輸液器組件液袋缺陷檢測系統時序設計與優化

王華，廖映華，王小友，陳吉春

(四川輕化工大學機械工程學院，四川宜賓 644000)

0 前言

隨著工業技術的快速發展，自動化生產因具有高效、清潔、穩定、易管理等優點日益受到人們的青睞，尤其是在具有特殊要求生產中備受關注[1]。比如對生產環境有很高要求的醫療機械行業，為了降低人工污染的風險，醫療產品的自動化生產已成為適應時代發展的必然趨勢。一次性使用袋式輸液器組件液袋的生產就是高要求生產之一，如今液袋的生產雖然已經實現了自動化，但是生產完成后的檢測仍然是人工肉眼檢測[2]，這就導致了液袋生產周期長、效率低和人工二次污染等問題。為了解決上述問題，設計了液袋缺陷檢測系統[3]。缺陷檢測系統設計完成后，怎樣進行高效檢測成為研究的重難點問題。而高效檢測的關鍵是實現最優檢測動作時序設計與優化。

國內外針對不同生產系統采用時序分析和時序優化方法的研究較多。張南等人[4]針對熱模鍛壓力機曲軸鍛造自動化生產線，首先找出限制生產效率的瓶頸節拍，并進一步通過時序拆分、時序分析與整合優化的方法，實現節拍時序優化。曹付義等[5]針對雙模式液壓機械傳動裝置離合器切換，運用正交試驗及極差分析法對切換過程中多個離合器的切換時序進行優化。胡小華等[6]針對微型晶體諧振器預封頂工序，利用Simulink/Stateflow建立動作時序模型，依據仿真結果進行時序優化。馬娟娟等[7]針對多氣缸協調工作，利用時序圖的方法優化各個氣缸的動作時間和運動順序，在防止干涉的情況下，有效地將串行時間轉化為并行時間。以上研究都是針對某個生產線或者某個復雜工序進行時序優化，這也證明時序優化需要針對不同情況不同工況采用相應的時序優化方法。而對于某個檢測系統的時序優化方法研究較少。因此，為了實現液袋缺陷檢測系統的高效檢測，作者對液袋缺陷檢測系統進行了時序計算、分析，根據分析結果提出動作流程簡化方案和檢測動作并行的方案實現時序優化。

1 液袋缺陷檢測系統介紹

輸液器液袋缺陷檢測系統按功能可以劃分為4部分系統：上位機系統，拍攝系統，機械系統，控制系統。以上4個部分系統需要協調工作，才能完成對輸液器液袋的自動化檢測。其中機械系統作為液袋缺陷檢測系統實現其功能的前提，是需要首先設計完備的系統。因而液袋缺陷檢測系統首先以客戶要求及輸液器液袋特性為基礎，完成機械系統的詳細設計，并以此為基礎進行控制及上位機系統的設計。

1.1 液袋缺陷檢測機械系統

一套液袋缺陷檢測系統完成的功能包括：生產線上抓取液袋轉運到打光板上，工業相機進行拍攝、判斷，機械手進行分揀。故液袋缺陷檢測系統由上料、拍攝、判斷、分揀4個部分組成。最終設計的液袋缺陷檢測機構長1 795 mm，寬1 302 mm，高1 341 mm。整個系統的3D設計圖及標識如圖1所示。

圖1 缺陷檢測系統3D設計圖

1.2 液袋缺陷檢測控制系統

輸液器液袋缺陷檢測控制系統采用工控機、觸摸屏和PLC形成基本控制系統結構。工控機通過相應的PLC控制軟件、觸摸屏軟件實現與各基礎設備的通信與信息交換，并實現對液袋缺陷檢測過程的測量、控制和管理。觸摸屏對液袋的狀態和輸入響應實現狀態監控，然后將監控狀態反饋給控制模塊，從而實現控制模塊對不同模塊的控制與通信功能。PLC通過梯形圖實現各開關量、模擬量的控制和信息的傳輸，從而實現缺陷檢測系統的底層控制和通信功能[8-11]。

由于是嵌入式缺陷檢測系統，所以可編程邏輯控制器就統一使用原有的臺達PLC，在現有基礎上擴展一個DVP32HP00R模塊即可。經過分析，輸液器液袋缺陷檢測系統總共需要21個輸入信號和25個輸出信號，接口分布如圖2所示。其中21路輸入信號包括系統的啟動/停止信號、進料信號、拍攝端上料及下料信號、開機自檢及同步信號。輸出信號包括光源及相機拍攝的使能信號及設備中相關電機的啟動/停止信號。同時可編程邏輯控制單元需要兩個 COM1 端口，分別負責與工控機及其他可編程邏輯控制單元的通信[12]。

圖2 液袋缺陷檢測接口分布

2 液袋缺陷檢測工序設計

液袋缺陷檢測運動循環可分為3個循環：上料機械手上料循環、打光板定位移動循環(拍攝循環)、分揀機械手分揀循環。首先上料循環將液袋轉移到打光板上；然后打光板定位移動循環將液袋從上料點轉移到拍攝點，完成拍攝后轉移到分揀點等待機械手抓取分揀；最后分揀機械手分揀循環將液袋從打光板上轉移到分揀傳送帶上[13-14]。3個循環依次進行即可完成液袋的缺陷檢測與分揀，其中動作循環如圖3所示。

圖3 檢測動作流程

由圖3可知：上料節拍動作時間為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8之和；拍攝節拍時間為T7、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15之和；分揀節拍時間為T12、T13、T14、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24之和。

3 時序計算與優化分析

對執行機構的運動關系進行詳細分析，解決好執行機構協同配合問題，不僅關系到整個系統工藝流程是否能夠實現，而且對整個系統運行效率的提升有著十分重要的影響。相反，如果不能對這些協同配合問題進行良好的統籌規劃，控制系統的程序會特別復雜，運行效率低，甚至導致執行機構的動作無法實現，從而無法滿足運行要求[15-16]。下面將針對此系統進行動作時序計算、分析與優化。

3.1 計算每個動作的運動時間

由于液袋缺陷檢測系統各動作的動力源都是氣缸，因此通過對氣缸進行運動特性建模，然后利用MATLAB中的ode45程序仿真得到各動作的動作時間。下面將對氣缸進行運動特性數學建模分析。

3.1.1 氣缸運動特性數學建模

由恒定氣源壓力向有限容積絕熱充氣的能量方程：KRTsdm=Vdp+kpdV和Qm=dm/dt可得到氣缸進氣腔能量方程：

(1)

Va=Aa(Xa0+X)

(2)

式中：Va為進氣腔容積，m3；pa為氣缸進氣腔絕對壓力，Pa；Ts為氣源溫度，K；Qma為進氣腔的質量流量，kg/s；k為比熱比，kJ/(kg·K)；R為通用氣體常數，J/(mol·K)；Aa為進氣腔有效作用面積，m2；Xa0為活塞起始間隙當量長度，m；X為活塞的位移，m。

氣缸排氣腔能量方程：

(3)

Vb=Ab(Xb0+L-X)

(4)

式中：Vb為氣缸排氣腔容積，m3；Ab為排氣腔有效作用面積m2；pb為氣缸排氣腔絕對壓力；Tb為排氣腔溫度，K；Qmb為排氣腔的質量流量，kg/s；Xb0為排氣腔余隙當量長度，m；L為氣缸行程，m。

設b腔放氣時的壓力為p0(大氣壓)，溫度為起源溫度Ts，由于放氣過程較快，氣缸內的氣體來不及與外界進行熱量交換，可以看作是絕熱過程，根據等熵過程的狀態參數關系得：

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

(5)

氣動質量流量方程：

(6)

(7)

其中：

式中：σa為進氣腔壓力比；σb為排氣腔壓力比；b為臨界壓力比。

根據牛頓第二定律得其動力學方程為

(8)

3.1.2 氣缸運動特性模型仿真

將以上方程參量量綱一化后得到速度方程：

(9)

幼兒園應該充分滿足幼兒在活動中所需的各種設備器材，這對激發幼兒活動參與積極性以及提高幼兒活動思維能力有著很好的輔助效果。幼兒園階段的孩子較為活潑好動，教師應該在開展區域活動的過程中讓幼兒充分體會到區域活動的樂趣。這就需要幼兒園重視區域活動的場地建設和器材配備，不斷完善加強活動所需的硬件設施，以此來保證幼兒在活動中有充足的器材，進而提升區域活動開展有效性。

利用四階龍格-庫塔法解微分方程，四階龍格-庫塔的計算公式如下：

(10)

液袋缺陷檢測氣缸使用的是SMC公司的氣缸，機械手垂直移動氣缸、上料機械手水平移動氣缸、分揀機械手水平移動氣缸、打光板推動氣缸參數如表1所示。

表1 缺陷檢測氣缸參數

根據以上參數進行氣缸模型仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 各氣缸位移曲線

根據仿真結果可以得出各個動作時間如表2所示。

表2 各個動作行程及時間

根據每個動作運動時間和工序流程繪制3個循環所有執行機構時序如圖5所示。

圖5 優化前時序

根據時序圖計算缺陷檢測系統中各個設備的節拍時間如下：

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上為上料節拍時間；T拍為拍攝節拍時間；T分為分揀節拍時間。將表2中時間數據代入式(11)、(12)、(13)得：T上=4.54 s、T拍=6.13 s、T分=8.46 s。根據現場調研測試得液袋生產節拍T生=6 s。

綜上，完成液袋缺陷檢測所需要的時間T：

T=MAX(T上，T拍，T分，T生)=T分=8.46 s

(14)

通過以上節拍時序計算可知，分揀時間和拍攝時間都超過了液袋生產時間，在此時序條件下，將液袋缺陷檢測系統嵌入液袋生產線，整條生產線的節拍時間是8.46 s。雖然實現了自動化生產，但是效率降低了41%。

3.2 時序分析與優化

3.2.1 分揀節拍優化分析

根據以上時序計算可知分揀循環節拍是當前影響生產效率的主要因素。通過細分工序步驟可知分揀循環動作過于復雜，所以對分揀循環動作做簡化處理，省去分揀過程中分揀機械手到分揀傳送帶正上方后的下移和上移過程，改為直接放料(即分揀機械手到分揀傳送帶正上方后直接放料，不用下移后再放料)，這樣可以省略4個動作，大約可以節約2.72 s。分揀放料高度并不高且液袋是塑料軟體，直接放料并不會對液袋造成損壞，所以此簡化過程是可行的。簡化后動作流程如圖6所示。

圖6 優化后動作流程

優化后重新對分揀循環進行時序劃分計算：

T′分=T12+T13+T14+T16+T18+T20+T22+

T24=5.74 s

(15)

分揀節拍優化后缺陷檢測總結拍T′為

T′=MAX(T′上，T′拍，T′分，T生)=T′拍=6.13 s

(16)

分揀節拍動作簡化后影響檢測效率的動作節拍從分揀節拍轉移到了拍攝節拍，總節拍時間從8.46 s提升到了6.13 s，但是相比于沒有嵌入缺陷檢測時的液袋生產效率，效率還是降低了5.13%。下面對拍攝節拍進行優化分析。

3.2.2 拍攝節拍時序優化分析

不同的工序在同一時間較高的重疊度會顯著提升生產線的效率、減少節拍時間[16]。對于拍攝節拍的動作，從理論上看，當上料機械手在打光板上放料的同時打光板就開始前移，當分揀機械手夾取液袋的同時打光板就返回，這樣拍攝節拍可以實現最短。但由于機械手和打光板之間存在干涉問題，其實現較為困難。通過分析，提出以下優化方案：上料機械手放料后上移和移動打光板前移同時進行，但為了避免上料機械手與打光板發生干涉，上料機械手放料后延時0.1 s移動打光板前移；同理，為了避免分揀機械手與打光板發生干涉，分揀機械手取料后延時0.1 s再移動打光板返回。優化后時序如圖7所示。

圖7 優化后時序

優化后重新計算拍攝節拍時間

T″拍=0.1+T9+T10+T11+T12+T13+0.1+

T15=4.86 s

(17)

優化后總節拍T″：

T″=MAX(T″上，T″拍，T″分，T生)=T生=6 s

(18)

拍攝節拍時序優化后總節拍時間從6.13 s提升至6 s，主要影響液袋生產效率的節拍從缺陷檢測系統轉移至液袋生產過程。通過分揀節拍和拍攝節拍時序優化后液袋缺陷檢測的嵌入不僅能實現液袋生產自動化，而且不會影響原有生產效率，能夠實現缺陷檢測系統高效嵌入液袋生產線的目標。

4 結語

針對液袋缺陷檢測系統不能高效檢測問題，作者運用氣缸運動特性建模仿真計算每一步動作時間，再根據結果分析計算出缺陷檢測系統每個節拍時間，發現分揀節拍和拍攝節拍都超過了生產節拍的時間6 s。對兩個節拍工作流程細分后提出了簡化分揀流程動作方案和并行拍攝動作方案。優化后分揀節拍時間從8.46 s降低到了5.74 s，拍攝節拍時間從6.13 s降低到了4.86 s，成功將影響缺陷檢測效率的節拍轉移為液袋生產節拍。優化后，液袋缺陷檢測效率提升了41%，缺陷檢測系統能夠實現高效檢測，因此將其嵌入液袋生產線不會影響液袋生產效率。