史世良，徐世許，石朝陽

（青島大學(xué) 自動化學(xué)院，青島 266071）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化水平越來越高。由于工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)物料的增加，人力成本的提升，如何科學(xué)系統(tǒng)有效地管理各種物料，如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化顯得尤為重要。本系統(tǒng)將條碼識別技術(shù)與先進(jìn)的自動化設(shè)備相結(jié)合，極大的提高了工作效率，節(jié)約了成本。多工位條碼掃描系統(tǒng)，以NJ501-1300運(yùn)動控制器為核心，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令時，控制器能夠按指令自動的進(jìn)行物料條碼掃描，經(jīng)過讀碼、解碼過程后得到的實(shí)際物料信息與上位機(jī)設(shè)定信息進(jìn)行判斷，如果滿足要求機(jī)械手將物料存入指定工位，從而達(dá)到科學(xué)系統(tǒng)的管理物料，實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，也提高了條碼識別與多工位智能化存儲水平。由于系統(tǒng)工位多，自身的存儲容量大、高工作效率、低事故率、高土地利用率等優(yōu)點(diǎn)，通過一套智能的、可視化的上位機(jī)監(jiān)管軟件進(jìn)行監(jiān)管控制，通過掃碼器進(jìn)行條碼識別，極大地提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。同時使用Access數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了對物料信息的存儲和查詢功能，降低了人為因素的出錯率，提高了工作效率和物料存儲的智能化水平。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件選型取決于系統(tǒng)的功能、使用環(huán)境、成本等眾多因素。多工位條碼掃描系統(tǒng)的硬件組成主要有上位機(jī)、NJ501-1300運(yùn)動控制器、掃碼器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、傳感器以及各種通信電纜組成。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令時，運(yùn)動控制器控制機(jī)械手托運(yùn)裝有物料的托盤，每個托盤有四行五列放置物料的位置，每個托盤最多可放置20盒物料，當(dāng)每一行的物料經(jīng)過掃碼器時，此時掃碼器打開并掃描物料條碼信息，同時傳感器檢測每個位置的物料有無情況，并傳送至NJ501-1300運(yùn)動控制器中。同時掃碼器讀取的條碼信息通過EtherNet/IP通信實(shí)時存儲在NJ501-1300運(yùn)動控制器固定的變量名中，上位機(jī)通過讀取NJ501-1300運(yùn)動控制器固定的變量名中的條碼信息進(jìn)行數(shù)據(jù)截取和解碼判斷，解碼的信息可直接在上位機(jī)監(jiān)視畫面中顯示，同時解碼的實(shí)際信息與設(shè)定信息進(jìn)行比較，若信息匹配則存入工位，若信息不匹配則退回原來位置進(jìn)行補(bǔ)碼操作。同時，如果物料存入成功則部分物料信息可以存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，方便后期的查詢和追溯，節(jié)約成本，提高效率，降低存入失誤率。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

NJ501-1300運(yùn)動控制器和上位機(jī)之間通過EtherNet/IP協(xié)議通信，上位機(jī)向NJ運(yùn)動控制器發(fā)送運(yùn)動指令，并實(shí)時接收來自NJ運(yùn)動控制器的數(shù)據(jù)；NJ501-1300運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器之間通過EtherCAT協(xié)議通信，NJ運(yùn)動控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送指令，伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)完成動作[1]；NJ501-1300運(yùn)動控制器和掃碼器之間通過EtherNet/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，NJ運(yùn)動控制器將掃碼器上傳的數(shù)據(jù)存儲在固定的變量名中，上位機(jī)實(shí)時讀取NJ運(yùn)動控制器固定變量的值，并根據(jù)解碼原則進(jìn)行解碼，解碼成功后將條碼信息存儲在數(shù)據(jù)庫中；傳感器通過I/O模塊與NJ運(yùn)動控制器連接，實(shí)現(xiàn)物料有無的判斷。

2.2 機(jī)械手運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

CX-Supervisor向NJ運(yùn)動控制器發(fā)送控制指令，NJ運(yùn)動控制器執(zhí)行運(yùn)動控制程序，完成機(jī)械手將物料托盤自動送到工位的過程。首先在上位機(jī)監(jiān)管軟件進(jìn)行選型，然后在托盤中放入物料，經(jīng)過條碼掃描后，將放入物料的托盤送到指定工位，從而完成自動存入工位動作。機(jī)械手在執(zhí)行物料存入工位的過程中要配合掃碼系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)掃碼的運(yùn)動控制程序。運(yùn)動控制程序中，上位機(jī)程序通過“ScanCode”命令判斷系統(tǒng)需要進(jìn)行條碼掃描后，向NJ運(yùn)動控制器發(fā)送運(yùn)動控制指令，此時機(jī)械手Y軸伸入到物料托盤指定位置，當(dāng)機(jī)械手Y軸到達(dá)指定位置后，觸發(fā)“ScanCode_Move1_Position”命令，控制機(jī)械手夾抱軸運(yùn)動夾抱物料托盤，當(dāng)夾抱軸運(yùn)動完畢后，“ScanCode_Move1_Done”值置“TRUE”。機(jī)械手將執(zhí)行Y軸收回的動作，與此同時，上位機(jī)讀取到“ScanCode_Move1_Done”值改變，上位機(jī)開始實(shí)時讀取NJ運(yùn)動控制器中儲存條碼信息的變量的值。由于每個托盤能夠存放20盒物料，因此Y軸收回時要分成四段，每一段動作完成后都要向上位機(jī)發(fā)送動作完成指令，上位機(jī)根據(jù)設(shè)定程序，將設(shè)定信息與每盒物料的條碼信息進(jìn)行匹配，如果匹配成功則將信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)掃碼的功能。Y軸收回完畢后，NJ變量“rgw_pos_Y_back”值為TRUE，此時機(jī)械手向指定工位位置運(yùn)動，在機(jī)械手向指定工位位置運(yùn)動的過程中，為了提高工作效率、避免多軸分別運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械慣性對系統(tǒng)造成損傷，系統(tǒng)在多軸聯(lián)動時，機(jī)械手以直線插補(bǔ)的方式進(jìn)行運(yùn)動；到達(dá)指定工位位置后，首先要對該工位位置是否已經(jīng)有物料托盤進(jìn)行檢測，如果該工位位置為空，則進(jìn)行物料托盤向工位的存放動作，存放的過程首先是Y軸伸入，同時帶動物料托盤向指定工位移動，機(jī)械手Y軸到達(dá)指定位置后，此時觸發(fā)“ScanCode_Move2_Position”命令，控制機(jī)械手夾抱軸運(yùn)動，此時夾抱軸松開物料托盤，當(dāng)夾抱軸運(yùn)動完畢后，“ScanCode_Move2_Done”值置“TRUE”，機(jī)械手將執(zhí)行Y軸收回的動作，存入工位流程結(jié)束。系統(tǒng)為了避免機(jī)械振動造成的系統(tǒng)誤差、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)使用壽命，在Y軸伸入、收回以及夾抱過程中，使用振動抑制功能減小機(jī)械振動。系統(tǒng)的存入工位流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的存入工位流程

2.3 條碼識別技術(shù)

條碼識別技術(shù)在工業(yè)物料管理方面應(yīng)用廣泛，條碼識別技術(shù)是一種自動識別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對物料條碼信息的有效識別和科學(xué)管理，在條碼識別的過程中主要分為數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)傳送三個部分[2]。相對于傳統(tǒng)的鍵盤輸入的方式，運(yùn)用條碼識別技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)條碼的自動識別。掃碼器作為讀取條碼的裝置，在本系統(tǒng)中用到了五個Microscan ID-40掃碼器，系統(tǒng)在一個運(yùn)動過程中可以同時讀取多個條碼，并且將數(shù)據(jù)上傳存儲在NJ固定的變量名中。物料條碼信息如圖3所示。

圖3 物料條碼信息

物料條碼信息包括物料名稱碼、物料重量碼以及生產(chǎn)日期碼，為了能夠同時讀取多個條碼的信息，則通過修改掃碼器固件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，從而一次讀取出多個條碼信息[3]。上位機(jī)通過讀取的數(shù)據(jù)信息在程序中進(jìn)行解碼，通過解碼操作在判斷出具體的物料信息。現(xiàn)以解碼失效日期為例，介紹解碼程序。由于條碼信息中有物料生產(chǎn)日期，但實(shí)際中物料的失效日期更為重要，因此需要通過生產(chǎn)日期結(jié)合物料保質(zhì)期推算物料的失效日期。如“20190902”代表2019年9月2日該物料的生產(chǎn)日期，結(jié)合該物料保質(zhì)期為一年，然后根據(jù)物料保質(zhì)期計(jì)算該物料的具體失效日期為2020年9月2日。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用CX-Supervisor進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)管軟件程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)監(jiān)管軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能是通過EtherNet/IP通信協(xié)議連接現(xiàn)場NJ501-1300運(yùn)動控制器，通過操作監(jiān)管軟件進(jìn)行自動掃碼送回工位的控制，并從NJ501-1300運(yùn)動控制器中讀取條碼信息、物料有無等信息，同時能夠?qū)崟r讀取機(jī)械手的坐標(biāo)位置和各個傳感器的狀態(tài)信息，從而對機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)視。通過ADO控件連接Access數(shù)據(jù)庫，并將讀取上來的條形碼信息、物料名稱、物料重量、生產(chǎn)日期等信息存儲至Access數(shù)據(jù)庫中，方便后期數(shù)據(jù)的查詢和追溯[4]。系統(tǒng)控制程序流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程

3.1 數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計(jì)

在上位機(jī)監(jiān)管界面輸入物料名稱、存入數(shù)量、工位選擇之后，點(diǎn)擊“選型結(jié)束”按鈕，此時按照控制程序流程圖的算法將符合要求的工位顯示在“入庫信息表”中，點(diǎn)擊“開始存入工位”按鈕，上位機(jī)向NJ501-1300運(yùn)動控制器發(fā)送實(shí)時指令，機(jī)械手即開始工作。為了提高系統(tǒng)的工作效率，系統(tǒng)采用動態(tài)掃碼，即在機(jī)械手Y軸收回的過程中就對條碼進(jìn)行識別，并對物料上的條形碼進(jìn)行讀碼、解碼的操作，并最終將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。由于系統(tǒng)要進(jìn)行動態(tài)掃碼，因此也需要捕捉NJ運(yùn)動控制器的運(yùn)動狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行信息讀取。系統(tǒng)設(shè)有五個掃碼器同時工作，一次對五個位置的物料條碼進(jìn)行識別，因此共需要四次條碼識別。每次識別條碼的過程中，五個傳感器對每一行五個位置的物料進(jìn)行物料有無的判斷，并通過I/O模塊上傳到NJ運(yùn)動控制器中，傳感器判斷物料有無程序如圖5所示。

圖5 傳感器判斷物料有無程序

上位機(jī)向NJ運(yùn)動控制器發(fā)送“ScanCode=true”以及“ScanTimes=4”指令，運(yùn)動控制器將執(zhí)行掃碼運(yùn)動程序，每執(zhí)行完一次，“ScanTimes”值減1，直到“ScanTimes”值為零，之后復(fù)位“ScanCode”，結(jié)束掃碼動作。當(dāng)條碼識別結(jié)束之后，對掃碼信息進(jìn)行判斷。解碼相對于掃碼過程較為簡單，只需要按照條碼定義進(jìn)行譯碼即可。

3.2 數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計(jì)

在監(jiān)控窗口的上方可以通過上位機(jī)設(shè)定存入的物料名稱、存入數(shù)量和工位選擇，NJ501-1300運(yùn)動控制器將物料的條碼信息和物料有無信息存儲在固定的變量名中，上位機(jī)通過定義點(diǎn)與NJ501-1300運(yùn)動控制器的固定變量的值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)時讀取NJ501-1300運(yùn)動控制器中固定變量的值，并根據(jù)解碼原則進(jìn)行解碼，根據(jù)解出的實(shí)際物料名稱與上位機(jī)中設(shè)定的物料名稱進(jìn)行匹配，同時還可以通過入庫信息表查看物料編碼、存入工位號、總重量、實(shí)際存入數(shù)量、生產(chǎn)日期、失效日期等信息，解碼成功后設(shè)置Adodc控件屬性連接計(jì)算機(jī)Access數(shù)據(jù)庫，同時將以上信息存入數(shù)據(jù)庫中，以備數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)用[5]。同時，將各個軸的實(shí)際位置以及物料名稱、物料重量、生產(chǎn)日期顯示在上位機(jī)監(jiān)控窗口中，上位機(jī)監(jiān)控窗口如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控窗口

解碼過程中如果出現(xiàn)不成功的情況，上位機(jī)程序會自動進(jìn)行判斷，并發(fā)送wh_th=true命令使機(jī)械手將托盤退回原來位置，托盤退回原來位置后可對解碼失敗的物料進(jìn)行手動補(bǔ)碼操作，補(bǔ)碼成功后可繼續(xù)將托盤送到指定工位。解碼不成功有兩種情況，第一種情況是上位機(jī)設(shè)定的物料名稱與實(shí)際存入的物料名稱不匹配，則黃色矩形框變?yōu)榧t色矩形框進(jìn)行提示。第二種情況是讀上來的條碼長度和標(biāo)準(zhǔn)條碼長度不一致，表示其中有條碼漏讀或者讀錯，這種情況黃色矩形框變?yōu)榉奂t色矩形框進(jìn)行提示。若出現(xiàn)以上兩種情況用戶則可以根據(jù)提示在相應(yīng)出錯的物料位置進(jìn)行補(bǔ)碼操作。相關(guān)程序代碼如下：

4 結(jié)語

本文根據(jù)企業(yè)和用戶的實(shí)際需求，在以O(shè)MRON NJ501-1300控制器為核心，CX-Supervisor組態(tài)軟件下開發(fā)上位機(jī)程序，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于NJ控制器的多工位條形碼掃描系統(tǒng)，包括機(jī)械手控制、條形碼識別、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)存儲等功能，另外該系統(tǒng)還運(yùn)用了當(dāng)下先進(jìn)的伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、掃碼器等設(shè)備，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的控制機(jī)械手進(jìn)行物料自動掃碼并存入工位的操作。目前該系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)業(yè)線中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為企業(yè)減少了人力成本，提高了工作效率和物料存儲的自動化水平[6]。