基于機(jī)器人群控技術(shù)的碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

腰曉凱

摘要：以某藥業(yè)車間一層自動(dòng)包裝系統(tǒng)及碼垛線設(shè)備項(xiàng)目為背景，針對(duì)多品種、小批量的生產(chǎn)模式，對(duì)碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。引入機(jī)器人群控技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了使用三臺(tái)工業(yè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)四個(gè)碼垛工位的碼垛生產(chǎn)線。利用西門子S7-300 PLC對(duì)機(jī)器人及其外圍設(shè)備進(jìn)行控制，采用優(yōu)先級(jí)的方式避免了機(jī)器人的沖突并節(jié)省了機(jī)器人的等待時(shí)間，利用工業(yè)計(jì)算機(jī)和力控軟件設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

關(guān)鍵詞：碼垛；工業(yè)機(jī)器人；機(jī)器人群控；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）22-0236-03

Abstract： This is designed for a pharmaceutical workshop layer of automatic packing and palletizing line system equipment ，in view of the many varieties but small batch production mode. It is designed with three Industrial robots work for four palletizing workstations with multi-robot cooperation technology. Using the Siemens S7-300 PLC to control the robots and peripheral equipments， using the method of priority to avoid the conflict of the robots and save the waiting time.Whats more the remote monitoring system can be realized by using the industrial computer and the force control software.

Key words： pallet； industrial robot； multi-robot cooperation； remote monitoring

據(jù)調(diào)查， 在商品的整個(gè)生產(chǎn)過程中，大約僅有5%的時(shí)間用于加工和制造，而大量的時(shí)間用于包裝、檢測(cè)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸。勞動(dòng)成本僅占中成本的10%左右，而存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用接近一半[1]。這是因?yàn)?，?dāng)前我國(guó)的許多企業(yè)還處于人力搬運(yùn)的落后階段，有些公司雖然部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但其自動(dòng)化程度還不夠高，傳統(tǒng)的物流倉(cāng)儲(chǔ)模式極大地占用了生產(chǎn)運(yùn)輸時(shí)間和商品成本[2]。由此可以看出通過碼垛機(jī)器人技術(shù)的運(yùn)用來降低生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本是極為必要的，該技術(shù)在提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。

1 系統(tǒng)要求

對(duì)碼垛工業(yè)機(jī)器人程序主要有兩個(gè)方面的要求[3]：一方面，不同大小的物件機(jī)器人執(zhí)行進(jìn)的距離不同；另一方面，不同物件的放置位置不同。以往，為了滿足上述要求，每當(dāng)物件改變一次，就需對(duì)程序進(jìn)行一次修改。對(duì)于某些品種多、生產(chǎn)批量小的企業(yè)，需要頻繁的修改，顯然不夠便捷且不易管理。因此，文中對(duì)控制系統(tǒng)的要求為：系統(tǒng)集中管理，具有便捷的人機(jī)交互；工業(yè)機(jī)器人能根據(jù)預(yù)設(shè)值或傳感器檢測(cè)值控制執(zhí)行器的行進(jìn)距離，完成對(duì)不同大小物件的抓取及放置動(dòng)作；工業(yè)機(jī)器人能根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)分配位置，將物件進(jìn)行堆垛。

碼垛生產(chǎn)線的工作流程可分為成品輸送分流，空托盤輸出供應(yīng)和成品垛輸出三部分。成品箱輸送分流是指產(chǎn)品經(jīng)過包裝成為密封完好的成品箱之后輸送至碼垛工位的過程，首先成品箱經(jīng)過掃碼區(qū)，讀取到產(chǎn)品信息之后根據(jù)產(chǎn)品信息由分流機(jī)構(gòu)對(duì)紙箱進(jìn)行分流使其進(jìn)入不同的工位。當(dāng)出現(xiàn)重碼、條碼不能識(shí)別等情況時(shí)，則進(jìn)行人工處理?？胀斜P輸出供應(yīng)是指托盤從托盤庫(kù)輸送到碼垛工位的過程，為了便于管理托盤出庫(kù)后首先進(jìn)行掃描記錄，每個(gè)托盤都有一個(gè)唯一的識(shí)別碼，當(dāng)碼垛作業(yè)完成時(shí)會(huì)釋放一個(gè)碼垛完成的信號(hào)，此時(shí)成品垛從作業(yè)位置移出并將空托盤輸送到對(duì)應(yīng)位置。成品垛輸出部分是指成品垛輸送線及升降設(shè)備將成品垛輸送至倉(cāng)庫(kù)的過程。工藝流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)控制原理

本設(shè)計(jì)以西門子S7-300 PLC為主控制器，機(jī)器人及其外圍設(shè)備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工業(yè)計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)車間碼垛線上多臺(tái)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

碼垛工作由3臺(tái)工業(yè)機(jī)器人完成。機(jī)器人經(jīng)Profibus總線與主電柜PLC進(jìn)行通訊[4]。主PLC向機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的碼垛指令，碼垛機(jī)器人將動(dòng)作的執(zhí)行情況向PLC進(jìn)行回饋。上位機(jī)不直接與機(jī)器人進(jìn)行通訊，而是通過與PLC的通訊讀取機(jī)器人信息。上位機(jī)采集到輸送設(shè)備以及機(jī)器人的信號(hào)和數(shù)據(jù)，再通過PLC對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)控制。在上位機(jī)讀取信息后，可以對(duì)機(jī)器人的手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)、啟停狀態(tài)進(jìn)行切換，對(duì)碼垛速度和動(dòng)作編號(hào)等變量進(jìn)行讀取和設(shè)定。

機(jī)器人之間采用集中式控制方式：使用一臺(tái)機(jī)器人作為主站，另外兩臺(tái)作為從站，構(gòu)成了一個(gè)相互干涉的控制網(wǎng)絡(luò)[5]。每個(gè)機(jī)器人都將各自的動(dòng)作路徑和碼垛情況上傳到網(wǎng)絡(luò)中，另外還接收其臨近機(jī)器人的動(dòng)作路徑和碼垛情況，通過相應(yīng)的邏輯運(yùn)行來判斷此時(shí)應(yīng)該是執(zhí)行碼垛指令還是等待命令。

3 多機(jī)協(xié)作控制算法

3.1 空間布局

圖3是碼垛生產(chǎn)線的空間布局圖，本系統(tǒng)中使用三臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)四個(gè)碼垛工位。這個(gè)是針對(duì)產(chǎn)品分類較多而且出料不甚密集的生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，減少了機(jī)器人的等待時(shí)間同時(shí)也降低了成本。

這一過程可通過精確數(shù)學(xué)位置計(jì)算和計(jì)算機(jī)輔助仿真來實(shí)現(xiàn)：

產(chǎn)品輸送線之間的距離S

輸送線最大來箱速度

由于系統(tǒng)中使用三臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)了四條輸送線，其中2號(hào)輸送線和3號(hào)輸送線是有兩臺(tái)機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行作業(yè)，而1號(hào)輸送線和4號(hào)輸送線是一臺(tái)機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行作業(yè)，因此，各輸送線所能承受的最大來箱速度是不同的。設(shè)一臺(tái)機(jī)器人碼一箱的時(shí)間為t，則：

在分箱機(jī)制可承受范圍內(nèi)，總輸送線的最大來箱速度

在附近輸送線停止來包的情況下，1，4號(hào)輸送線最大來箱速度

2，3號(hào)輸送線最大來箱速度

在生產(chǎn)中可根據(jù)各產(chǎn)品的生產(chǎn)速度對(duì)輸送線進(jìn)行分配。

完成空間位置精確布局后，各機(jī)器人之間的干涉區(qū)域就得到確定。在機(jī)器人碼垛示教的過程中，就要注意進(jìn)行分段或分區(qū)域示教，以保證各機(jī)器人在其安全區(qū)域內(nèi)高效工作。

3.2 機(jī)器人群控任務(wù)分配算法

多機(jī)器人多生產(chǎn)線碼垛時(shí)，各機(jī)器人均受中央控制器控制，根據(jù)生產(chǎn)線上的信號(hào)狀態(tài)來接受任務(wù)、產(chǎn)生對(duì)應(yīng)動(dòng)作。中央控制器首先要讀取每條生產(chǎn)上的產(chǎn)品預(yù)約信號(hào)，根據(jù)預(yù)約信號(hào)指令對(duì)應(yīng)機(jī)器人做好碼垛準(zhǔn)備，當(dāng)產(chǎn)品準(zhǔn)備信號(hào)發(fā)送至控制器時(shí)，指令相應(yīng)機(jī)器人抓取碼垛。具體信號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)如下：

（1）當(dāng)預(yù)約信號(hào)檢測(cè)到輸送線來箱時(shí)，向指定機(jī)器人發(fā)送預(yù)約信號(hào)，預(yù)約機(jī)器人前來取箱；

（2）當(dāng)紙箱繼續(xù)前行，觸發(fā)準(zhǔn)備就緒信號(hào)，機(jī)器人對(duì)該箱進(jìn)行碼垛操作；

（3）機(jī)器人優(yōu)先對(duì)其對(duì)應(yīng)的優(yōu)先碼垛位進(jìn)行碼垛作業(yè)，以1號(hào)機(jī)器人為例，當(dāng)產(chǎn)品輸送線1、2同時(shí)有料時(shí)，1號(hào)機(jī)器人抓取輸送線1上的產(chǎn)品進(jìn)行碼垛；當(dāng)輸送線1無料、輸送線2有料、而2號(hào)機(jī)器人正處于工作狀態(tài)時(shí)，1號(hào)機(jī)器人抓取輸送線2上的產(chǎn)品進(jìn)行碼垛。

（4）當(dāng)輸送線對(duì)應(yīng)的機(jī)器人全部處于工作狀態(tài)時(shí)，紙箱在等待區(qū)等待，各輸送線都由多段滾筒組成，建立了積放系統(tǒng)，最大限度的增強(qiáng)了系統(tǒng)適應(yīng)性。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用北京三維力控公司的ForceControl（力控）軟件在實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間碼垛線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶登錄和退出系統(tǒng)、監(jiān)控界面、設(shè)備操作、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、報(bào)警信息等區(qū)域組成。

其中，用戶登錄和退出系統(tǒng)是為了保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設(shè)定了擁有不同操作權(quán)限的用戶組，只有正確登錄后才可以進(jìn)行相應(yīng)的操作；監(jiān)控界面包括控制主畫面、機(jī)器人工作狀態(tài)畫面、氣路畫面、工作臺(tái)畫面、故障診斷畫面等，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布局和工藝流程真實(shí)的模擬出來，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的工作情況和數(shù)據(jù)；設(shè)備操作是設(shè)置了專門的操作界面，主要是對(duì)碼垛機(jī)器人的操作和對(duì)普通設(shè)備（如傳送帶、升降機(jī)等）信息以及各個(gè)碼垛工位箱型的查詢和設(shè)定；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是對(duì)各設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)是否連通進(jìn)行監(jiān)控，通過設(shè)備的顏色對(duì)其網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行直觀的判斷；報(bào)警信息主要包括故障時(shí)間、類型、位置和原因四個(gè)方面，在上位機(jī)上可以直接讀取報(bào)警歷史記錄，便于設(shè)備維護(hù)和改進(jìn)。

5結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過研究，本文將機(jī)器人群控技術(shù)應(yīng)用到碼垛生產(chǎn)線中，實(shí)現(xiàn)了一條由三臺(tái)機(jī)器人為四個(gè)碼垛工位碼垛的自動(dòng)化碼垛生產(chǎn)線，能夠快速精確地對(duì)多種成品件進(jìn)行碼垛處理，具有操作方便、結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)應(yīng)用于某藥廠車間，節(jié)約了成品入庫(kù)的時(shí)間和成本，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量效果顯著。

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