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        工業(yè)機(jī)器人碼垛功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2021-04-12 10:56:06崔久好
        中阿科技論壇(中英文) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:功能

        崔久好

        (山東萊茵科斯特智能科技有限公司,山東 淄博 255000)

        1 引言

        《中國制造2025》戰(zhàn)略提出之后,國內(nèi)諸多現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)開始引入先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)工藝,更新升級先進(jìn)制造以及高端裝備,工業(yè)自動化水平逐步趨向于智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及集成化。在此過程之中,工業(yè)機(jī)器人發(fā)揮著不可替代的重要作用,企業(yè)在工業(yè)機(jī)器人方面的需求也日益提高。在工業(yè)生產(chǎn)過程之中,碼垛主要是指把一些形狀、大小基本相似的產(chǎn)品按照特定路徑放置于特定位置,有效提升空間利用率,便于貨物運(yùn)輸以及存儲,提高貨物的安全性[1]。對于一些外形尺寸較大的產(chǎn)品,可以通過托盤操作機(jī)或者機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)碼垛功能,對于此種傳統(tǒng)碼垛方式,已經(jīng)無法適應(yīng)快節(jié)奏的生產(chǎn)方式。為了進(jìn)一步提高碼垛效率,降低工人的工作強(qiáng)度,碼垛機(jī)器人順勢而生,但是由于各方面因素的影響,國內(nèi)碼垛機(jī)器人仍未大范圍推廣應(yīng)用,所以開發(fā)設(shè)計(jì)一套合理完善、高效智能的碼垛機(jī)器人具有重要價(jià)值,同時(shí)也是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)[2]。

        2 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的意義

        隨著我國工農(nóng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)需求日益增長,所以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本成為國內(nèi)各大企業(yè)發(fā)展過程中必須要解決的一個(gè)問題。國內(nèi)諸多企業(yè)在生產(chǎn)加工的過程中,均存在碼垛需求、運(yùn)輸需求等?,F(xiàn)階段,國內(nèi)諸多企業(yè)均采取人工的方式進(jìn)行碼垛、裝車,人工操作模式雖然具備適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),但是工作效率非常低,并且存在一定的危險(xiǎn)性,當(dāng)處于惡劣的環(huán)境之下時(shí),還會對人身體造成巨大損傷。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大[3],運(yùn)輸中的碼垛過程也逐步趨向于自動化,極大地提升了物流速度,可以切實(shí)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求,提高了工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性,并且不會受到環(huán)境方面的影響,有效降低了生產(chǎn)成本。從二十世紀(jì)七十年代以來,碼垛機(jī)器人的各方面性能均在逐漸趨向于完善化,運(yùn)行速度飛速提升,機(jī)械手爪對貨物的適應(yīng)性也日益增強(qiáng),定位更加清晰、精準(zhǔn)。碼垛機(jī)器人的綜合性能越來越完善,應(yīng)用效率也顯著提升,應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大,也得到了越來越多人的關(guān)注。本文圍繞工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)展開了深入、全面的剖析,旨在進(jìn)一步提高碼垛效率以及碼垛工作的安全性。

        3 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        3.1 工業(yè)機(jī)器人碼垛系統(tǒng)的構(gòu)成

        通常情況下,機(jī)器人碼垛系統(tǒng)主要是由機(jī)器人和傳輸裝置兩大部分構(gòu)成,其內(nèi)部包含多個(gè)機(jī)構(gòu),如安全防護(hù)裝置、傳輸裝置等。其中碼垛機(jī)器人夾具是碼垛作業(yè)過程中的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要作用是在碼垛過程之中對工件進(jìn)行夾取、固定等。高性能夾具對于工業(yè)機(jī)器人的碼垛工作來講,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,比較常用的碼垛機(jī)器人末端夾具包括多種,例如組合式、吸附式、夾板式等。在具體應(yīng)用的過程之中,必須要結(jié)合產(chǎn)品的各種類型,選取不同的夾具[4]。例如吸附式夾具一般應(yīng)用在質(zhì)量小,并且表面相對比較平整的工件之上;抓取式夾具一般應(yīng)用在袋裝物的碼放上。應(yīng)用夾具之后,可以有效擴(kuò)寬碼垛的應(yīng)用范圍。在機(jī)器人電氣柜之中,包含了碼垛機(jī)器人的大腦,即運(yùn)動控制器,其不但需要對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行精準(zhǔn)控制,同時(shí)還要對碼垛過程中工件位置、手抓開閉信號等各個(gè)方面進(jìn)行全面檢測。碼垛機(jī)器人控制器通常與普通機(jī)器人控制器類似,所以在具體應(yīng)用的過程之中,一般會根據(jù)要求對碼垛控制器進(jìn)行二次開發(fā)。

        3.2 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能需求分析

        通過對國外工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),碼垛作業(yè)由傳統(tǒng)的人工方式逐步向智能化、高效化轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展過程中的必然趨勢。首先,工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大,自動化設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣,人工碼垛方式已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展需求,行業(yè)發(fā)展需求均推動碼垛自動化,從而滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)加工的實(shí)際要求。其次,現(xiàn)代社會工業(yè)品種類別日益多樣化,一些大型或者對人體生命安全產(chǎn)生一定危害的工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)不適宜運(yùn)用人工碼垛方式,而引入自動化碼垛則可以更好地解決這些相對比較危險(xiǎn)、復(fù)雜的工況,提高生產(chǎn)加工的安全可靠性[5]。再次,應(yīng)用自動化碼垛還可以有效提升工作效率,降低產(chǎn)品存儲、搬運(yùn)過程中所產(chǎn)生的損耗,有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)加工過程之中,碼垛條件存在較大差異,其中最為核心的一點(diǎn)便是產(chǎn)品、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境存在差異。生產(chǎn)產(chǎn)品可能是針管,也可能是汽車零配件;對于生產(chǎn)環(huán)境來講,其同樣會隨著生產(chǎn)產(chǎn)品的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化,例如一些對生產(chǎn)環(huán)境要求相對較高的產(chǎn)品等?;趪鴥?nèi)外諸多廠家的碼垛機(jī)器人應(yīng)用,可以歸納出工業(yè)機(jī)器人碼垛功能需求,主要可以歸結(jié)為以下三點(diǎn):

        其一,目前應(yīng)用相對比較廣泛的機(jī)器人碼垛功能一般為四軸、六軸碼垛機(jī)器人,這兩種機(jī)器人的綜合性能最佳,是實(shí)現(xiàn)碼垛功能的主流;其二,碼垛功能的性能與機(jī)器人自身性能存在直接關(guān)聯(lián),例如碼垛過程中的半徑、負(fù)載、定位精度等一系列參數(shù),均會對碼垛質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響;其三,為了提高碼垛效率,工件必須要有兩個(gè)相對的平面平行,才可以更好地進(jìn)行碼垛,提高碼垛效率以及安全性[6]。

        3.3 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

        從碼垛功能方面進(jìn)行分析,若想在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)堆垛、卸垛這兩個(gè)不同的功能,并且把大部分應(yīng)用者的需求進(jìn)行有效統(tǒng)一,提高軟件的利用率,那么必須要設(shè)計(jì)合理化的功能實(shí)現(xiàn)方案。通過對具體實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行深入、全面分析發(fā)現(xiàn),工業(yè)機(jī)器人碼垛功能的實(shí)現(xiàn)主要包括以下五個(gè)方面:

        (1)碼垛條件與配置。碼垛條件、配置均為人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)過程中的重要構(gòu)成部分,碼垛功能設(shè)計(jì)之初主要是為了提供給使用者進(jìn)行應(yīng)用,所以在生產(chǎn)過程中的不同場合,對碼垛的需求也存在較大差異,所以在對碼垛功能進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的過程之中,必須要充分考慮使用者的操作空間,可以對不同碼垛條件進(jìn)行合理化配置。在對軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的過程之中,必須要對用戶的碼垛需求以及碼垛條件等進(jìn)行調(diào)研分析,然后以此為重要基礎(chǔ),把碼垛條件與控制軟件進(jìn)行融合,利用人際交互界面的形式把接口留給用戶,然后對其進(jìn)行合理化設(shè)置。按照碼垛定義,在人機(jī)交互界面,一般會開展兩方面工作,第一是采集位置數(shù)據(jù),第二是設(shè)置碼垛參數(shù)。

        (2)碼垛指令設(shè)計(jì)。碼垛指令的合理性以及科學(xué)性與碼垛功能是否可以順利完成存在直接關(guān)聯(lián)。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行碼垛的過程之中,主要是通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對程序的調(diào)用,進(jìn)而順利實(shí)現(xiàn)機(jī)器人碼垛自動化的最終目的。設(shè)計(jì)編寫碼垛程序時(shí),要盡可能地使程序簡單且能準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)要求,這就要用到跳轉(zhuǎn)指令、條件指令、判斷指令、偏移指令、多維數(shù)組的應(yīng)用等,這樣能提高代碼的應(yīng)用率,使機(jī)器人程序處于最優(yōu)狀態(tài),盡可能地減少重復(fù)工作,提高生產(chǎn)效率。值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是,要想快速準(zhǔn)確地進(jìn)行碼垛程序的編寫,偏移指令、數(shù)組的創(chuàng)建是必須要熟練掌握的[7]。

        (3)工件序號定義。工件序號主要是指在碼垛過程之中工件的具體順序,一般情況下可以利用工件的層數(shù)、行數(shù)、列數(shù)等對工件序號進(jìn)行描述,同時(shí)還可以把此工件在此層碼垛的順序作為工件序號,比如第6行第9個(gè)工件。與此同時(shí),引入工件序號之后,可以直接“告訴”機(jī)器人從何處開始、從何處結(jié)束。一般情況下,根據(jù)人們的思維習(xí)慣,把工件層數(shù)由下至上分別定義為1、2、3……在對工件序號進(jìn)行定義的過程之中,把第一個(gè)工件的編號為1、第二個(gè)工件編號為2,以此類推,機(jī)器人將會按照此順序進(jìn)行碼垛。

        (4)工件位置的分析運(yùn)算。在碼垛控制過程之中,碼垛點(diǎn)位置的運(yùn)算分析是至關(guān)重要的一項(xiàng)內(nèi)容,對工件序號進(jìn)行定義的目的是明確工件在碼垛過程中的位置,但是工業(yè)機(jī)器人在具體操作過程之中會進(jìn)行抓取動作,所以必須要求出工件相對于機(jī)器人的坐標(biāo),必須要通過合理化的方式準(zhǔn)確求出點(diǎn)位,才可以確保整個(gè)自動碼垛過程順利完成。碼垛點(diǎn)位運(yùn)算共包括三大部分:一是工件尺寸,二是代表性點(diǎn)位,三是垛型設(shè)定。具體運(yùn)算方式為:首先,結(jié)合實(shí)際情況,確定參考工件,找出參考工件在機(jī)器人坐標(biāo)之中的具體位置以及姿態(tài);其次,根據(jù)工件序號以及垛型選取合理化、科學(xué)化的預(yù)算方式,求出工件相對于參考工件的具體位置;再次,依據(jù)參考工件位置、碼垛工件相對于參考工件的位置,求出工作坐標(biāo)[8]。

        (5)安全防護(hù)檢查。為了避免碼垛過程中工件、工件之間的干涉對機(jī)器人自身或者周邊物體產(chǎn)生影響,必須要對碼垛過程中的安全性進(jìn)行全面檢測,一般情況下,主要是通過兩種方式進(jìn)行。一是工件靜態(tài)干涉檢測法。當(dāng)應(yīng)用該種算法時(shí),在進(jìn)行碼垛之前,檢測碼垛剁型參數(shù)、工件參數(shù)的設(shè)定是否合理科學(xué),判定碼垛過程之中是否會產(chǎn)生干涉,其核心思想便是把工件假定為一個(gè)長方體,結(jié)合實(shí)際情況,對碼垛參數(shù)進(jìn)行合理化設(shè)定,然后分析工件參考位置、工作尺寸等,并依據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出工件位置,最后再對工件進(jìn)行投影處理,使其投影到二維平面,觀察二維平面中的投影是否存在重疊之處,如果投影存在重疊,那么表明工件將會發(fā)生干涉,反之,工件不會發(fā)生干涉[9]。二是機(jī)器人碰撞檢測法。此種算法在具體應(yīng)用過程之中,主要是對機(jī)器人運(yùn)行時(shí)是否會與固定物體產(chǎn)生碰撞進(jìn)行檢測,此種算法無需外部傳感器,僅需對機(jī)器人運(yùn)行過程中的理論位移、實(shí)際位移進(jìn)行對比分析,然后判定碼垛過程之中是否會產(chǎn)生干涉,當(dāng)機(jī)器人與物體產(chǎn)生碰撞之后,機(jī)器會自動檢測出錯(cuò)誤,并且立即停止工作,以免產(chǎn)生意外事故,如此一來,操作人員將不會由于程序錯(cuò)誤等而發(fā)生意外事故,同時(shí)也便于后期的維修、保養(yǎng)等,有效提高了碼垛工業(yè)機(jī)器人在工作過程中的安全穩(wěn)定性[10]。

        4 結(jié)語

        綜上所述,本文從不同層面、不同維度對碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成、各構(gòu)成設(shè)備的基本特點(diǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析,并對工業(yè)機(jī)器人在施工過程中在碼垛功能方面的要求進(jìn)行了歸納,即碼垛需求,同時(shí)還詳細(xì)闡述了工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總體方案。

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