CN104238451B - 工业机器人作业四段法协同规划方法 - Google Patents

Abstract

本工业机器人作业四段法协同规划方法，包括如下步骤：（1）将工业机器人动作顺序分为四段；（2）计算下料与上料等待点与机床的距离S；（3）计算下料作业段最短运行时间T_LO以及进入下一台机床进行上料作业的最短运行时间T_UO；（4）计算出最慢加工单元的周期T_all；（5）计算出最慢的加工单元的下料工业机器人的下料启动时刻和最慢的加工单元的上料工业机器人的启动时刻，在不影响整线节拍的前提下将最慢加工单元的上下料工业机器人的等待时间取消，使其在下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）以及工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料两个阶段的运行速度降低，从而平衡了工业机器人四个阶段的速度。

Description

工业机器人作业四段法协同规划方法

技术领域

本发明涉及自动化生产线技术领域，具体涉及自动化生产线中工业机器人与机床配合上下料的协同规划方法。

背景技术

在产品的加工过程中往往需要一到多道工序，不同的工序由不同的机床来完成。在传统的生产方式下机床上下料完全由人工完成。随着自动化水平的不断提高以及用人成本的不断增长，用机器人给机床进行上下料的自动化生产线得到广泛应用。机器人和机床在生产线中交叉排列，形成机器人—>机床—>机器人—>机床••••••—>机器人序列。线首机器人从固定地点抓料给第一台机床上料，中间机器人既要给前一台机床下料又要给后一台机床上料，线末机器人负责给最后一台机器人下料。其中任意机床与其上下料机器人组成一个加工单元，整条生产线的效率由最慢的那个加工单元决定。ZL200780019745.0的专利申请中公开了一种用于操作循环生产机械与装载或卸载机械协同工作的改进方法和系统。在此专利中，机床或者压力机为第一机械，上下料工业机器人作为第二机械。其工作原理为：根据第而机械的位置或者速度适应性的调节第一机械的速度，使第一机械同步于第二机械。也就是使机床或者压力机同步于工业机器人。但是其存在如下弊端（或缺点）: 当第一机械的速度是整线节拍的最大制约点时，修改第一机械的工作速度必定降低整线节拍。不利于发挥生产线的最大生产效率。

目前的机器人上下料自动化生产线中机器人的末端轨迹是靠示教生成的，而运动速度是人为设定的。这种方法虽然能基本满足生产要求，但存在三大问题。第一，在确定机器人给机床上下料的等待点时，总是尽量靠近机床工位，用此方法减少机器人上下料时间，但此方法需要机器人在得到上下料信号时需要从零开始加速，这导致本方法的效率低于以一定初速度进入机床的效率。第二过高的设定速度容易超出机器人载荷。速度过低进一步影响生产效率，最优速度靠人工设定几乎不可能找到。第三、在一条机器人自动化生产线中往往不只存在一台机器人，整条生产线的效率由最慢那台机床和上下料机器人的作业周期决定，其余的机器人即使速度再快也不能提高整条生产线的效率。只会在高负荷运行后，增加了等待时间。这样对机器人的使用寿命非常不利，同时也增加了能耗。

发明内容

本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种提高生产效率并使工业及其亲人各段负荷均衡的工业机器人作业四段法协同规划方法。

本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：

本工业机器人作业四段法协同规划方法，包括如下步骤：

a)将工业机器人动作顺序分别按下料作业段（LO）、下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）、工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）以及工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）四段；

b)通过公式S=（v×v）/(2×acc)计算在工业机器人轨迹示教时对下料作业段（LO）以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）两个阶段工业机器人下料与上料等待点与机床的距离S，式中acc为工业机器人的最大加速度，v为设定在机床内的取放料最大速度；

c)在工业机器人最大运行速度下，将其下料作业段（LO）以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）两个阶段的结束时的系统时刻减去启动时的系统时刻，得到的差值分别为下料作业段（LO）的最短运行时间T_LO以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的最短运行时间T_UO；

d)通过公式T_all=max(T_UO[i]+T_P[i]+ T_LO[i+1]),i=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元的周期T_all，式中T_P[i]为第i台机床的单件加工时间；

e) 根据公式clock_LO_start=clock+T_P-T_ACCL，计算出最慢的加工单元的下料工业机器人的下料启动时刻clock_LO_start，式中clock为CPU当前时钟，T_ACCL为最慢的加工单元的下料工业机器人进入机床下料需要的加速时间，当CPU当前时钟clock等于clock_LO_start时，启动最慢的加工单元的下料工业机器人，根据公式clock_UO_start=clock+T_LO-T_ACCU计算出最慢的加工单元的上料工业机器人的启动时刻clock_UO_start，式中clock为CPU当前时钟，T_ACCU为最慢的加工单元的上料工业机器人进入机床上料需要的加速时间。

为了实现在不影响效率的前提下，使各个加工单元低速连续运行，还可以包括如下步骤：

f)设定工业机器人四段运行周期为T，下料作业段（LO）与下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）时间之和为1/2T，业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）与工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）时间之和为1/2T；

g)根据公式t_WL[i’-m]=clock_nextLO[i’-m]-clock-T_UO[i’-m]，m=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’前第i’-m个加工单元中工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）阶段的运行时间t_WL[i’-m]，式中clock_nextLO[i’-m]=clock+1/2T，clock为CPU当前时钟，根据公式t_WU[i’-m]=clock_UO_start[i’-m]-clock-T_ACCU[i’-m]，m=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’前第i’-m个加工单元中下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）阶段的运行时间t_WU[i’-m]，式中clock_UO_start[i’m]=clock+T_LO[i’-m]-T_ACCL[i’-m]，clock为CPU当前时钟；

h)根据公式clock_UO_start[i’+n]=clock+T_LO[i’+n+1]-T_ACCL[i’+n]以及clock_UO_start[i’+n+1]=clock+（T_all-T_ACCL[i’+1]-T_ACCU[i’]）/2，n=1,2,3,4……，分别计算出最慢加工单元i’后的第i’+n+1台工业机器人进行下料作业启动时刻时，前一台工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的启动时刻clock_UO_start[i’+n]以及计算本台工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的启动时刻clock_UO_start[i’+n+1]；

i)根据公式t_WL[i’+n+1]=clock_LO_start[i’+n+1]-clock-T_UO[i’+n+1]，n=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’后第i’+n+1个加工单元中工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）阶段的运行时间t_WL[i’+n+1]，式中clock_LO_start[i’+n+1]=clock+1/2T，clock为CPU当前时钟，根据公式t_WU[i’+n+1]=clock_UO_start[i’+n+1]-clock-T_LO[i’+n+1]，n=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’后第i’+n+1个加工单元中下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）阶段的运行时间t_WU[i’+n+1]，式中，clock为CPU当前时钟。

本实用新型的有益效果是：通过计算得到最慢的加工单元的上料工业机器人进入机床上料以及下料作业的加速时间，并根据工业机器人下料与上料等待点与机床的距离S可以使最慢的加工单元的上下料工业机器人在进入机床前就有一定的初速度，并且在不影响整线节拍的前提下将最慢加工单元的上下料工业机器人的等待时间取消，使其在下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）以及工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）两个阶段的运行速度降低，从而平衡了工业机器人四个阶段的速度，提高了其使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个加工单元的工序图。

具体实施方式

下面结合附图1对本实用新型做进一步说明。

本工业机器人作业四段法协同规划方法，包括如下步骤：

（1）将工业机器人动作顺序分别按下料作业段（LO）、下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）、工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）以及工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）四段；（2）通过公式S=（v×v）/(2×acc)计算在工业机器人轨迹示教时对下料作业段（LO）以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）两个阶段工业机器人下料与上料等待点与机床的距离S，式中acc为工业机器人的最大加速度，v为设定在机床内的取放料最大速度。通过计算使工业机器人在轨迹示教时改进第一段和第三段，使其等待上下料点不再靠近机床而是离机床有一段距离S作为机器人加速距离，保证机器人在进入机床时就已经有了初速度，使机器人在机床内作业时间达到最短，尽量少占用机床加工时间。

下面的步骤是通过速度控制机器人提前起步时间，保正机床刚准备好上下料时，机器人已经完成加速。对速度的控制首先要通过对系统的自学习了解机床和机器人运行的时间以及速度极限。依据学习到的系统特性使用预测控制和迭代优化方法做到提前启动上下料过程使机器人在进入机床前就有一定初速度，同时把再机床前等待上下料的时间分配到第二、四段中以减轻这两段的负荷。具体步骤为：

（1）在工业机器人最大运行速度下，将其下料作业段（LO）以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）两个阶段的结束时的系统时刻减去启动时的系统时刻，得到的差值分别为下料作业段（LO）的最短运行时间T_LO以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的最短运行时间T_UO。

（2）通过公式T_all=max(T_UO[i]+T_P[i]+ T_LO[i+1]),i=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元的周期T_all，式中T_P[i]为第i台机床的单件加工时间；

（3）根据公式clock_LO_start=clock+T_P-T_ACCL，计算出最慢的加工单元的下料工业机器人的下料启动时刻clock_LO_start，式中clock为CPU当前时钟，T_ACCL为最慢的加工单元的下料工业机器人进入机床下料需要的加速时间，当CPU当前时钟clock等于clock_LO_start时，启动最慢的加工单元的下料工业机器人，根据公式clock_UO_start=clock+T_LO-T_ACCU计算出最慢的加工单元的上料工业机器人的启动时刻clock_UO_start，式中clock为CPU当前时钟，T_ACCU为最慢的加工单元的上料工业机器人进入机床上料需要的加速时间。通过计算得到最慢的加工单元的上料工业机器人进入机床上料以及下料作业的加速时间，并根据工业机器人下料与上料等待点与机床的距离S可以使最慢的加工单元的上下料工业机器人在进入机床前就有一定的初速度，并且在不影响整线节拍的前提下将最慢加工单元的上下料工业机器人的等待时间取消，使其在下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）以及工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）两个阶段的运行速度降低，从而平衡了工业机器人四个阶段的速度，提高了其使用寿命。

还可以包括如下步骤：

（1）设定工业机器人四段运行周期为T，下料作业段（LO）与下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）时间之和为1/2T，业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）与工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）时间之和为1/2T；

（2）根据公式t_WL[i’-m]=clock_nextLO[i’-m]-clock-T_UO[i’-m]，m=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’前第i’-m个加工单元中工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）阶段的运行时间t_WL[i’-m]，式中clock_nextLO[i’-m]=clock+1/2T，clock为CPU当前时钟，根据公式t_WU[i’-m]=clock_UO_start[i’-m]-clock-T_ACCU[i’-m]，m=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’前第i’-m个加工单元中下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）阶段的运行时间t_WU[i’-m]，式中clock_UO_start[i’m]=clock+T_LO[i’-m]-T_ACCL[i’-m]，clock为CPU当前时钟；

（3）根据公式clock_UO_start[i’+n]=clock+T_LO[i’+n+1]-T_ACCL[i’+n]以及clock_UO_start[i’+n+1]=clock+（T_all-T_ACCL[i’+1]-T_ACCU[i’]）/2，n=1,2,3,4……，分别计算出最慢加工单元i’后的第i’+n+1台工业机器人进行下料作业启动时刻时，前一台工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的启动时刻clock_UO_start[i’+n]以及计算本台工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的启动时刻clock_UO_start[i’+n+1]；

（4）根据公式t_WL[i’+n+1]=clock_LO_start[i’+n+1]-clock-T_UO[i’+n+1]，n=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’后第i’+n+1个加工单元中工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）阶段的运行时间t_WL[i’+n+1]，式中clock_LO_start[i’+n+1]=clock+1/2T，clock为CPU当前时钟，根据公式t_WU[i’+n+1]=clock_UO_start[i’+n+1]-clock-T_LO[i’+n+1]，n=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’后第i’+n+1个加工单元中下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）阶段的运行时间t_WU[i’+n+1]，式中，clock为CPU当前时钟。

以上的同步算法为把本单元的加工周期扩大到最慢加工单元的加工周期，使本单元在不影响生产任务的情况下低速连续运行。扩打后的加工单元必须与最慢加工单元同步才能不影响加工效率。同步办法为：前后各加工单元以最慢加工单元为基准，依次调节各机器人第一、三段和机床启动时间以及各段的运行速度。在不影响整线节拍的前提下，整线机器人的等待时间被取消，第2段，第4段的速度得到降低，并且第2段和第4段的负荷得到均衡。

按照上文的算法加速时间越小机器人启动越晚，机床等待上下料时间越长。加速时间越大机器人启动越早，机床等待上下料时间越短，但是加速时间过大会发生机器人在机床没准备好上下料的时候进入机床。此时会发生碰撞危险。所以在保证安全的情况下，加速时间要取最大值。本发明用迭代优化的办法让加速时间从0开始逐次增加，直到机器人刚好与机床不发生碰撞。具体办法为：对机器人端拾器坐标和机床内可能发生碰撞的部件坐标进行实时读取。实时判断可能发生碰撞部件的距离，并存储本周期可能发生碰撞部件的最小距离。如果本周期可能发生碰撞部件的最小距离大于设定值（由系统精度确定的一个安全距离），那么加速时间将在下一运行周期增加一小步。一次次循环直到可能发生碰撞的部件在一个周期内的最小距离在设定值之内。此时该加速时间已确定。在保证安全的前提下，加速时间优化到最大值。使机器人进入机床前有初速度，减小了机器人在机床内的作业时间，提高整线作业效率。

Claims (2)

1.一种工业机器人作业四段法协同规划方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)将工业机器人动作顺序分别按下料作业段（LO）、下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）、工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）以及工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）四段；

b)通过公式S=（v×v）/(2×acc)计算在工业机器人轨迹示教时对下料作业段（LO）以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）两个阶段工业机器人下料与上料等待点与机床的距离S，式中acc为工业机器人的最大加速度，v为设定在机床内的取放料最大速度；

c)在工业机器人最大运行速度下，将其下料作业段（LO）以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）两个阶段的结束时的系统时刻减去启动时的系统时刻，得到的差值分别为下料作业段（LO）的最短运行时间T_LO以及工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的最短运行时间T_UO；

d)通过公式T_all=max(T_UO[i]+T_P[i]+ T_LO[i+1]),i=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元的周期T_all，式中T_P[i]为第i台机床的单件加工时间；

e)根据公式clock_LO_start=clock+T_P-T_ACCL，计算出最慢的加工单元的下料工业机器人的下料启动时刻clock_LO_start，式中clock为CPU当前时钟，T_ACCL为最慢的加工单元的下料工业机器人进入机床下料需要的加速时间，当CPU当前时钟clock等于clock_LO_start时，启动最慢的加工单元的下料工业机器人，根据公式clock_UO_start=clock+T_LO-T_ACCU计算出最慢的加工单元的上料工业机器人的启动时刻clock_UO_start，式中clock为CPU当前时钟，T_ACCU为最慢的加工单元的上料工业机器人进入机床上料需要的加速时间。

2.根据权利要求1所述的工业机器人作业四段法协同规划方法，其特征在于：还包括如下步骤：

f)设定工业机器人四段运行周期为T，下料作业段（LO）与下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）时间之和为1/2T，业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）与工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）时间之和为1/2T；

g)根据公式t_WL[i’-m]=clock_nextLO[i’-m]-clock-T_UO[i’-m]，m=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’前第i’-m个加工单元中工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）阶段的运行时间t_WL[i’-m]，式中clock_nextLO[i’-m]=clock+1/2T，clock为CPU当前时钟，根据公式t_WU[i’-m]=clock_UO_start[i’-m]-clock-T_ACCU[i’-m]，m=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’前第i’-m个加工单元中下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）阶段的运行时间t_WU[i’-m]，式中clock_UO_start[i’m]=clock+T_LO[i’-m]-T_ACCL[i’-m]，clock为CPU当前时钟；

h)根据公式clock_UO_start[i’+n]=clock+T_LO[i’+n+1]-T_ACCL[i’+n]以及clock_UO_start[i’+n+1]=clock+（T_all-T_ACCL[i’+1]-T_ACCU[i’]）/2，n=1,2,3,4……，分别计算出最慢加工单元i’后的第i’+n+1台工业机器人进行下料作业启动时刻时，前一台工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的启动时刻clock_UO_start[i’+n]以及计算本台工业机器人进入下一台机床进行上料作业（UO）的启动时刻clock_UO_start[i’+n+1]；

i)根据公式t_WL[i’+n+1]=clock_LO_start[i’+n+1]-clock-T_UO[i’+n+1]，n=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’后第i’+n+1个加工单元中工业机器人完成上料作业后空载走向前一台机床准备下料（WL）阶段的运行时间t_WL[i’+n+1]，式中clock_LO_start[i’+n+1]=clock+1/2T，clock为CPU当前时钟，根据公式t_WU[i’+n+1]=clock_UO_start[i’+n+1]-clock-T_LO[i’+n+1]，n=1,2,3,4……，计算出最慢加工单元i’后第i’+n+1个加工单元中下料机器人携带前一台机床加工完的工件走向下一台机床（WU）阶段的运行时间t_WU[i’+n+1]，式中，clock为CPU当前时钟。