★青島星華智能裝備有限公司謝國強(qiáng)，駱廣兵，王永濤

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；PLC；上下料系統(tǒng)；自動控制

1 引言

當(dāng)前我國啤酒包裝技術(shù)大多采用德國的罐裝生產(chǎn)線，但是一些輔助包裝生產(chǎn)水平還比較低，有關(guān)官方研究顯示啤酒包裝仍依靠人工放取物料的方式進(jìn)行上下料操作。操作人員需要站在包裝線前面，要長時間放取物料，進(jìn)行單一重復(fù)的動作，工作環(huán)境惡劣，噪聲較大，工人勞動強(qiáng)度大、易疲勞，導(dǎo)致生產(chǎn)率較低，且產(chǎn)品不合格率高，造成經(jīng)濟(jì)損失^[1]。而且據(jù)相關(guān)報告顯示，由此引發(fā)的工傷事故及加工廢品給生產(chǎn)工廠造成了較大的損失。隨著技術(shù)的進(jìn)步科技的發(fā)展，工廠急需一種智能化水平好、加工精度高、工作效率高的自動化設(shè)備來替代人工上下料操作。而基于PLC控制的機(jī)器人上下料系統(tǒng)不僅能按照生產(chǎn)工藝的要求對紙箱進(jìn)行拆剁、剪繩、放料，完成上下料操作，而且能對加工對象的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和記錄，此外還為青啤工廠降低了勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效^[2]。

2 系統(tǒng)組成

2.1 工藝流程

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)生產(chǎn)線有拆垛機(jī)器人、上料機(jī)器人、對中移載機(jī)構(gòu)、氣動機(jī)構(gòu)和視覺系統(tǒng)。拆垛機(jī)器人是由一個六軸關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、一個3D視覺相機(jī)和一個抓箱抓手組成。上料機(jī)器人是由一個六軸關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、一個3D視覺相機(jī)、一個剪繩抓手和一個抓箱抓手組成。

2.2 系統(tǒng)組成

（1）拆垛機(jī)器人

拆垛機(jī)器人由型號IRB6700-150/3.20的ABB六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人、1個3D視覺相機(jī)和1個非標(biāo)抓手組成。ABB工業(yè)機(jī)器人是一款高效率、多功能工業(yè)機(jī)器人，有本體、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和示教器4個基本部分。非標(biāo)抓手是采用非標(biāo)夾具設(shè)計機(jī)器人抓手。如圖1所示。抓手由真空吸盤、抱夾機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、鋁合金框架主體等組成。抓手先用吸盤吸住紙箱，上升到一定高度，再用抱夾機(jī)構(gòu)抱住紙箱，防止在移動過程中紙箱偏斜。

（2）上料機(jī)器人

上料機(jī)器人由型號為IRB4600-60/2.05的ABB六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人、1個3D視覺相機(jī)、1個剪繩抓手和1個抓箱抓手組成。ABB工業(yè)機(jī)器人是一款高效率、多功能工業(yè)機(jī)器人，有本體、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和示教器4個基本部分。非標(biāo)抓手是采用非標(biāo)夾具設(shè)計機(jī)器人抓手。剪繩抓手由氣缸、夾繩機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、剪刀等組成。抓手是先用相機(jī)定位，由伺服電機(jī)調(diào)整兩個剪刀位置，然后下壓并吹氣，夾子夾繩，上提夾子，剪刀動作將繩子剪斷，機(jī)器人用抓手把繩子放到廢物箱。抓箱抓手有兩組上下平板抱夾和兩個氣缸，等剪繩抓手剪完繩后，切換抓箱抓手，由抱夾夾子，然后送至克朗斯線體。

（3）對中移載機(jī)構(gòu)

對中移載機(jī)構(gòu)由護(hù)板、支架、可調(diào)杯腳、左右定位氣缸、前定位氣缸、頂升氣缸和移載氣缸等組成。本系統(tǒng)有2個位置，待機(jī)位用于放置拆垛機(jī)器人抓取的紙箱，對中定位后移到抓取位，上料機(jī)器人剪繩后，把紙箱放置于相應(yīng)的克朗斯線體上。

（4）氣動機(jī)構(gòu)

氣動機(jī)構(gòu)由調(diào)壓過濾器、氣源電子壓力顯示器、儲氣穩(wěn)壓罐、單向閥、電磁換向閥、噴嘴、氣缸等組成。主氣源通過連接管分為三條氣路，第一條用于對中移載機(jī)構(gòu)，為定位氣缸和頂升氣缸提供動力。第二條用于拆垛機(jī)器人夾具，用來吸紙箱，抱夾氣缸用來抱住紙箱，防止移動過程中，紙箱滑動。第三條用于上料機(jī)器人夾具，主要完成抓手的動作，用于剪繩、抱夾。此外還用于吹氣吹動繩。總之，用于氣缸動作來完成工藝所需^[4]。

（5）視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)采用梅卡曼德3D相機(jī)。視覺系統(tǒng)分拆垛視覺和剪繩視覺；拆垛工位有兩個垛位，由機(jī)器人進(jìn)行拆垛，每個垛位每層有4摞紙箱，3D視覺先到達(dá)垛位最高拍照位置，識別紙箱高度，并將高度發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)紙箱高度值，調(diào)整相機(jī)到距離紙箱垛1600mm位置處拍照。3D視覺識別紙箱上扎帶數(shù)量（正常捆綁扎帶2根，若檢測出1根扎帶給出報警，人工干預(yù)拿走紙箱），拍照定位紙箱位置和方向，視覺給出抓取點，機(jī)器人每次抓取帶有扎帶的一摞紙殼放置到定位剪斷臺上。當(dāng)層紙箱抓取完成，通過機(jī)器視覺判斷是否有大紙殼隔板，若有隔板，給出隔板位置。機(jī)器人先把隔板取走。剪繩工位由視覺檢測判斷剪斷臺上的紙箱折疊是否正確，檢測扎帶位置是否在指定的范圍區(qū)間（若在范圍區(qū)間，給出抓取點和繩子到抓取點距離；若不在范圍區(qū)間，則報警），機(jī)器人去剪斷扎繩并抽走，通過機(jī)器視覺拍照進(jìn)行復(fù)檢，如果紙箱上沒有扎帶，機(jī)器人將剪斷后的紙殼放置到流水線上，若兩次復(fù)檢后還有扎帶，視覺給出報警。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

本控制系統(tǒng)上位機(jī)為觸摸屏，下位機(jī)控制為PLC，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為工業(yè)機(jī)器人和對中移載機(jī)構(gòu)。觸摸屏是人機(jī)交互界面，用于手動操作，修改一些參數(shù)，方便操作設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，還可以記錄班次的產(chǎn)量和人員工作效率，也可以提供設(shè)備運行時故障發(fā)生記錄，便于查找故障解決問題，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運行^[3]。PLC是設(shè)備的控制核心，是設(shè)備的大腦，通過輸入輸出信號經(jīng)數(shù)字運算和邏輯控制用于控制電機(jī)、氣缸和機(jī)器人等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運行^[4]。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）PLC的選型

主控PLC選用西門子CPU1214C，2個16點輸入模塊選用6ES7221-1BH32-0XB0，2個輸入輸出模塊選用6ES7221-1BH32-0XB0，1個DP模塊6GK7243-5DX30-0XE0，1個DP/DPCOUPLER模塊6ES7158-0AD01-0XA0，1個模擬量輸入模塊選用6ES7231-4HD32-0XB0。本控制系統(tǒng)PLC主要用于控制夾具和對中移載機(jī)構(gòu)，并和AGV、機(jī)器人進(jìn)行邏輯信號交互。

（2）檢測元件的選型

用于檢測克朗斯線體上紙箱的距離，選用德國SICK的激光測距傳感器，型號為DT35-B15251；用于料臺檢測的鏡反射光電，選用德國SICK的型號為GL6-P1211，漫反射光電采用SICK的GLB6-P1441S46，接近開關(guān)選用SICK的型號為IME12-08NPSZC0S。氣缸上的磁性開關(guān)選用亞德客的型號為CMSG-020，用于檢測反饋氣缸動作的完成情況。

（3）執(zhí)行元件的選型

用于控制氣缸動作和吹掃的電磁閥，均采用亞德客公司生產(chǎn)的五口三位電磁閥型號為4V230C06B，三口兩位電磁閥型號為3V21008NCB，抓手伺服電機(jī)為西門子的訂貨號為1FL60342AF211MA1，驅(qū)動器為西門子訂貨號6SL32105FB104UF1。

（4）其他元件的選型

工業(yè)交換機(jī)采用天津吉諾的型號為GIE3008-8T，安全繼電器采用OMRON的型號為G7SA-5A1B，隔離變壓器采用正泰的型號為JBK5-1600VA輸入AC380，雙輸出AC220V1500VA和AC240V100VA。開關(guān)電源采用施耐德的型號為ABL2REM24100H。安全門開關(guān)選用OMRON的型號為D4NS-1CF。

3.2  I/O變量定義

本控制系統(tǒng)有開關(guān)量50個輸入點，29個輸出點。模擬量輸入有3個激光測距的輸入點^[5]。由于輸入輸出點比較多，如表2所示，只顯示部分點位。

表2 主控PLC輸入輸出點

3.3 硬件網(wǎng)絡(luò)組成

觸摸屏人機(jī)界面HMI和主控PLC之間現(xiàn)場總線PROFINET通訊，主控PLC和拆垛機(jī)器人、上料機(jī)器人之間是PROFINET通訊，主控PLC和伺服1、伺服2驅(qū)動之間用PROFIBUD-DP通訊。ABB拆垛機(jī)器人和MECH-MIND3D相機(jī)之間用以太網(wǎng)TCP/IP通訊，ABB上料機(jī)器人和MECH-MIND3D相機(jī)之間用以太網(wǎng)

CP/IP通訊^[6]。如圖2所示。

圖2 硬件網(wǎng)絡(luò)圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 功能設(shè)計

本文的控制系統(tǒng)可分為主控PLC控制程序、觸摸屏程序、拆垛機(jī)器人程序和上料機(jī)器人程序。主控PLC程序可分為報警信息程序、對中平臺控制、機(jī)器人間信息交互、模擬量處理、伺服控制程序、與AGV交互程序、與線體交互程序等^[7]。觸摸屏畫面有主控畫面、伺服參數(shù)畫面、信號監(jiān)控畫面、報警畫面和機(jī)器人交互畫面等。機(jī)器人程序可分為初始化程序、主程序、抓手程序、SOCKET程序、DATA數(shù)據(jù)程序等^[8]。

4.2 工藝自動化流程

圖3為拆垛機(jī)器人程序流程，機(jī)器人開始運行后，需人工選擇拆垛垛位，1號門對應(yīng)1號垛位，2號門對應(yīng)2號垛位，當(dāng)人工選擇完畢后，機(jī)器人需進(jìn)行人工二次確認(rèn)，確認(rèn)無誤后，機(jī)器人需要人工判斷夾具上是否有料，如果有料，請人工取走，沒料，則機(jī)器人將進(jìn)行初始化，并回原點。初始化結(jié)束后，機(jī)器人進(jìn)行拆垛放料循環(huán)，在初始拍照點獲取機(jī)器人與垛位最上層紙箱距離，機(jī)器人運行至相機(jī)距離紙箱1.7米左右的高度后進(jìn)行二次拍照。二次拍照是為了獲取抓取位置點，機(jī)器人根據(jù)收到的狀態(tài)碼判斷當(dāng)前狀態(tài)是否符合抓取要求。

圖3 拆垛機(jī)器人程序流程圖

狀態(tài)碼：

0——機(jī)器人抓取紙箱；

2——相機(jī)錯誤，需人工干預(yù)；

3——相機(jī)識別出最上層是隔板，機(jī)器人將抓取隔板；

4——機(jī)器人換垛；

5——相機(jī)識別到有扎帶異常的情況，存在沒有扎帶，或者單根扎帶。

機(jī)器人抓取完整垛料以后，根據(jù)相機(jī)反饋狀態(tài)碼4進(jìn)行換垛，并呼叫AGV取走空托盤，補(bǔ)上新料，完成循環(huán)。

圖4為上料機(jī)器人程序流程，機(jī)器人開始接收上位機(jī)發(fā)來的物料類型，然后將物料類型發(fā)給相機(jī)，相機(jī)拍照獲取扎帶位置，視覺系統(tǒng)判斷扎帶是否正常，不正常則報警由人工處理；正常就讓機(jī)器人抓手開始剪繩，剪完繩后抓手把繩子扔進(jìn)廢料箱，然后視覺系統(tǒng)再拍照判斷是否剪繩成功，不成功就報警由人工處理，成功則抓取物料放到克朗斯線體上，然后回到原位。

圖4 上料機(jī)器人程序流程圖

5 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)采用ABB的6軸工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)器人模仿人的手臂，按照設(shè)定的工藝路徑等參數(shù)進(jìn)行物料的識別、抓取及搬運等動作，是目前工業(yè)自動化生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一。本系統(tǒng)研究的工業(yè)機(jī)器人自動上下料控制系統(tǒng)是應(yīng)用在啤酒罐裝包裝生產(chǎn)線中，通過PLC來控制工業(yè)機(jī)器人的動作，實現(xiàn)兩臺機(jī)器人協(xié)作的自動上下料作業(yè)流程，由于此項操作重復(fù)性強(qiáng)并且工作強(qiáng)度高，而且手工操作已經(jīng)不能滿足大批量生產(chǎn)的實際需求，而工業(yè)機(jī)器人可以快速準(zhǔn)確地高精度重復(fù)定位，工作時間長，環(huán)境適應(yīng)性好，可以極大地提高生產(chǎn)效率。可見，工業(yè)機(jī)器人可以用高精度智能化的操作代替人力，所以對工業(yè)機(jī)器人的柔性控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用到工廠實際生產(chǎn)中很有必要^[9]。

基于PLC的工業(yè)機(jī)器人自動上下料生產(chǎn)線已經(jīng)在生產(chǎn)車間安裝完成并正常運行半年。這套控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線安全平穩(wěn)運行，具有高度的自動化水平，可以大大減輕勞動強(qiáng)度，提高加工效率。

作者簡介：

謝國強(qiáng) （1979-），男，山東青島人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于青島星華智能裝備有限公司，研究方向為上輔機(jī)、小料稱量、雙復(fù)合等橡膠設(shè)備，線體、堆垛機(jī)、RGV等物流設(shè)備，自動包裝設(shè)備。

駱廣兵 （1987-），男，山東濟(jì)寧人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于青島星華智能裝備有限公司，研究方向為智能物流倉儲類裝備、機(jī)器人系統(tǒng)集成等。

王永濤 （1979-），男，山東青島人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于青島星華智能裝備有限公司，研究方向為機(jī)器人、龍門桁架、AGV等。

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摘自《自動化博覽》2022年7月刊