0引言

隨著我國(guó)智能制造行業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,越來(lái)越多行業(yè)引入了智能制造設(shè)備,而物流行業(yè)作為我國(guó)裝備制造業(yè)重要的環(huán)節(jié)也逐步引入了智能設(shè)備,其中智能制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的技術(shù)就是工業(yè)機(jī)器人替代人工勞動(dòng),但是現(xiàn)在我國(guó)工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車和電子物流領(lǐng)域,在醫(yī)藥、食品、飲料等物流領(lǐng)域的應(yīng)用卻很少。目前很多包裝、裝箱、物料轉(zhuǎn)運(yùn)輸送等仍然是以人力為主,這就造成了物料運(yùn)輸效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高以及生產(chǎn)效率低等問(wèn)題,而自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備的改造及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用能很好地解決以上問(wèn)題,因此搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線升級(jí)改造對(duì)于搬運(yùn)物流行業(yè)來(lái)說(shuō)十分必要^[1]。

本文設(shè)計(jì)了一套搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線,以優(yōu)傲協(xié)作機(jī)器人為工作主體,以PLC為核心控制器,將機(jī)器人與輸送單元、碼垛單元、安全保護(hù)單元、總控單元等外圍模塊集成在一起,并考慮生產(chǎn)節(jié)拍、工作效率等因素,完成自動(dòng)化生產(chǎn)線總體布局、裝備布局,同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行功能配置和調(diào)試,最終實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)碼垛的無(wú)人化工作,可以為不同場(chǎng)景的搬運(yùn)、碼垛功能實(shí)現(xiàn)提供思路,使搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線更加智能化、輕量化和高效化。

1系統(tǒng)構(gòu)成

搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線由6軸工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)輸送系統(tǒng)、碼垛托盤、末端手爪、PLC與控制柜、電腦工作臺(tái)、大屏顯示系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等外圍設(shè)備硬件 系統(tǒng)組成。利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的 自動(dòng)搬運(yùn)和碼垛任務(wù),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種垛形的碼放,還配置了自動(dòng)稱重、貼標(biāo)簽、檢測(cè)及通信系統(tǒng),并與生產(chǎn)控制系統(tǒng)相連接,以形成一個(gè)完整的集成化自動(dòng)生產(chǎn)線。根據(jù)搬運(yùn)碼垛工作現(xiàn)場(chǎng)的需求, 自動(dòng)化產(chǎn)線的布局如圖1所示。

1.1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

在搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線中,機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)、 碼垛、換手爪的操作。通過(guò)示教編程、與PLC通信來(lái)保證各功能的實(shí)現(xiàn)^[2]。

1.2 輸送單元

包含兩組直線滾筒輸送機(jī)和兩組90O轉(zhuǎn)彎輸送機(jī),組成U型輸送線,實(shí)現(xiàn)單線單垛循環(huán)輸送拆碼垛。整條輸送線由4個(gè)三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng),每個(gè)電機(jī)配有一個(gè)變頻器進(jìn)行運(yùn)輸速度調(diào)節(jié)。輸送系統(tǒng)配套定位傳感器,可對(duì)工件位置進(jìn)行檢測(cè)和啟?？刂?輸送線上和末端均設(shè)置有限位裝置,精確控制工件在輸送線上的位置和到位檢測(cè)處理。

1.3 夾具換裝單元

由靜音氣泵、真空發(fā)生器、工具快換接頭、吸盤抓手、三爪氣爪、工具支架等機(jī)構(gòu)組成。工具快換接頭可以連接吸盤抓手、三爪氣爪兩種工具進(jìn)行功能性操作。吸盤抓手上裝有真空吸盤和氣動(dòng)對(duì)接裝置,真空吸盤的吸放由機(jī)器人控制,可以隨工業(yè)機(jī)器人末端手腕移動(dòng),吸取機(jī)器人末端工作范圍內(nèi)的工件。氣爪用來(lái)實(shí)現(xiàn)圓柱工件的抓取、放置,由機(jī)器人信號(hào)控制氣爪張開(kāi)與閉合。工具支架安裝在工具臺(tái)上,用于機(jī)器人自動(dòng)放置和取用不同的末端工具^[3]。

1.4電氣控制柜

用于控制工作站各單元之間的配合,包含PLC、變頻器、電源、數(shù)據(jù)信號(hào)線路、繼電器、觸摸屏等電氣部件,在觸摸屏上,可直觀監(jiān)控工作站狀況和參數(shù),并隨時(shí)提取動(dòng)作記錄。對(duì)每種工件都可方便地設(shè)定工作程序,工作程序可進(jìn)行儲(chǔ)存并被隨時(shí)調(diào)用;工作時(shí)按操作者選用的程序完成工件的 自動(dòng)運(yùn)行。在運(yùn)行中,可人為干預(yù),中途因故停止后,智能處理后繼續(xù)運(yùn)行。

2控制系統(tǒng)構(gòu)成

搬運(yùn)碼垛 自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、PLC、觸摸屏、變頻器、繼電器、開(kāi)關(guān)電源、光電開(kāi)關(guān)、光柵和電機(jī)等,其硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 工業(yè)機(jī)器人

生產(chǎn)線采用了優(yōu)傲UR10協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人,優(yōu)傲UR10容易編程,設(shè)置快捷,具備協(xié)作性與安全性及更高的精確性和可靠性,能自動(dòng)處理重量達(dá)10 kg 的流程和作業(yè)。其控制器如圖3所示。

2.2 PLC

考慮到電磁兼容性、抗沖擊和振動(dòng)能力以及較強(qiáng)的工業(yè)適應(yīng)性等功能需求,搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線選用的PLC為SIMATICS7—1500,具體的CPU型號(hào)為CPU1511—1 PN。CPU1511—1 PN帶有一個(gè)雙端口接口,其中PROFINET接口除了PROFINET基本功能,還支持PROFINET IO RT(實(shí)時(shí))和IRT(等時(shí)同步實(shí)時(shí))功能,可以實(shí)現(xiàn)與觸摸屏和優(yōu)傲機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信。

2.3觸摸屏

選用的觸摸屏型號(hào)為威綸通MT8121iE。MT8121iE人機(jī)界面已經(jīng)通過(guò)測(cè)試,證明符合歐盟CE電氣認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。此外,應(yīng)保證布線和接地方式正確,以確保該產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)可抵抗電氣噪聲的干擾。

2.4變頻器

選用的變頻器型號(hào)為施耐德ATV310。施耐德 ATV310變頻器緊湊的結(jié)構(gòu)、超凡的性能特別適用于中國(guó)市場(chǎng)通用工業(yè)機(jī)械設(shè)備。

2.5 安全光柵

選用的安全光柵為臺(tái)禾安全光柵,主要包括發(fā)射器、接收器、供電線及對(duì)接線。安全光柵是光電傳感器的一種,但其檢測(cè)范圍要比簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)光電傳感器大得多,可以有效避免設(shè)備工作過(guò)程中的危險(xiǎn),提高安全系數(shù)。

2.6 快換裝置

選用的快換裝置為博澤快換盤。工具自動(dòng)快換使得機(jī)器人在不需要人為干預(yù)的情況下,就可自動(dòng)根據(jù)工作需求更換末端工具,更好地完成自動(dòng)化生產(chǎn),提高了設(shè)備的柔性。快換裝置包括固定在機(jī)器人手腕末端法蘭盤的固定端,以及可以隨時(shí)更換的工具端,如圖4所示,兩者的接口是通用的,可以通過(guò)氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)工具端的夾緊和松開(kāi),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換工具。

3控制系統(tǒng)的編程與調(diào)試

根據(jù)產(chǎn)線的工作要求,完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)工作流程控制,其控制原理為:工作人員在觸摸屏上選擇碼垛方式,PLC結(jié)合觸摸屏的碼垛方式及稱重傳感器傳回的物重信息,自行判斷垛形及位置,當(dāng)傳送帶起始端傳感器檢測(cè)到物料信息后,啟動(dòng)傳送帶運(yùn)送物料,傳送帶各個(gè)位置的傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料的位置并在觸摸屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí),機(jī)器人根據(jù)PLC給的信號(hào)抓取所需工具,當(dāng)傳感器檢測(cè)到物料到達(dá)指定位置時(shí),機(jī)器人到達(dá)預(yù)設(shè)位置拾取物料,根據(jù)判斷的垛形進(jìn)行碼垛或裝箱等工作,碼垛完成后機(jī)器人給PLC發(fā)送一個(gè)完成信號(hào),為下一輪工作任務(wù)做好準(zhǔn)備。

整個(gè)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包括PLC程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)及觸摸屏界面的編寫。三種程序都采用模塊化設(shè)計(jì),每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的小功能,再編寫總程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊整合串接,最終實(shí)現(xiàn)整體的控制。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序包括系統(tǒng)初始化子程序、通信子程序、手動(dòng)調(diào)試子程序、自動(dòng)運(yùn)行子程序及I/O映射子程序。

初始化程序:當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)或第一次上電時(shí),所有氣缸復(fù)位,機(jī)器人回到home點(diǎn),送料機(jī)構(gòu)停止送料,碼垛或拆垛方式選擇復(fù)位清零,報(bào)警信息清零。

通信子程序:實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PLC之間信號(hào)的傳遞,包括運(yùn)輸?shù)轿?、搬運(yùn)完成、急停、碼垛程序選擇等信號(hào)。實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的信號(hào)傳遞,包括碼垛方式的選擇、垛形的選擇、物料運(yùn)動(dòng)的位置等信號(hào)。

手動(dòng)調(diào)試子程序:單獨(dú)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能,傳送帶的正反轉(zhuǎn),點(diǎn)動(dòng)控制,傳送帶完整運(yùn)輸一個(gè)物料的程序,機(jī)器人更換工具的程序;單獨(dú)實(shí)現(xiàn)某種垛形的碼垛程序,系統(tǒng)急停、暫定、繼續(xù)運(yùn)行的程序,為整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和測(cè)試打好基礎(chǔ)。

自動(dòng)運(yùn)行子程序:PLC根據(jù)觸摸屏的選擇及傳感器傳回的信號(hào)進(jìn)行判斷選擇,告訴機(jī)器人執(zhí)行哪個(gè)子程序,同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部信號(hào),控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

I/O映射子程序:將傳感器、機(jī)器人等信號(hào)進(jìn)行映射,最終在觸摸屏上以指示燈、報(bào)警信息等方式顯示出來(lái)。

3.2機(jī)器人控制程序

程序主要針對(duì)機(jī)器人搬運(yùn)碼垛應(yīng)用。程序主要分為兩個(gè)部分:一是實(shí)現(xiàn)物料裝箱及不同垛形的碼放,二是通過(guò)機(jī)器人工具末端工具的更換實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同類型物料的碼放。主要流程如圖5所示。

機(jī)器人程序主要包括初始化程序、更換手爪子程序、取料子程序、放料子程序,及能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同碼垛功能的子程序。

初始化程序中,機(jī)器人先讀取當(dāng)前位置信息與home位置進(jìn)行比較(若機(jī)器人已在home位置,則繼續(xù)執(zhí)行后面的程序,并輸出信號(hào)復(fù)位指令;若機(jī)器人不在 home位置,機(jī)器人工具點(diǎn)先向上移動(dòng)至安全高度,然后回到home位置)。機(jī)器人回到home位置后,對(duì)機(jī)器人末端是否安裝手爪進(jìn)行判斷,若裝有手爪則需要自動(dòng)放下,保證工作站的初始狀態(tài),避免與后續(xù)程序發(fā)生干涉。

機(jī)器人主程序啟動(dòng)通過(guò)外部控制柜旋鈕開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸入控制,根據(jù)觸摸屏的參數(shù)選擇判斷將要調(diào)用的子程序。子程序1代表單獨(dú)對(duì)矩形物料的搬運(yùn)碼垛過(guò)程,無(wú)工具更換部分,根據(jù)重量傳感器判斷兩種垛形的變換。子程序2代表對(duì)兩種不同類型物料的裝箱碼垛過(guò)程,先完成箱體的碼垛,更換工具完成裝箱后,再繼續(xù)更換工具完成第二個(gè)箱體的碼垛,再完成裝箱,依此類推,直至完成所有箱體的碼垛及裝箱工作。

3.3觸摸屏界面設(shè)計(jì)

如圖6所示, 自動(dòng)化產(chǎn)線程序控制界面主要分為四個(gè)窗口:碼垛主窗口、手動(dòng)調(diào)試窗口、產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)窗口和報(bào)警信息窗口。其中碼垛主窗口可以進(jìn)行產(chǎn)線運(yùn)行、停止、暫停及待命狀態(tài)的監(jiān)視,也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制手爪開(kāi)合及快換接口的開(kāi)合。手動(dòng)調(diào)試窗口可以實(shí)現(xiàn)4臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)手動(dòng)測(cè)試,以及8路輸入/輸出的顯示及控制。產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)窗口可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及物料運(yùn)行位置的監(jiān)視。報(bào)警信息窗口在產(chǎn)線運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)或按下急停按鈕后,可以顯示具體的報(bào)警信息,操作員可以根據(jù)報(bào)警信息解決故障。

4產(chǎn)線應(yīng)用與分析

搬運(yùn)碼垛 自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用西 門子S7-1500作為控制器,將優(yōu)傲機(jī)器人、自動(dòng)輸送系統(tǒng)、快換單元以及倉(cāng)儲(chǔ)單元等集成在一起,調(diào)試完成后在某物流公司進(jìn)行了碼垛測(cè)試。該公司原來(lái)采用人工搬運(yùn)碼垛,一天能碼垛1 350~1 500盒,同時(shí),由于工人連續(xù)工作身體疲勞,碼垛出錯(cuò)率達(dá)3%~5%。而采用自動(dòng)化產(chǎn)線替代人工后,工作過(guò)程穩(wěn)定,不僅可以減少人工數(shù)量,提高碼垛準(zhǔn)確率到99%,工作效率也能提高40%左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決我國(guó)目前物流行業(yè)智能化、自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題,本文以優(yōu)傲協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人為主體,西門子S7-1500為核心控制器,通過(guò)以太網(wǎng)通信將工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)輸送系統(tǒng)、碼垛托盤、快換單元、安全防護(hù)裝置等集成在一起,完成了搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,能夠完成不同物料的裝箱及碼垛工作,準(zhǔn)確率達(dá)99%。經(jīng)過(guò)企業(yè)實(shí)際測(cè)試,搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)整體運(yùn)行良好,工作速度快且穩(wěn)定,降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率。同時(shí),該產(chǎn)線可通過(guò)自行編程實(shí)現(xiàn)多種垛形的編程,且外圍設(shè)備豐富,可控性、柔性較高,可以為企業(yè)設(shè)備升級(jí)改造提供后續(xù)支持。

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2024年第19期第4篇