彭仁杰,吳佳偉,程廣振

(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

傳統(tǒng)木地板行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)較低,產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,企業(yè)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力不足[1].近些年,我國木地板行業(yè)專利的申請數(shù)量保持較快增長,說明該行業(yè)對技術(shù)創(chuàng)新的投入越來越多[2].末端處理器[3-4]作為機器人的核心部件,不僅影響機器人的堆垛效率,還關(guān)系到機器人能否實現(xiàn)穩(wěn)定安全堆垛的前提.牛銘[5]等對木板碼垛機進行研究,得出一種以真空泵為動力源的海綿式真空吸附裝置.此裝置雖然能夠處理重量為20 kg且堆放寬度超過2 m的木板,但不適用于輕薄、窄邊木地板的上料過程.王瑞[6]等為解決生產(chǎn)線對寬度多變的薄板搬運問題,設(shè)計一種電磁吸盤式末端處理器.此處理器雖然可實現(xiàn)不同規(guī)格形狀薄板的抓取,但不適合多塊薄板排列的抓取.

木地板加工流水線的始端引入木地板碼垛機進行自動碼垛,需要碼垛的木地板表面較平整,且單塊質(zhì)量最大為1.2 kg,在具備成熟的壓縮空氣使用條件下,采用真空發(fā)生器產(chǎn)生吸附力是最好的選擇.但控制多個真空發(fā)生器產(chǎn)生吸附力需要消耗大量的壓縮空氣,在應(yīng)用于多變的木地板堆放方式下,存在壓縮空氣浪費現(xiàn)象.針對壓縮空氣的使用效率,本文設(shè)計一種木地板吸附控制系統(tǒng),通過控制吸盤的使用數(shù)量,實現(xiàn)對壓縮空氣的有效利用,以降低碼垛成本,提高設(shè)備的使用壽命.

1 木地板碼垛機末端吸附裝置結(jié)構(gòu)

吸盤自動控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要由紅外測距傳感器和真空吸附裝置組成.紅外測距傳感器安裝于木地板堆放的載物臺兩側(cè),用于檢測木地板堆放的位置和寬度.末端吸附裝置由真空吸附氣路和吸盤固定支架組成.真空吸附氣路主要由氣源、電磁閥、真空發(fā)生器和吸盤組成,氣路結(jié)構(gòu)見圖1.

末端吸附裝置與載物臺通過Solidworks建立三維模型,見圖2.木地板寬度為100～200 mm,堆放寬度為100～800 mm,載物臺寬度為800 mm.控制系統(tǒng)設(shè)計的工藝參數(shù)見表1.

紅外測距傳感器采用SHARR公司生產(chǎn)的GP2Y0A021YK0F,其有效探測距離為100～800 mm,工作電壓為4.5～5.5 V,輸出為模擬電壓,標(biāo)準(zhǔn)電流消耗為33～50 mA.控制系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的FX3U-48MR,將模擬量輸入模塊FX3U-4AD作為控制中心,以滿足2個模擬量的信號輸入和I/O點數(shù)的要求.控制系統(tǒng)框圖見圖3.

圖1 真空吸附氣路圖

圖2 末端吸附裝置機械結(jié)構(gòu)圖

表1 工藝參數(shù)要求

圖3 控制系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 紅外測距模塊信號處理

根據(jù)紅外測距傳感器的工作原理[7],所測距離與輸出電壓之間的特性呈非線性關(guān)系,因此需對測距程序進行非線性校正.在100～800 mm距離范圍內(nèi),實驗測得每間隔50 mm的GP2Y0A021YK0F輸出電壓數(shù)據(jù)為50次.求平均值,得到電壓與實測距離的關(guān)系,見表2.在Matlab軟件上,使用最小二乘法進行不同階次的曲線擬合[8],擬合多項式的擬合水平由低次至高次逐漸提升.本文直接對高次擬合多項式進行分析.高次擬合曲線見圖4,6～8次擬合函數(shù)的擬合優(yōu)度檢驗參數(shù)結(jié)果見表3.擬合函數(shù)誤差最大值影響PLC通過吸盤間距設(shè)計控制程序,當(dāng)誤差最大值超過吸盤內(nèi)徑時,則會出現(xiàn)漏吸問題.不同階次擬合曲線的絕對誤差數(shù)據(jù)變化見圖5.

圖4 擬合曲線

圖5 不同擬合水平曲線的最大絕對誤差數(shù)據(jù)變化

6～8次擬合水平的數(shù)學(xué)模型為:

6次擬合函數(shù):L=1 232x6-10 001x5+32 562x4-54 792x3+50 842x2-25 288x+5 724.

7次擬合函數(shù):L=-3 130x7+27 800x6-101 950x5+200 610x4-230 070x3+155 240x2-58 200x+9 970.

8次擬合函數(shù):L=1.0×106×(0.013 3x8-0.126x7+0.504 1x6-1.111 4x5+1.482 2x4-1.229 3x3+0.623 1x2-0.178 7x+0.023).

圖6 系統(tǒng)的控制流程

由表3可知,7～8次函數(shù)擬合的效果較好,誤差水平較接近.由圖4可知,3種擬合水平的效果十分接近.由圖5可知,6～8次擬合函數(shù)的絕對誤差接近10 mm,7次擬合函數(shù)的誤差最低.因此,本文選擇7次擬合函數(shù)作為“電壓-距離”轉(zhuǎn)換公式.

2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

利用紅外測距傳感器控制吸附裝置的工作流程為:將木地板堆放在載物臺;開啟吸附裝置,紅外傳感模塊將距離檢測后的模擬電壓傳入PLC;PLC計算并控制對應(yīng)的真空電磁閥開啟,吸附木地板.在編寫自動控制程序之前,根據(jù)技術(shù)要求和工藝流程,繪制控制系統(tǒng)框,見圖6.

采用GX Works 2編寫的控制程序主要分為2個部分:①編輯Matlab擬合的多項式,對2個電壓輸入模擬量進行換算;②結(jié)合吸盤布置和換算結(jié)果編寫吸盤控制程序.PLC數(shù)據(jù)寄存器最多能儲存小數(shù)點后的6位,若直接采用Matlab導(dǎo)出的保留6位小數(shù)的擬合多項式,則會擴大PLC的計算誤差,因此需要對部分系數(shù)進行轉(zhuǎn)化.“電壓-距離”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分的程序見圖7.吸附裝置設(shè)置的吸盤間距為40 mm,結(jié)合模擬量轉(zhuǎn)換結(jié)果,其真空吸附控制部分程序見圖8.

圖7 模擬量數(shù)據(jù)處理程序

圖8 真空吸附控制程序

2.3 程序仿真

驗證紅外測距傳感器傳入PLC的模擬電壓,將其轉(zhuǎn)換成精確的距離數(shù)值[9],使每個距離數(shù)值誤差都在1 mm以下.輸入原實驗測量電壓,得出計算后的距離數(shù)值,并與擬合函數(shù)的擬合距離比對,結(jié)果見表4.

表4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

GT Designer 3不僅支持各種相關(guān)可編程控制器的通信,還支持離線模擬,并可根據(jù)編輯的CPU不同進行快速編輯,以完成模擬.采用GT Designer 3編輯末端吸附裝置監(jiān)控控制界面,將各軟元件關(guān)聯(lián)PLC地址與GX Works2進行聯(lián)合仿真.仿真效果為以輸入模擬量的大小來控制氣動電磁閥(燈亮為啟動).仿真結(jié)果見圖9.

圖9 仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

為提高真空吸附裝置的吸附效率和壓縮空氣的利用效率,設(shè)計一種通過檢測木地板堆放寬度啟閉末端吸附裝置吸盤數(shù)量的控制系統(tǒng).首先,根據(jù)木地板的詳細(xì)數(shù)據(jù)計算吸盤內(nèi)徑和單組吸盤數(shù)量,并通過Solidworks建立末端吸附裝置與載物臺的空間模型;其次,根據(jù)紅外測距傳感器的檢測原理設(shè)計實驗,通過最小二乘曲線擬合法,對實驗數(shù)據(jù)進行不同階次的多項式擬合,并通過分析確定將7次多項式作為距離測量的數(shù)學(xué)模型,以滿足設(shè)計要求;最后,結(jié)合擬合多項式和吸盤布置距離,使用GX works 2軟件編輯控制程序.GT Designer 3和GX works 2的仿真實驗結(jié)果說明,紅外測距傳感器輸入的模擬量能夠準(zhǔn)確地控制每組吸盤的啟閉,從而提高壓縮空氣的使用效率.