基于KUKA.Sim Pro的飲料瓶裝箱生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)

劉文光

（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院機(jī)械制造學(xué)院，山東濟(jì)南 250103）

0 引言

隨著《中國制造2025》國家行動綱領(lǐng)的實(shí)施，生產(chǎn)線的智能化程度和生產(chǎn)效率成為企業(yè)之間市場競爭的關(guān)鍵[1]。裝箱生產(chǎn)線是飲料生產(chǎn)企業(yè)的重要工序環(huán)節(jié)。從降低人力成本和提高生產(chǎn)效率的因素考慮，企業(yè)在裝箱工序采取自動化設(shè)備代替人工成為必然趨勢[2]。工業(yè)機(jī)器人憑借精準(zhǔn)的位置精度、高效的產(chǎn)能、穩(wěn)定的運(yùn)行等優(yōu)勢在裝箱領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。

本文根據(jù)飲料瓶裝箱生產(chǎn)線的控制要求，基于KUKA.Sim Pro 3.1.2軟件對該生產(chǎn)線的部件進(jìn)行了建模與導(dǎo)入，完成了工作站的布局，設(shè)定了相關(guān)部件的鏈接屬性和IO控制，連接了各部件的IO信號，設(shè)定了工具坐標(biāo)與基坐標(biāo)，編寫了機(jī)器人程序，實(shí)現(xiàn)了飲料瓶裝箱生產(chǎn)線的仿真運(yùn)行，利用計(jì)時器測定了相關(guān)時間，對相關(guān)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化了生產(chǎn)線的工作節(jié)拍。

1 飲料瓶裝箱生產(chǎn)線的布局

飲料瓶裝箱生產(chǎn)線要求通過工業(yè)機(jī)器人等自動化設(shè)備能夠高效地實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，完成每箱12個1.5L飲料瓶的自動裝箱工作。

在KUKA.Sim Pro軟件中，選用Crate作為貨箱，選用Bottle 1.5 L作為飲料瓶；根據(jù)額定負(fù)荷、工作區(qū)域等參數(shù)選用KUKA通用版工業(yè)機(jī)器人KR 6 R900-2；選用兩個Conv Creator IO分別作為貨箱和飲料瓶的上料裝置；選用Conveyor作為貨箱輸送裝置，Conveyor的 Presets選擇 Roll Conveyor，即貨箱輸送裝置設(shè)置為滾軸類型[4]；選用Batch_Conveyor作為飲料瓶輸送裝置，Batch_Conveyor的Conveyor Type選擇Belt Conveyor，即飲料瓶輸送裝置設(shè)置為帶類型；選用Vert.Sensor IO作為控制貨箱前擋板上升的傳感器；選用Conveyor Sensor作為控制貨箱輸送裝置停止的傳感器，Conveyor Sensor的ReactOn選擇Origin，即當(dāng)檢測到貨箱的原點(diǎn)時傳感器的輸出Sensor-BooleanSignal為TRUE；選用Simple Robot Pedestal作為機(jī)器人底座；選用GenercFence作為安全護(hù)欄。

通過建模創(chuàng)建飲料瓶輸送裝置兩側(cè)的擋板。利用KUKA.Sim Pro軟件的原點(diǎn)捕捉功能設(shè)置擋板的原點(diǎn)。利用KUKA.Sim Pro軟件的工具捕捉功能將擋板安裝在飲料瓶輸送裝置的兩側(cè)，如圖1所示。

圖1 飲料瓶輸送裝置兩側(cè)擋板

通過建模創(chuàng)建貨箱的前擋板和后擋板。貨箱前后擋板及擋板底座如圖2所示。利用KUKA.Sim Pro軟件的原點(diǎn)捕捉功能設(shè)置擋板和底座的原點(diǎn)。利用KUKA.Sim Pro軟件的工具捕捉功能將擋板插入底座當(dāng)中。

圖2 貨箱前后擋板和擋板底座

吸盤工具等部件通過三維建模進(jìn)行創(chuàng)建與導(dǎo)入。

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)的飲料瓶裝箱生產(chǎn)線布局如圖3所示。利用KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人第六軸法蘭盤上安裝的吸盤完成對飲料瓶的取放。貨箱在長2600mm、寬300mm的輸送裝置上輸送，到達(dá)裝箱位置后停止，由前后兩塊貨箱擋板固定。飲料瓶在長1000mm、寬100mm的輸送裝置上輸送，到達(dá)拾取位置后由工業(yè)機(jī)器人通過吸盤將其取放入貨箱當(dāng)中。每個貨箱裝滿12個飲料瓶后，前后兩塊貨箱擋板下降，輸送裝置將貨箱運(yùn)送到搬運(yùn)碼垛等其它工序。

圖3 飲料瓶裝箱生產(chǎn)線布局

2 貨箱擋板的鏈接屬性和IO控制設(shè)置

對于貨箱擋板模型，利用KUKA.Sim Pro軟件的提取鏈接生成Link_1。Link_1的JointType選擇 “平移” ，其關(guān)節(jié)屬性的Controller選擇 “新伺服控制器” ，設(shè)置合適的初始值、最小限制、最大限制等參數(shù)。

利用KUKA.Sim Pro軟件的建模向?qū)гO(shè)置擋板的IO-控制。InputSignals選擇Two Separate signals。將擋板調(diào)整到最底端的初始位置，J1：CurrentState選擇Down。生成的貨箱擋板的IO信號如圖4所示。

圖4 貨箱擋板的IO信號

3 各部件的IO信號連接

KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人的101輸入連接控制貨箱前擋板上升的傳感器的SensorSignal；102輸入連接控制貨箱輸送裝置停止的傳感器的 SensorBooleanSignal；103輸入連接飲料瓶輸送裝置的BatchReadySignal；101輸出連接貨箱前擋板的IN_J1_Up；102輸出連接貨箱前擋板的IN_J1_Down；103輸出連接貨箱后擋板的IN_J1_Up；104輸出連接貨箱后擋板的IN_J1_Down；105輸出連接貨箱輸送裝置的PowerOnSignal。各部件的IO信號連接如圖5所示。

圖5 各部件的IO信號連接

KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人的1輸出控制安裝在機(jī)器人第六軸法蘭盤上的吸盤。

KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人的IO表如表1所示。

表1 KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人的IO表

4 工具坐標(biāo)和基坐標(biāo)的創(chuàng)建

創(chuàng)建如圖6所示的吸盤的工具坐標(biāo)TOOL_DATA[1]。

圖6 吸盤的工具坐標(biāo)TOOL_DATA[1]

創(chuàng)建如圖7所示的飲料瓶輸送裝置的基坐標(biāo)BASE_DATA[1]。

圖7 飲料瓶輸送裝置的基坐標(biāo)BASE_DATA[1]

分別將貨箱前后擋板點(diǎn)動升起，將貨箱放置到前后兩個擋板之間的裝箱位置。創(chuàng)建如圖8所示的貨箱裝箱位置的基坐標(biāo)BASE_DATA[2]。

圖8 貨箱裝箱位置的基坐標(biāo)BASE_DATA[2]

飲料瓶輸送裝置的ConveyorCapacity設(shè)置為1。首個飲料瓶離開輸送裝置后，上料裝置將下一個飲料瓶送達(dá)輸送裝置的首端并向前輸送。飲料瓶輸送裝置和上料裝置按此邏輯關(guān)系循環(huán)工作。

程序中設(shè)定：以貨箱從輸送裝置首端上料為起點(diǎn)，以12個飲料瓶裝箱完畢后貨箱輸送裝置啟動為終點(diǎn)，作為主程序的一個循環(huán)工作周期。

KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

5 機(jī)器人程序的編寫

用作基坐標(biāo)BASE_DATA[2]X方向的已裝箱飲料瓶計(jì)數(shù)的整型變量命名為CountX；用作基坐標(biāo)BASE_DATA[2]Y方向的已裝箱飲料瓶計(jì)數(shù)的整型變量命名為CountY。用作飲料瓶拾取的子程序命名為PickBottle；用作飲料瓶裝箱的子程序命名為PlaceBottle。

貨箱輸送裝置的ConveyorCapacity設(shè)置為2。前一個貨箱裝滿12個飲料瓶離開裝箱位置后，貨箱上料裝置將下一個貨箱送至貨箱輸送裝置首端。貨箱輸送裝置和上料裝置按此邏輯關(guān)系循環(huán)工作。

KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人PickBottle子程序流程圖如圖10所示。

圖10 PickBottle子程序流程圖

6 生產(chǎn)線的仿真調(diào)試

飲料瓶裝箱生產(chǎn)線仿真調(diào)試時，用于機(jī)器人的RCS模塊選用KUKA 8.5。

在主程序的適當(dāng)位置增加計(jì)時器指令。TIMER[1]對主程序每個循環(huán)工作周期的起點(diǎn)到貨箱到達(dá)裝箱位置后輸送裝置停止的過程計(jì)時；TIMER[2]對主程序每個循環(huán)工作周期計(jì)時。利用整形變量N對循環(huán)工作周期執(zhí)行的次數(shù)計(jì)數(shù)，程序執(zhí)行到N所設(shè)定的次數(shù)后，可用HALT指令將程序停止。

KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人主程序如圖11所示。

圖11 工業(yè)機(jī)器人主程序

設(shè)定KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動指令參數(shù)后，可根據(jù)TIMER[1]和TIMER[2]的計(jì)時時間，調(diào)整貨箱和飲料瓶輸送裝置的速度、貨箱上料裝置的上料時間間隔等參數(shù)，保證生產(chǎn)線的工作效率，優(yōu)化生產(chǎn)線的工作節(jié)拍。

調(diào)整好相關(guān)參數(shù)，可以使前一個貨箱到達(dá)輸送裝置末端時，后一個貨箱剛好到達(dá)裝箱位置。則每個貨箱從輸送裝置首端上料到到達(dá)輸送裝置末端所消耗的時間，即主程序本次循環(huán)工作周期的TIMER[2]與下一次循環(huán)工作周期的TIMER[1]計(jì)時時間之和。

仿真調(diào)試過程中，可以在KUKA.Sim Pro軟件中控制生產(chǎn)線在3D世界中模擬播放的速度，方便程序執(zhí)行效果的測試。若將貨箱輸送裝置的速度設(shè)置為200mm/s；飲料瓶輸送裝置的速度設(shè)置為200mm/s；貨箱上料裝置的上料時間間隔設(shè)置為65s；飲料瓶上料裝置的上料時間間隔設(shè)置為1s。取循環(huán)工作周期執(zhí)行的次數(shù)N等于10，則10個貨箱從輸送裝置首端上料到到達(dá)輸送裝置末端共耗時746.423s，平均裝滿每箱耗時74.6423s。按照以上參數(shù)，在正常模擬播放速度下仿真調(diào)試時會發(fā)現(xiàn)，KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人到達(dá)等待拾取飲料瓶的過渡點(diǎn)位置后，飲料瓶尚未到達(dá)被拾取位置，如圖12所示。

圖12 飲料瓶未到達(dá)被拾取位置

將KR 6 R900-2工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動指令速度參數(shù)適當(dāng)減??；飲料瓶輸送裝置的速度調(diào)整為300mm/s，可解決上述問題，如圖13所示。取循環(huán)工作周期次數(shù)N等于10，則10個貨箱從輸送裝置首端上料到到達(dá)輸送裝置末端共消耗654.904s，平均裝滿每箱耗時65.4904s。生產(chǎn)線的工作效率比按照之前所設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行時有所提高，并且后一個貨箱到達(dá)裝箱位置時，前一個貨箱剛好到達(dá)輸送裝置末端。

圖13 飲料瓶已到達(dá)被拾取位置

飲料瓶裝箱生產(chǎn)線仿真效果如圖14所示。

圖14 飲料瓶裝箱生產(chǎn)線仿真效果

7 結(jié)束語

基于KUKA.Sim Pro對飲料瓶裝箱生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。通過仿真調(diào)試，設(shè)置了相關(guān)部件的運(yùn)動速度、時間間隔等關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化了生產(chǎn)線的工作節(jié)拍。若生產(chǎn)線控制要求發(fā)生變化，可在不影響原有生產(chǎn)的情況下，離線更新并測試相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證無誤后用于實(shí)際生產(chǎn)?；贙UKA.Sim Pro的飲料瓶裝箱生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)，能夠縮短設(shè)計(jì)調(diào)試周期，降低設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率。