★重慶機電職業(yè)技術(shù)大學(xué) 羅文

摘要：在制造類(lèi)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，對相關(guān)成品的碼垛具有重要的工藝要求。在成品貨箱重量大、碼垛速度要求高的情況下，碼垛工作的人工勞動(dòng)強度大、生產(chǎn)效率低 。隨著(zhù)生產(chǎn)規模的擴大，借助工業(yè)機器人完成碼垛任務(wù)，能提高企業(yè)生產(chǎn)中碼垛作業(yè)的效率和質(zhì)量，加快物流速度。

為了加快將工業(yè)機器人應用到生產(chǎn)中去，傳統的人工示教方法已不能滿(mǎn)足企業(yè)的要求，并成為阻礙生產(chǎn)力快速發(fā)展的瓶頸。因此，離線(xiàn)仿真編程是解決這個(gè)問(wèn)題的一劑良方。本文以碼垛機器人為研究對象，針對立方體貨箱碼垛的具體應用背景，對碼垛機器人系統的組成與布置，設計了可調節的機械手，進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)分析和軌跡規劃，利用Robotstudio軟件完成了運動(dòng)仿真驗證與離線(xiàn)編程。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；系統設計；離線(xiàn)編程

1 引言

碼垛是指按照設定的模式，將物料堆碼成垛，從而以集成單元化的料垛來(lái)實(shí)現物料的儲藏和運輸^[1]。在所儲運的物料質(zhì)量不大、尺寸不大，以及對碼垛的速度要求不高的情況下，人工完成碼垛是最普遍的方式。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，生產(chǎn)活動(dòng)的速度越來(lái)越快，碼垛速度和碼垛質(zhì)量也有了較高的要求，人工碼垛方式已經(jīng)越來(lái)越難以跟上經(jīng)濟發(fā)展的要求，尤其在比較惡劣的環(huán)境下，工作成本大且效率低，在這種情況下，碼垛機器人應運而生^[2]。機器人碼垛既能增強工作過(guò)程中的安全可靠性，又可以提高工作效率，這意味著(zhù)節約了大量的人力和物力，能產(chǎn)生很大的現實(shí)和經(jīng)濟意義。

對于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)過(guò)程物料的輸送工序和能否及時(shí)有效地輸送入庫，直接影響整個(gè)物料的生產(chǎn)效率。傳統的物料采用人工或者叉車(chē)搬運的方式，機械而單調地完成托盤(pán)的碼垛任務(wù)。成品物料本身的質(zhì)量較大，這就大大加劇了工人的工作強度，降低了工人的工作積極性。為此，在物料生產(chǎn)線(xiàn)引入碼垛機器人，對物料進(jìn)行碼垛，從而有效地輸送，提高設備的利用效率，保障物料生產(chǎn)過(guò)程的入庫需求，并能達到制造企業(yè)對生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全的要求。

2 物料機器人碼垛系統總體設計

2.1 機器人碼垛系統總體方案設計

機器人碼垛工作區可以看成一個(gè)輸入輸出系統，通過(guò)輸送機等生產(chǎn)流水線(xiàn)方式輸入已經(jīng)完成包裝的貨物，經(jīng)過(guò)機器人碼垛區域后，輸出整齊的貨物垛型，然后利用人工、叉車(chē)或者專(zhuān)用的托盤(pán)機及其輸送鏈等方式將貨物運走。

該系統在很多生產(chǎn)線(xiàn)都可以應用。比如，在飲料加工廠(chǎng)內，灌裝好的飲料瓶在裝箱生產(chǎn)線(xiàn)完成自動(dòng)裝箱、封箱、滾碼，并通過(guò)傳送帶輸出，在碼垛機器人工作區域，不同的品類(lèi)的貨箱完成各自的碼垛并入庫。

機器人碼垛系統整體規劃設計如圖1所示。

圖1 機器人碼垛系統平面規劃圖

2.2 機器人碼垛輸送系統

物料經(jīng)過(guò)各個(gè)工序形成箱型后，需通過(guò)流水線(xiàn)輸入碼垛區域。本系統選用輥筒輸送機承接前段作為物料輸入的工具。

輥筒輸送機主要由傳動(dòng)輥筒、機架、支架、驅動(dòng)部分等部分組成，相對于皮帶輸送機、板鏈輸送機等其他輸送方式，輥筒輸送機能夠輸送單件重量很大的物料，或承受較大的沖擊載荷。另外，輥筒輸送機結構簡(jiǎn)單，可靠性高，使用維護方便。

2.3 選型碼垛機器人

本次設計物料的重量考慮在20kg到40kg之間，此時(shí)碼垛機器人的負載重量較大，并且在碼垛過(guò)程中，機械臂需要頻繁扭曲反轉，查閱相關(guān)資料，可知六自由度機器人是最好的選擇。根據碼垛機器人系統的設計要求，機器人碼垛對重復精度要求高，對防護等級沒(méi)有特殊要求。綜上所述，可選用適合于大負載的ABB公司的六自由度機器人。

本系統選用的ABB-IRB6640是一款產(chǎn)能高且適合各類(lèi)應用的機器人產(chǎn)品，多用于物料搬運、上下料和點(diǎn)焊。ABB-IRB6640最大的優(yōu)勢之一是提高了載重能力，其有效載重量較大，滿(mǎn)足眾多生產(chǎn)的承重要求，并且該機器人繼承了優(yōu)異的慣性曲線(xiàn)特性，最大有效荷重高達235kg，更加適合重型甚至寬型物料的搬運。另外，該型號的機器人生產(chǎn)效率高，設計緊湊，維護保養簡(jiǎn)單，比其他型號更長(cháng)的上臂配合多種手腕形式，使該機器人能夠適應多種工藝過(guò)程，其手臂可向后彎曲到底，大大擴展了工作范圍。

該機器人融合了第二代TrueMove和QuickMove技術(shù)，路徑精度得到了優(yōu)化，運動(dòng)精度更高，其基本參數如表1所示。

表1 機器人性能參數表

2.4 機器人碼垛信號處理系統

機器人碼垛系統一般包括輥筒輸送機、碼垛機器人、托盤(pán)輸送機等設備和多種電氣元件、驅動(dòng)元件及檢測元件。碼垛系統全年連續工作，這就要求其可靠性必須非常高才能完成設計要求。根據對碼垛機器人系統的功能及工作原理的分析，其控制系統包含了可編程邏輯控制器、光電傳感器、氣缸、電機，控制柜等。

為了配合碼垛生產(chǎn)線(xiàn)上的動(dòng)作要求，機器人本身需要進(jìn)行各種碼垛動(dòng)作軌跡的調試，還要和PLC連接進(jìn)行通訊，進(jìn)行信號的交互。只要將工業(yè)機器人和PLC有效地連接起來(lái)并進(jìn)行相互之間的信號傳輸即可。因此，在掌握了工業(yè)機器人的編程的基礎上，必須進(jìn)行PLC的控制系統設計，進(jìn)而通過(guò)PLC控制機器人。工業(yè)機器人與PLC之間的通訊傳輸有“I/O”連接和通訊線(xiàn)連接兩種，本系統以最常用的機器人與S7-200PLC之間使用“I/O”連接的方式進(jìn)行控制。

PLC可通過(guò)I/O模塊連接碼垛區域的機器人及現場(chǎng)設備，它們接收來(lái)自于PLC的命令并控制相關(guān)設備的啟停，最后，將碼垛機器人及相關(guān)設備的所處狀態(tài)返回給PLC，其他相關(guān)物流設備也由PLC控制。碼垛機器人控制系統如圖2所示。

圖2 機器人碼垛控制系統示意圖

3 基于Robotstudio的機器人碼垛運動(dòng)仿真與優(yōu)化設計

隨著(zhù)工業(yè)機器人越來(lái)越多地應用到實(shí)際工作中，采用軟件模擬實(shí)際的機器人運動(dòng)動(dòng)作可以為工業(yè)機器人系統設計提供很好的輔助作用。只要整個(gè)碼垛機器人系統投入運行，仿真的可到達性、循環(huán)時(shí)間以及機器人規劃路徑就可準確執行。機器人采用離線(xiàn)編程方式可以在很大的程度上提高生產(chǎn)的效率。特別的，仿真功能可以對模擬實(shí)際情況，檢驗方案的可行性，提高方案設計的準確性，并縮短研發(fā)周期。本章主要進(jìn)行碼垛機器人的運動(dòng)仿真及離線(xiàn)編程，驗證機械手夾持中心軌跡規劃的正確性，并對其運動(dòng)過(guò)程提出了優(yōu)化的方法。

3.1 Robotstudio功能分析

RobotStudio是ABB機器人公司開(kāi)發(fā)的機器人離線(xiàn)仿真編程軟件，可以為ABB公司的所有類(lèi)型的ABB機器人提供相應的離線(xiàn)編程和三維仿真工作，為工程師進(jìn)行相關(guān)的碼垛機器人應用提供了平臺。RobotStudio可以實(shí)現以下主要功能：

（1）導入各種主要的CAD格式數據。通過(guò)關(guān)聯(lián)跟機器人應用系統所需要的組件的3D模型數據，機器人程序設計師可以據此在軟件中生成更為精確的機器人RAPID程序，為提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量提供了可能性。

（2）自動(dòng)路徑生成。這是Robotstudio軟件非常優(yōu)秀的一個(gè)功能，在很多系統中，通過(guò)使用待處理部件的CAD模型，軟件可在短短幾分鐘內自動(dòng)生成跟蹤曲線(xiàn)所需的機器人位置。此項任務(wù)如果人工執行，會(huì )需要數小時(shí)或數天時(shí)間才能完成。

（3）自動(dòng)分析伸展能力。這項功能可讓軟件操作者靈活地移動(dòng)機器人或工件，不斷地根據現場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行相應的調節，直至所有位置均可達到，并可在短短幾分鐘內驗證和優(yōu)化所設計的工作單元布局。

（4）碰撞檢測。在RobotStudio中，對機器人在運動(dòng)過(guò)程中是否可能與周邊設備發(fā)生碰撞進(jìn)行驗證和確認，提前發(fā)現并處理潛在的問(wèn)題，確保機器人離線(xiàn)編程得出的程序具有可用性。

（5）在線(xiàn)作業(yè)。為了使調試與維護工作更輕松，可使用RobotStudio與真實(shí)的機器人進(jìn)行連接通信，便捷地對機器人進(jìn)行監控、程序修改、參數設定、文件傳送及備份恢復等各種操作。

3.2 基于RobotStudio軟件的機器人碼垛運動(dòng)軌跡仿真

RobotStudio強調機器人編程與新的生產(chǎn)系統和工具的建設并行。在軟件中，離線(xiàn)虛擬仿真機器人技術(shù)所使用的代碼與實(shí)際控制器中的代碼完全相符，精度極高，其獨特之處在于它下載到實(shí)際控制器的過(guò)程中沒(méi)有翻譯階段。離線(xiàn)編程在實(shí)際機器人安裝前，通過(guò)可視化及可確認的解決方案和布局來(lái)降低風(fēng)險，并通過(guò)創(chuàng )建更加精確的路徑來(lái)獲得更高的部件質(zhì)量。

機器人運動(dòng)路徑可以插補目標點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，路徑的插補點(diǎn)數越多，機器人運動(dòng)路徑就會(huì )越精確，也可以修改機械手的姿態(tài)和機器人的軸配置，使得機器人路徑平滑過(guò)渡，這樣的話(huà)，編程精度可以得到保證。

Robotstudio離線(xiàn)編程軟件自身帶有仿真功能，既能通過(guò)仿真來(lái)檢查機器人運動(dòng)效果，又能對機器人路徑進(jìn)行人工修正，甚至是較大的改變。

其中，人機交互功能的實(shí)現靠的是示教器，示教器是一種高品質(zhì)的可進(jìn)行機器人的手動(dòng)操縱、程序編寫(xiě)、參數配置以及監控用的手持終端?？刂乒駥?shí)體按鈕只是負責常規的啟停等功能，而示教功能的完成則必須具備觸摸功能的示教器完成，在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，其遠程操作功能也能為程序員提供安全距離。

4 結論

本文主要設計了以ABBIRB6640碼垛機器人為主體的碼垛系統，先對碼垛機器人系統和機械手進(jìn)行了分析設計，并對碼垛機器人運動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，并對機器人的運動(dòng)軌跡進(jìn)行了規劃，借助離線(xiàn)仿真軟件Robotstudio，實(shí)現了對機器人碼垛過(guò)程的運動(dòng)仿真驗證和離線(xiàn)編程，為碼垛機器人的現場(chǎng)安裝應用和生產(chǎn)中的相關(guān)物流流轉活動(dòng)的進(jìn)一步分析研究提供了基礎。

作者介紹：

羅文 （1978-），男，重慶人，副教授，學(xué)士，現任教于重慶機電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，研究方向是電氣自動(dòng)化技術(shù)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年10月刊