然后，為吸盤Smart組件SC_Gripper創(chuàng)建了2個數(shù)字輸入信號diGrip和diDetect，分別用來激活Linesensor（線傳感器）和Planesensor（面?zhèn)鞲衅鳎２凑毡?所示設(shè)定各子組件之間的信號連接。

表2 吸盤Smart組件信號連接表

巧克力輸送和托盤輸送的運動類似，下面以托盤輸送Smart組件為例說明設(shè)計與制作的過程。要實現(xiàn)的托盤輸送的效果是：托盤輸送裝置啟動以后，托盤沿輸送裝置移動。到達機器人裝盒位置后，托盤停止移動。待托盤裝滿后，托盤又開始沿輸送裝置移動。并且，每隔一段時間有新的托盤自動加入輸送裝置，隨輸送裝置一起移動。按照該設(shè)計思路，制作托盤輸送Smart組件SC_Conveyer的過程如下：首先添加子組件，包括1個動作子組件Source（創(chuàng)建拷貝），本體子組件LinearMover（沿直線移動物體），傳感器子組件Planesensor（面?zhèn)鞲衅鳎?個信號子組件Logicgate（邏輯非門）和Timer（脈沖輸出），以及1個其它類子組件Queue（隊列）。

托盤輸送Smart組件各子組件之間只有1個屬性連結(jié)，即每次Source執(zhí)行所創(chuàng)建的托盤拷貝，將作為要加入隊列Queue的對象，如表3所示。

表3 托盤輸送Smart組件屬性連接表

然后，為托盤輸送Smart組件SC_Conveyer創(chuàng)建了2個數(shù)字輸入信號diStart_T、diActsensor，1個數(shù)字輸出信號doInpos。

當啟動信號diStart_T置位，Timer開始計時，每隔一定時間輸出脈沖。Timer的脈沖輸出將觸發(fā)動作子組件Source執(zhí)行，創(chuàng)建托盤的拷貝。啟動信號diStart_T置位，還將觸發(fā)LinearMover執(zhí)行，即托盤隊列Queue沿直線移動。每隔一定時間間隔所生成的托盤拷貝都將加入隊列Queue，沿輸送裝置移動。當排頭的托盤移動至機器人裝盒位置時，將觸發(fā)位于此處的面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor，發(fā)出托盤到位信號doInpos。Planesensor檢測到托盤，同時會觸發(fā)LinearMover不執(zhí)行，Timer暫停計時，此時托盤隊列Queue停止移動。

待托盤裝滿以后，為了盡量減少機器人等待時間，要立即執(zhí)行LinearMover。為了實現(xiàn)立即啟動輸送，為托盤輸送Smart組件SC_Conveyer創(chuàng)建數(shù)字輸入信號diActsensor。通過控制程序復(fù)位該信號，使面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor失效，Planesensor輸出信號從“1”變?yōu)椤?”，LinearMover重新執(zhí)行，Timer繼續(xù)計時。而機器人到安全點等待，待托盤完全通過后，再通過控制程序置位diActsensor，激活面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor。如上所述，設(shè)定托盤輸送Smart組件各子組件之間的信號連接，如表4所示。

表4 托盤輸送Smart組件信號連接表

4 控制程序編寫

依據(jù)對IRB 360并聯(lián)機器人的運動規(guī)劃，完成對巧克力抓取點、9個巧克力放置點以及安全點的示教，創(chuàng)建程序數(shù)據(jù)。對機器人控制器進行了I/O信號的配置，完成了ABB機器人RAPID控制程序的離線編寫。并通過工作站邏輯設(shè)定實現(xiàn)Smart組件與控制系統(tǒng)的信號交互。

在編寫控制程序時，將機器人吸附巧克力、放置巧克力、計算放置位置等操作進行了封裝和調(diào)用，以提高程序可讀性和可維護性。系統(tǒng)控制程序具體如下：

如圖3所示，為該巧克力裝盒生產(chǎn)線仿真控制流程圖。

5 仿真與優(yōu)化

基于該巧克力裝盒生產(chǎn)線的仿真模型進行了機器人裝盒仿真。假設(shè)巧克力和托盤的輸送速度均為100 mm/s，巧克力投放的時間間隔為1 s，托盤投放的時間間隔為8 s。在控制程序中設(shè)定裝盒10件，使用RAPID計時指令和寫屏指令，計算輸出裝盒總時間為402.764 s，則計算得到平均裝盒時間約為40.28 s/盒。機器人等待下一托盤到位的時間為8s，占平均裝盒時間的比例約為20%。這種情況下，無法滿足巧克力托盤運送設(shè)計要求，即當前一托盤通過裝盒位置，下一托盤應(yīng)移動至裝盒位置，準備就緒。

基于前述的巧克力生產(chǎn)線裝盒節(jié)拍設(shè)計原則，同時為了降低機器人等待時間占平均裝盒時間的比例，針對巧克力裝盒的節(jié)拍進行了優(yōu)化。調(diào)整托盤投放時間間隔為3.54 s，滿足前一托盤通過裝盒位置，后一托盤正好到達裝盒位置的要求。同樣計算裝盒10件的時間，得到平均裝盒時間為35.81 s/盒。機器人等待下一托盤到位的時間3.54 s，占平均裝盒時間的比例下降到10%。

若要繼續(xù)提高裝盒效率，可通過增加托盤輸送速度、巧克力輸送速度，或提高機器人的運動速度來實現(xiàn)?；谠摲抡婺Ｐ涂煞奖愕恼{(diào)整該生產(chǎn)線輸送速度、機器人速度以及產(chǎn)品投放時間間隔等工藝參數(shù)，直觀的展現(xiàn)生產(chǎn)線上機器人的運動和裝盒節(jié)拍的協(xié)調(diào)效果，指導(dǎo)生產(chǎn)線設(shè)計和生產(chǎn)計劃調(diào)整。

6 結(jié)語

基于Robotstudio進行了巧克力裝盒生產(chǎn)線的機器人運動規(guī)劃和生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計的仿真研究。使用該仿真模型和方法，能在不影響巧克力裝盒生產(chǎn)的情況下，根據(jù)生產(chǎn)需求，進行參數(shù)調(diào)整，得到機器人與輸送裝置協(xié)調(diào)運行情況，實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計和生產(chǎn)計劃調(diào)整方案的驗證。能夠縮短生產(chǎn)線設(shè)計和調(diào)試周期，降低成本，提高生產(chǎn)制造的效率。生產(chǎn)線輸送裝置的運動仿真及其與機器人運動協(xié)調(diào)設(shè)計的方法，可用于其它具有多套輸送設(shè)備和復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)線仿真。