王华，廖映华，王小友，陈吉春

(四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000)

0 前言

随着工业技术的快速发展，自动化生产因具有高效、清洁、稳定、易管理等优点日益受到人们的青睐，尤其是在具有特殊要求生产中备受关注[1]。比如对生产环境有很高要求的医疗机械行业，为了降低人工污染的风险，医疗产品的自动化生产已成为适应时代发展的必然趋势。一次性使用袋式输液器组件液袋的生产就是高要求生产之一，如今液袋的生产虽然已经实现了自动化，但是生产完成后的检测仍然是人工肉眼检测[2]，这就导致了液袋生产周期长、效率低和人工二次污染等问题。为了解决上述问题，设计了液袋缺陷检测系统[3]。缺陷检测系统设计完成后，怎样进行高效检测成为研究的重难点问题。而高效检测的关键是实现最优检测动作时序设计与优化。

国内外针对不同生产系统采用时序分析和时序优化方法的研究较多。张南等人[4]针对热模锻压力机曲轴锻造自动化生产线，首先找出限制生产效率的瓶颈节拍，并进一步通过时序拆分、时序分析与整合优化的方法，实现节拍时序优化。曹付义等[5]针对双模式液压机械传动装置离合器切换，运用正交试验及极差分析法对切换过程中多个离合器的切换时序进行优化。胡小华等[6]针对微型晶体谐振器预封顶工序，利用Simulink/Stateflow建立动作时序模型，依据仿真结果进行时序优化。马娟娟等[7]针对多气缸协调工作，利用时序图的方法优化各个气缸的动作时间和运动顺序，在防止干涉的情况下，有效地将串行时间转化为并行时间。以上研究都是针对某个生产线或者某个复杂工序进行时序优化，这也证明时序优化需要针对不同情况不同工况采用相应的时序优化方法。而对于某个检测系统的时序优化方法研究较少。因此，为了实现液袋缺陷检测系统的高效检测，作者对液袋缺陷检测系统进行了时序计算、分析，根据分析结果提出动作流程简化方案和检测动作并行的方案实现时序优化。

1 液袋缺陷检测系统介绍

输液器液袋缺陷检测系统按功能可以划分为4部分系统：上位机系统，拍摄系统，机械系统，控制系统。以上4个部分系统需要协调工作，才能完成对输液器液袋的自动化检测。其中机械系统作为液袋缺陷检测系统实现其功能的前提，是需要首先设计完备的系统。因而液袋缺陷检测系统首先以客户要求及输液器液袋特性为基础，完成机械系统的详细设计，并以此为基础进行控制及上位机系统的设计。

1.1 液袋缺陷检测机械系统

一套液袋缺陷检测系统完成的功能包括：生产线上抓取液袋转运到打光板上，工业相机进行拍摄、判断，机械手进行分拣。故液袋缺陷检测系统由上料、拍摄、判断、分拣4个部分组成。最终设计的液袋缺陷检测机构长1 795 mm，宽1 302 mm，高1 341 mm。整个系统的3D设计图及标识如图1所示。

图1 缺陷检测系统3D设计图

1.2 液袋缺陷检测控制系统

输液器液袋缺陷检测控制系统采用工控机、触摸屏和PLC形成基本控制系统结构。工控机通过相应的PLC控制软件、触摸屏软件实现与各基础设备的通信与信息交换，并实现对液袋缺陷检测过程的测量、控制和管理。触摸屏对液袋的状态和输入响应实现状态监控，然后将监控状态反馈给控制模块，从而实现控制模块对不同模块的控制与通信功能。PLC通过梯形图实现各开关量、模拟量的控制和信息的传输，从而实现缺陷检测系统的底层控制和通信功能[8-11]。

由于是嵌入式缺陷检测系统，所以可编程逻辑控制器就统一使用原有的台达PLC，在现有基础上扩展一个DVP32HP00R模块即可。经过分析，输液器液袋缺陷检测系统总共需要21个输入信号和25个输出信号，接口分布如图2所示。其中21路输入信号包括系统的启动/停止信号、进料信号、拍摄端上料及下料信号、开机自检及同步信号。输出信号包括光源及相机拍摄的使能信号及设备中相关电机的启动/停止信号。同时可编程逻辑控制单元需要两个 COM1 端口，分别负责与工控机及其他可编程逻辑控制单元的通信[12]。

图2 液袋缺陷检测接口分布

2 液袋缺陷检测工序设计

液袋缺陷检测运动循环可分为3个循环：上料机械手上料循环、打光板定位移动循环(拍摄循环)、分拣机械手分拣循环。首先上料循环将液袋转移到打光板上；然后打光板定位移动循环将液袋从上料点转移到拍摄点，完成拍摄后转移到分拣点等待机械手抓取分拣；最后分拣机械手分拣循环将液袋从打光板上转移到分拣传送带上[13-14]。3个循环依次进行即可完成液袋的缺陷检测与分拣，其中动作循环如图3所示。

图3 检测动作流程

由图3可知：上料节拍动作时间为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8之和；拍摄节拍时间为T7、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15之和；分拣节拍时间为T12、T13、T14、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24之和。

3 时序计算与优化分析

对执行机构的运动关系进行详细分析，解决好执行机构协同配合问题，不仅关系到整个系统工艺流程是否能够实现，而且对整个系统运行效率的提升有着十分重要的影响。相反，如果不能对这些协同配合问题进行良好的统筹规划，控制系统的程序会特别复杂，运行效率低，甚至导致执行机构的动作无法实现，从而无法满足运行要求[15-16]。下面将针对此系统进行动作时序计算、分析与优化。

3.1 计算每个动作的运动时间

由于液袋缺陷检测系统各动作的动力源都是气缸，因此通过对气缸进行运动特性建模，然后利用MATLAB中的ode45程序仿真得到各动作的动作时间。下面将对气缸进行运动特性数学建模分析。

3.1.1 气缸运动特性数学建模

由恒定气源压力向有限容积绝热充气的能量方程：KRTsdm=Vdp+kpdV和Qm=dm/dt可得到气缸进气腔能量方程：

(1)

Va=Aa(Xa0+X)

(2)

式中：Va为进气腔容积，m3；pa为气缸进气腔绝对压力，Pa；Ts为气源温度，K；Qma为进气腔的质量流量，kg/s；k为比热比，kJ/(kg·K)；R为通用气体常数，J/(mol·K)；Aa为进气腔有效作用面积，m2；Xa0为活塞起始间隙当量长度，m；X为活塞的位移，m。

气缸排气腔能量方程：

(3)

Vb=Ab(Xb0+L-X)

(4)

式中：Vb为气缸排气腔容积，m3；Ab为排气腔有效作用面积m2；pb为气缸排气腔绝对压力；Tb为排气腔温度，K；Qmb为排气腔的质量流量，kg/s；Xb0为排气腔余隙当量长度，m；L为气缸行程，m。

设b腔放气时的压力为p0(大气压)，温度为起源温度Ts，由于放气过程较快，气缸内的气体来不及与外界进行热量交换，可以看作是绝热过程，根据等熵过程的状态参数关系得：

Tb=Ts(pb/ps)(k-1)/k

(5)

气动质量流量方程：

(6)

(7)

其中：

式中：σa为进气腔压力比；σb为排气腔压力比；b为临界压力比。

根据牛顿第二定律得其动力学方程为

(8)

3.1.2 气缸运动特性模型仿真

将以上方程参量量纲一化后得到速度方程：

(9)

幼儿园应该充分满足幼儿在活动中所需的各种设备器材，这对激发幼儿活动参与积极性以及提高幼儿活动思维能力有着很好的辅助效果。幼儿园阶段的孩子较为活泼好动，教师应该在开展区域活动的过程中让幼儿充分体会到区域活动的乐趣。这就需要幼儿园重视区域活动的场地建设和器材配备，不断完善加强活动所需的硬件设施，以此来保证幼儿在活动中有充足的器材，进而提升区域活动开展有效性。

利用四阶龙格-库塔法解微分方程，四阶龙格-库塔的计算公式如下：

(10)

液袋缺陷检测气缸使用的是SMC公司的气缸，机械手垂直移动气缸、上料机械手水平移动气缸、分拣机械手水平移动气缸、打光板推动气缸参数如表1所示。

表1 缺陷检测气缸参数

根据以上参数进行气缸模型仿真，仿真结果如图4所示。

图4 各气缸位移曲线

根据仿真结果可以得出各个动作时间如表2所示。

表2 各个动作行程及时间

根据每个动作运动时间和工序流程绘制3个循环所有执行机构时序如图5所示。

图5 优化前时序

根据时序图计算缺陷检测系统中各个设备的节拍时间如下：

T上=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8

(11)

T拍=T7+T9+T10+T11+T12+T13+T14+T15

(12)

T分=T12+T13+T14+T16+T17+T18+T19+T20+T21+T22+T23+T24

(13)

式中：T上为上料节拍时间；T拍为拍摄节拍时间；T分为分拣节拍时间。将表2中时间数据代入式(11)、(12)、(13)得：T上=4.54 s、T拍=6.13 s、T分=8.46 s。根据现场调研测试得液袋生产节拍T生=6 s。

综上，完成液袋缺陷检测所需要的时间T：

T=MAX(T上，T拍，T分，T生)=T分=8.46 s

(14)

通过以上节拍时序计算可知，分拣时间和拍摄时间都超过了液袋生产时间，在此时序条件下，将液袋缺陷检测系统嵌入液袋生产线，整条生产线的节拍时间是8.46 s。虽然实现了自动化生产，但是效率降低了41%。

3.2 时序分析与优化

3.2.1 分拣节拍优化分析

根据以上时序计算可知分拣循环节拍是当前影响生产效率的主要因素。通过细分工序步骤可知分拣循环动作过于复杂，所以对分拣循环动作做简化处理，省去分拣过程中分拣机械手到分拣传送带正上方后的下移和上移过程，改为直接放料(即分拣机械手到分拣传送带正上方后直接放料，不用下移后再放料)，这样可以省略4个动作，大约可以节约2.72 s。分拣放料高度并不高且液袋是塑料软体，直接放料并不会对液袋造成损坏，所以此简化过程是可行的。简化后动作流程如图6所示。

图6 优化后动作流程

优化后重新对分拣循环进行时序划分计算：

T′分=T12+T13+T14+T16+T18+T20+T22+

T24=5.74 s

(15)

分拣节拍优化后缺陷检测总结拍T′为

T′=MAX(T′上，T′拍，T′分，T生)=T′拍=6.13 s

(16)

分拣节拍动作简化后影响检测效率的动作节拍从分拣节拍转移到了拍摄节拍，总节拍时间从8.46 s提升到了6.13 s，但是相比于没有嵌入缺陷检测时的液袋生产效率，效率还是降低了5.13%。下面对拍摄节拍进行优化分析。

3.2.2 拍摄节拍时序优化分析

不同的工序在同一时间较高的重叠度会显著提升生产线的效率、减少节拍时间[16]。对于拍摄节拍的动作，从理论上看，当上料机械手在打光板上放料的同时打光板就开始前移，当分拣机械手夹取液袋的同时打光板就返回，这样拍摄节拍可以实现最短。但由于机械手和打光板之间存在干涉问题，其实现较为困难。通过分析，提出以下优化方案：上料机械手放料后上移和移动打光板前移同时进行，但为了避免上料机械手与打光板发生干涉，上料机械手放料后延时0.1 s移动打光板前移；同理，为了避免分拣机械手与打光板发生干涉，分拣机械手取料后延时0.1 s再移动打光板返回。优化后时序如图7所示。

图7 优化后时序

优化后重新计算拍摄节拍时间

T″拍=0.1+T9+T10+T11+T12+T13+0.1+

T15=4.86 s

(17)

优化后总节拍T″：

T″=MAX(T″上，T″拍，T″分，T生)=T生=6 s

(18)

拍摄节拍时序优化后总节拍时间从6.13 s提升至6 s，主要影响液袋生产效率的节拍从缺陷检测系统转移至液袋生产过程。通过分拣节拍和拍摄节拍时序优化后液袋缺陷检测的嵌入不仅能实现液袋生产自动化，而且不会影响原有生产效率，能够实现缺陷检测系统高效嵌入液袋生产线的目标。

4 结语

针对液袋缺陷检测系统不能高效检测问题，作者运用气缸运动特性建模仿真计算每一步动作时间，再根据结果分析计算出缺陷检测系统每个节拍时间，发现分拣节拍和拍摄节拍都超过了生产节拍的时间6 s。对两个节拍工作流程细分后提出了简化分拣流程动作方案和并行拍摄动作方案。优化后分拣节拍时间从8.46 s降低到了5.74 s，拍摄节拍时间从6.13 s降低到了4.86 s，成功将影响缺陷检测效率的节拍转移为液袋生产节拍。优化后，液袋缺陷检测效率提升了41%，缺陷检测系统能够实现高效检测，因此将其嵌入液袋生产线不会影响液袋生产效率。