★青島星華智能裝備有限公司謝國強，駱廣兵，王永濤

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；PLC；上下料系統；自動(dòng)控制

1 引言

當前我國啤酒包裝技術(shù)大多采用德國的罐裝生產(chǎn)線(xiàn)，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(xiàn)前面，要長(cháng)時(shí)間放取物料，進(jìn)行單一重復的動(dòng)作，工作環(huán)境惡劣，噪聲較大，工人勞動(dòng)強度大、易疲勞，導致生產(chǎn)率較低，且產(chǎn)品不合格率高，造成經(jīng)濟損失^[1]。而且據相關(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(chǎng)造成了較大的損失。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步科技的發(fā)展，工廠(chǎng)急需一種智能化水平好、加工精度高、工作效率高的自動(dòng)化設備來(lái)替代人工上下料操作。而基于PLC控制的機器人上下料系統不僅能按照生產(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)行監控和記錄，此外還為青啤工廠(chǎng)降低了勞動(dòng)強度，提高生產(chǎn)效^[2]。

2 系統組成

2.1 工藝流程

本文設計的控制系統生產(chǎn)線(xiàn)有拆垛機器人、上料機器人、對中移載機構、氣動(dòng)機構和視覺(jué)系統。拆垛機器人是由一個(gè)六軸關(guān)節工業(yè)機器人、一個(gè)3D視覺(jué)相機和一個(gè)抓箱抓手組成。上料機器人是由一個(gè)六軸關(guān)節工業(yè)機器人、一個(gè)3D視覺(jué)相機、一個(gè)剪繩抓手和一個(gè)抓箱抓手組成。

2.2 系統組成

（1）拆垛機器人

拆垛機器人由型號IRB6700-150/3.20的ABB六軸關(guān)節機器人、1個(gè)3D視覺(jué)相機和1個(gè)非標抓手組成。ABB工業(yè)機器人是一款高效率、多功能工業(yè)機器人，有本體、驅動(dòng)機構、控制系統和示教器4個(gè)基本部分。非標抓手是采用非標夾具設計機器人抓手。如圖1所示。抓手由真空吸盤(pán)、抱夾機構、伺服電機、鋁合金框架主體等組成。抓手先用吸盤(pán)吸住紙箱，上升到一定高度，再用抱夾機構抱住紙箱，防止在移動(dòng)過(guò)程中紙箱偏斜。

（2）上料機器人

上料機器人由型號為IRB4600-60/2.05的ABB六軸關(guān)節機器人、1個(gè)3D視覺(jué)相機、1個(gè)剪繩抓手和1個(gè)抓箱抓手組成。ABB工業(yè)機器人是一款高效率、多功能工業(yè)機器人，有本體、驅動(dòng)機構、控制系統和示教器4個(gè)基本部分。非標抓手是采用非標夾具設計機器人抓手。剪繩抓手由氣缸、夾繩機構、伺服電機、剪刀等組成。抓手是先用相機定位，由伺服電機調整兩個(gè)剪刀位置，然后下壓并吹氣，夾子夾繩，上提夾子，剪刀動(dòng)作將繩子剪斷，機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(gè)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(xiàn)體。

（3）對中移載機構

對中移載機構由護板、支架、可調杯腳、左右定位氣缸、前定位氣缸、頂升氣缸和移載氣缸等組成。本系統有2個(gè)位置，待機位用于放置拆垛機器人抓取的紙箱，對中定位后移到抓取位，上料機器人剪繩后，把紙箱放置于相應的克朗斯線(xiàn)體上。

（4）氣動(dòng)機構

氣動(dòng)機構由調壓過(guò)濾器、氣源電子壓力顯示器、儲氣穩壓罐、單向閥、電磁換向閥、噴嘴、氣缸等組成。主氣源通過(guò)連接管分為三條氣路，第一條用于對中移載機構，為定位氣缸和頂升氣缸提供動(dòng)力。第二條用于拆垛機器人夾具，用來(lái)吸紙箱，抱夾氣缸用來(lái)抱住紙箱，防止移動(dòng)過(guò)程中，紙箱滑動(dòng)。第三條用于上料機器人夾具，主要完成抓手的動(dòng)作，用于剪繩、抱夾。此外還用于吹氣吹動(dòng)繩?？傊?，用于氣缸動(dòng)作來(lái)完成工藝所需^[4]。

（5）視覺(jué)系統

視覺(jué)系統采用梅卡曼德3D相機。視覺(jué)系統分拆垛視覺(jué)和剪繩視覺(jué)；拆垛工位有兩個(gè)垛位，由機器人進(jìn)行拆垛，每個(gè)垛位每層有4摞紙箱，3D視覺(jué)先到達垛位最高拍照位置，識別紙箱高度，并將高度發(fā)送給機器人，機器人根據紙箱高度值，調整相機到距離紙箱垛1600mm位置處拍照。3D視覺(jué)識別紙箱上扎帶數量（正常捆綁扎帶2根，若檢測出1根扎帶給出報警，人工干預拿走紙箱），拍照定位紙箱位置和方向，視覺(jué)給出抓取點(diǎn)，機器人每次抓取帶有扎帶的一摞紙殼放置到定位剪斷臺上。當層紙箱抓取完成，通過(guò)機器視覺(jué)判斷是否有大紙殼隔板，若有隔板，給出隔板位置。機器人先把隔板取走。剪繩工位由視覺(jué)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間（若在范圍區間，給出抓取點(diǎn)和繩子到抓取點(diǎn)距離；若不在范圍區間，則報警），機器人去剪斷扎繩并抽走，通過(guò)機器視覺(jué)拍照進(jìn)行復檢，如果紙箱上沒(méi)有扎帶，機器人將剪斷后的紙殼放置到流水線(xiàn)上，若兩次復檢后還有扎帶，視覺(jué)給出報警。

3 控制系統實(shí)現

本控制系統上位機為觸摸屏，下位機控制為PLC，執行機構為工業(yè)機器人和對中移載機構。觸摸屏是人機交互界面，用于手動(dòng)操作，修改一些參數，方便操作設備和監控設備的運行狀態(tài)，還可以記錄班次的產(chǎn)量和人員工作效率，也可以提供設備運行時(shí)故障發(fā)生記錄，便于查找故障解決問(wèn)題，保障設備安全穩定運行^[3]。PLC是設備的控制核心，是設備的大腦，通過(guò)輸入輸出信號經(jīng)數字運算和邏輯控制用于控制電機、氣缸和機器人等執行機構的運行^[4]。

3.1 控制系統硬件設計

（1）PLC的選型

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

（2）檢測元件的選型

用于檢測克朗斯線(xiàn)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(kāi)關(guān)選用SICK的型號為IME12-08NPSZC0S。氣缸上的磁性開(kāi)關(guān)選用亞德客的型號為CMSG-020，用于檢測反饋氣缸動(dòng)作的完成情況。

（3）執行元件的選型

用于控制氣缸動(dòng)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，抓手伺服電機為西門(mén)子的訂貨號為1FL60342AF211MA1，驅動(dòng)器為西門(mén)子訂貨號6SL32105FB104UF1。

（4）其他元件的選型

工業(yè)交換機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(kāi)關(guān)電源采用施耐德的型號為ABL2REM24100H。安全門(mén)開(kāi)關(guān)選用OMRON的型號為D4NS-1CF。

3.2  I/O變量定義

本控制系統有開(kāi)關(guān)量50個(gè)輸入點(diǎn)，29個(gè)輸出點(diǎn)。模擬量輸入有3個(gè)激光測距的輸入點(diǎn)^[5]。由于輸入輸出點(diǎn)比較多，如表2所示，只顯示部分點(diǎn)位。

表2 主控PLC輸入輸出點(diǎn)

3.3 硬件網(wǎng)絡(luò )組成

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

CP/IP通訊^[6]。如圖2所示。

圖2 硬件網(wǎng)絡(luò )圖

4 控制系統軟件設計

4.1 功能設計

本文的控制系統可分為主控PLC控制程序、觸摸屏程序、拆垛機器人程序和上料機器人程序。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(xiàn)體交互程序等^[7]。觸摸屏畫(huà)面有主控畫(huà)面、伺服參數畫(huà)面、信號監控畫(huà)面、報警畫(huà)面和機器人交互畫(huà)面等。機器人程序可分為初始化程序、主程序、抓手程序、SOCKET程序、DATA數據程序等^[8]。

4.2 工藝自動(dòng)化流程

圖3為拆垛機器人程序流程，機器人開(kāi)始運行后，需人工選擇拆垛垛位，1號門(mén)對應1號垛位，2號門(mén)對應2號垛位，當人工選擇完畢后，機器人需進(jìn)行人工二次確認，確認無(wú)誤后，機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(méi)料，則機器人將進(jìn)行初始化，并回原點(diǎn)。初始化結束后，機器人進(jìn)行拆垛放料循環(huán)，在初始拍照點(diǎn)獲取機器人與垛位最上層紙箱距離，機器人運行至相機距離紙箱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(diǎn)，機器人根據收到的狀態(tài)碼判斷當前狀態(tài)是否符合抓取要求。

圖3 拆垛機器人程序流程圖

狀態(tài)碼：

0——機器人抓取紙箱；

2——相機錯誤，需人工干預；

3——相機識別出最上層是隔板，機器人將抓取隔板；

4——機器人換垛；

5——相機識別到有扎帶異常的情況，存在沒(méi)有扎帶，或者單根扎帶。

機器人抓取完整垛料以后，根據相機反饋狀態(tài)碼4進(jìn)行換垛，并呼叫AGV取走空托盤(pán)，補上新料，完成循環(huán)。

圖4為上料機器人程序流程，機器人開(kāi)始接收上位機發(fā)來(lái)的物料類(lèi)型，然后將物料類(lèi)型發(fā)給相機，相機拍照獲取扎帶位置，視覺(jué)系統判斷扎帶是否正常，不正常則報警由人工處理；正常就讓機器人抓手開(kāi)始剪繩，剪完繩后抓手把繩子扔進(jìn)廢料箱，然后視覺(jué)系統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(xiàn)體上，然后回到原位。

圖4 上料機器人程序流程圖

5 結束語(yǔ)

該控制系統采用ABB的6軸工業(yè)關(guān)節機器人模仿人的手臂，按照設定的工藝路徑等參數進(jìn)行物料的識別、抓取及搬運等動(dòng)作，是目前工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的設備之一。本系統研究的工業(yè)機器人自動(dòng)上下料控制系統是應用在啤酒罐裝包裝生產(chǎn)線(xiàn)中，通過(guò)PLC來(lái)控制工業(yè)機器人的動(dòng)作，實(shí)現兩臺機器人協(xié)作的自動(dòng)上下料作業(yè)流程，由于此項操作重復性強并且工作強度高，而且手工操作已經(jīng)不能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的實(shí)際需求，而工業(yè)機器人可以快速準確地高精度重復定位，工作時(shí)間長(cháng)，環(huán)境適應性好，可以極大地提高生產(chǎn)效率?？梢?jiàn)，工業(yè)機器人可以用高精度智能化的操作代替人力，所以對工業(yè)機器人的柔性控制系統進(jìn)行研究，并將其應用到工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中很有必要^[9]。

基于PLC的工業(yè)機器人自動(dòng)上下料生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)在生產(chǎn)車(chē)間安裝完成并正常運行半年。這套控制系統的生產(chǎn)線(xiàn)安全平穩運行，具有高度的自動(dòng)化水平，可以大大減輕勞動(dòng)強度，提高加工效率。

作者簡(jiǎn)介：

謝國強 （1979-），男，山東青島人，工程師，碩士，現就職于青島星華智能裝備有限公司，研究方向為上輔機、小料稱(chēng)量、雙復合等橡膠設備，線(xiàn)體、堆垛機、RGV等物流設備，自動(dòng)包裝設備。

駱廣兵 （1987-），男，山東濟寧人，工程師，學(xué)士，現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(lèi)裝備、機器人系統集成等。

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

參考文獻：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年7月刊