腰曉凱

摘要：以某藥業(yè)車間一層自動包裝系統(tǒng)及碼垛線設(shè)備項目為背景，針對多品種、小批量的生產(chǎn)模式，對碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進行研究設(shè)計。引入機器人群控技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了使用三臺工業(yè)機器人對應四個碼垛工位的碼垛生產(chǎn)線。利用西門子S7-300 PLC對機器人及其外圍設(shè)備進行控制，采用優(yōu)先級的方式避免了機器人的沖突并節(jié)省了機器人的等待時間，利用工業(yè)計算機和力控軟件設(shè)計了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠程操作。

關(guān)鍵詞：碼垛；工業(yè)機器人；機器人群控；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：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， 在商品的整個生產(chǎn)過程中，大約僅有5%的時間用于加工和制造，而大量的時間用于包裝、檢測、存儲和運輸。勞動成本僅占中成本的10%左右，而存儲和運輸?shù)荣M用接近一半[1]。這是因為，當前我國的許多企業(yè)還處于人力搬運的落后階段，有些公司雖然部分實現(xiàn)了自動化，但其自動化程度還不夠高，傳統(tǒng)的物流倉儲模式極大地占用了生產(chǎn)運輸時間和商品成本[2]。由此可以看出通過碼垛機器人技術(shù)的運用來降低生產(chǎn)運輸過程中的時間和經(jīng)濟成本是極為必要的，該技術(shù)在提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動強度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。

1 系統(tǒng)要求

對碼垛工業(yè)機器人程序主要有兩個方面的要求[3]：一方面，不同大小的物件機器人執(zhí)行進的距離不同；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，每當物件改變一次，就需對程序進行一次修改。對于某些品種多、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，文中對控制系統(tǒng)的要求為：系統(tǒng)集中管理，具有便捷的人機交互；工業(yè)機器人能根據(jù)預設(shè)值或傳感器檢測值控制執(zhí)行器的行進距離，完成對不同大小物件的抓取及放置動作；工業(yè)機器人能根據(jù)預設(shè)自動分配位置，將物件進行堆垛。

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)品信息由分流機構(gòu)對紙箱進行分流使其進入不同的工位。當出現(xiàn)重碼、條碼不能識別等情況時，則進行人工處理。空托盤輸出供應是指托盤從托盤庫輸送到碼垛工位的過程，為了便于管理托盤出庫后首先進行掃描記錄，每個托盤都有一個唯一的識別碼，當碼垛作業(yè)完成時會釋放一個碼垛完成的信號，此時成品垛從作業(yè)位置移出并將空托盤輸送到對應位置。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庫的過程。工藝流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)控制原理

本設(shè)計以西門子S7-300 PLC為主控制器，機器人及其外圍設(shè)備為執(zhí)行機構(gòu)，工業(yè)計算機為上位機，實現(xiàn)車間碼垛線上多臺機器人的遠程監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

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

機器人之間采用集中式控制方式：使用一臺機器人作為主站，另外兩臺作為從站，構(gòu)成了一個相互干涉的控制網(wǎng)絡(luò)[5]。每個機器人都將各自的動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器人的動作路徑和碼垛情況，通過相應的邏輯運行來判斷此時應該是執(zhí)行碼垛指令還是等待命令。

3 多機協(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)中使用三臺機器人對應四個碼垛工位。這個是針對產(chǎn)品分類較多而且出料不甚密集的生產(chǎn)線的設(shè)計，減少了機器人的等待時間同時也降低了成本。

這一過程可通過精確數(shù)學位置計算和計算機輔助仿真來實現(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)中使用三臺機器人對應了四條輸送線，其中2號輸送線和3號輸送線是有兩臺機器人對其進行作業(yè)，而1號輸送線和4號輸送線是一臺機器人對其進行作業(yè)，因此，各輸送線所能承受的最大來箱速度是不同的。設(shè)一臺機器人碼一箱的時間為t，則：

在分箱機制可承受范圍內(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號輸送線最大來箱速度

2，3號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)速度對輸送線進行分配。

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

3.2 機器人群控任務分配算法

多機器人多生產(chǎn)線碼垛時，各機器人均受中央控制器控制，根據(jù)生產(chǎn)線上的信號狀態(tài)來接受任務、產(chǎn)生對應動作。中央控制器首先要讀取每條生產(chǎn)上的產(chǎn)品預約信號，根據(jù)預約信號指令對應機器人做好碼垛準備，當產(chǎn)品準備信號發(fā)送至控制器時，指令相應機器人抓取碼垛。具體信號規(guī)則對應如下：

（1）當預約信號檢測到輸送線來箱時，向指定機器人發(fā)送預約信號，預約機器人前來取箱；

（2）當紙箱繼續(xù)前行，觸發(fā)準備就緒信號，機器人對該箱進行碼垛操作；

（3）機器人優(yōu)先對其對應的優(yōu)先碼垛位進行碼垛作業(yè)，以1號機器人為例，當產(chǎn)品輸送線1、2同時有料時，1號機器人抓取輸送線1上的產(chǎn)品進行碼垛；當輸送線1無料、輸送線2有料、而2號機器人正處于工作狀態(tài)時，1號機器人抓取輸送線2上的產(chǎn)品進行碼垛。

（4）當輸送線對應的機器人全部處于工作狀態(tài)時，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)，最大限度的增強了系統(tǒng)適應性。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)采用北京三維力控公司的ForceControl（力控）軟件在實現(xiàn)對生產(chǎn)車間碼垛線的實時監(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行相應的操作；監(jiān)控界面包括控制主畫面、機器人工作狀態(tài)畫面、氣路畫面、工作臺畫面、故障診斷畫面等，將現(xiàn)場設(shè)備的布局和工藝流程真實的模擬出來，可以實時的監(jiān)測現(xiàn)場的工作情況和數(shù)據(jù)；設(shè)備操作是設(shè)置了專門的操作界面，主要是對碼垛機器人的操作和對普通設(shè)備（如傳送帶、升降機等）信息以及各個碼垛工位箱型的查詢和設(shè)定；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是對各設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)是否連通進行監(jiān)控，通過設(shè)備的顏色對其網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進行直觀的判斷；報警信息主要包括故障時間、類型、位置和原因四個方面，在上位機上可以直接讀取報警歷史記錄，便于設(shè)備維護和改進。

5結(jié)束語

經(jīng)過研究，本文將機器人群控技術(shù)應用到碼垛生產(chǎn)線中，實現(xiàn)了一條由三臺機器人為四個碼垛工位碼垛的自動化碼垛生產(chǎn)線，能夠快速精確地對多種成品件進行碼垛處理，具有操作方便、結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定性強、便于維護等優(yōu)點。目前已經(jīng)應用于某藥廠車間，節(jié)約了成品入庫的時間和成本，對于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量效果顯著。

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