霍天龍　張博

摘要：實際生產(chǎn)中由于某些產(chǎn)品生產(chǎn)效率低下，導(dǎo)致機器人不能完全發(fā)揮作用。為有效利用設(shè)備和節(jié)約成本，提出了一種基于顏色識別的分類碼垛系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)使用1臺機器人對2種物品進行分類碼垛，通過顏色識別傳感器識別出物品的種類，PLC接收種類信號進行內(nèi)部程序處理后，再把信號發(fā)送給機器人，機器人對物品進行分類碼垛。系統(tǒng)仿真和應(yīng)用實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：顏色識別;機器人;系統(tǒng)集成;分類碼垛

中圖分類號：TP242.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0135—04

0引言

機器人憑借其結(jié)構(gòu)簡單、動作快速靈活、故障率低等優(yōu)點，在搬運碼垛領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。實際生產(chǎn)中，大部分機器人碼垛機都是針對一種物品進行堆疊碼垛。然而有些產(chǎn)品生產(chǎn)效率低下，機器人不能完全發(fā)揮作用，經(jīng)常出現(xiàn)機器人等物料的情況，不僅犧牲了設(shè)備的有效生產(chǎn)率，而且浪費了能源。針對此問題，本文把兩條生產(chǎn)線的物料匯集在同一條生產(chǎn)線上，以物品不同顏色為分類特征，使用一臺機器人對物品進行分類碼垛，提出了一種新型的機器人碼垛機控制系統(tǒng)集成方法。

1機器人碼垛機系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本文以料袋碼垛機為例，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。二分類機器人碼垛生產(chǎn)線的核心設(shè)備主要由料袋輸送機、取袋輸送機、碼垛機器人、料袋夾具、位于機器人兩側(cè)的托盤輸送機和垛盤輸送機等組成。兩條生產(chǎn)線產(chǎn)出的成品料袋被匯集在一條生產(chǎn)線，經(jīng)由料袋輸送機到達(dá)取袋輸送機位置，等待機器人碼垛下線。料袋輸送機處顏色識別傳感器、光電傳感器的位置關(guān)系及料袋、料袋自身特征顏色區(qū)等如圖2所示，圖中箭頭方向為料袋輸送方向。

1.2系統(tǒng)控制方案

本控制系統(tǒng)是以PLC和工業(yè)機器人為控制核心，搭配觸摸屏、顏色識別傳感器、交流接觸器、變頻器、光電檢測開關(guān)、交流異步電機、中間繼電器、電磁閥等構(gòu)成。系統(tǒng)集成框圖如圖3所示。

為提高機器人碼垛機操控便捷性，觸摸屏常常被用來和PLC通信，完成現(xiàn)場信息的獲取、處理、編程作業(yè)、控制、規(guī)劃和整個機器人系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理等功能。本文采用西門子型號為MP277的觸摸屏與313C-2DP型號的PLC通過MPI協(xié)議進行通信。

機器人與PLC的系統(tǒng)集成通信方式主要通過I/O板卡或總線進行，I/O板卡只能與PLC進行數(shù)字量信號通信，當(dāng)需要通信的數(shù)據(jù)量較大時，該方案不可行。為盡量減少現(xiàn)場工作人員操作機器人示教器，要求PLC和機器人之間有大量數(shù)據(jù)通信，故應(yīng)采用總線通信，常見的總線主要有Profibus、Devi-eeNet、ProfiNet或Ethernet等。由于本文采用西門子品牌PLC，采用Profibus總線進行通信。

顏色識別傳感器的功能是識別料袋的特征顏色后把信號反饋給PLC，本系統(tǒng)采用基恩士CZ-V21色標(biāo)識別傳感器。該傳感器具有3種檢測模式：（1）C模式，根據(jù)色彩成分（紅、綠、藍(lán)）檢測標(biāo)的物;（2）C+I模式，根據(jù)色彩成分（紅、綠、藍(lán)）和光強度（接收到的光的數(shù)量）檢測標(biāo)的物;（3）Super Ⅰ模式，根據(jù)光強度（接收到的光的數(shù)量）檢測標(biāo)的物。輸出信號為24V開關(guān)量信號，檢測距離為50～95 mm。本文采用以C模式檢測料袋顏色。

2系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計系統(tǒng)電氣原理部分接線如圖4所示。觸摸屏通過總線連接器連接在PLC的MPI接口處，機器人系統(tǒng)則連接在PLC的DP接口處，分別使用MPI和Profibus通信協(xié)議。本文處理的料袋為二分類，故色標(biāo)傳感器只需要2根信號線反饋給PLC作為分類依據(jù)。圖中的光電傳感器是三線制，黑色線是信號反饋線。鑒于篇幅有限，本文不再贅述完整的系統(tǒng)接線圖。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

打開西門子SIMATIC Manager軟件，插入SIMATIC 300station站點，根據(jù)實際PLC組成分別插入對應(yīng)的CPU和I/O模塊，在硬件窗口下點擊選項按鈕安裝ABB機器人GSD文件，安裝完成后將Anybus-CC PROFIBUS DP-V1掛接在DP總線上。配置機器人DP地址為10，通信波特率為500 k，機器人和PLC的輸入輸出信號的起始和終止地址分別為48和111，數(shù)據(jù)長度為64 byte。硬件系統(tǒng)配置如圖5所示。

打開ABB Robotstudio仿真軟件進行機器人側(cè)通信參數(shù)配置，選擇660型號機器人創(chuàng)建系統(tǒng)，打開虛擬示教器，進入控制面板中的配置系統(tǒng)參數(shù)，在Unit Type中添加DP_SLAVE配置，并對其參數(shù)進行設(shè)定，配置總線類型為Profibus，輸入輸出信號長度均為64 byte，如圖6所示。在Unit中添加Profi-bus_DP，Type of Unit為DP_SLAVE，Profibus Address為10。如圖7所示。上述過程已完成了機器人和PLC之間的基本通信配置，連接好通信電纜后，機器人和PLC之間即可進行總線通信。由于篇幅有限，按照工程需求配置需要通信的參數(shù)在此不做詳述。

參考基恩士CZ-V21色標(biāo)識別傳感器技術(shù)手冊，使用顏色傳感器探頭對準(zhǔn)料袋特征顏色訓(xùn)練識別模型，定義顏色傳感器對2個種類的料袋信號輸出如表1所示。

由于色標(biāo)識別傳感器是實時檢測和響應(yīng)的，實際應(yīng)用中料袋上存在其他較多干擾顏色的可能性，如不在程序中做進一步處理，會給識別結(jié)果造成很大影響，使得識別成功率大幅度下降?；诖藛栴}，本文在色標(biāo)識別傳感器前面增加了一個光電傳感器，當(dāng)料袋被輸送至光電傳感器時觸發(fā)其輸出信號給PLC，PLC響應(yīng)該信號后經(jīng)過一定延時后再接收色標(biāo)傳感器的顏色識別信號，由此保證了顏色傳感器能夠識別到料袋特征顏色區(qū)。PLC程序設(shè)計流程如圖8所示。料袋識別成功后，機器人接收料袋種類信號進行分類碼垛。識別失敗時，系統(tǒng)報警停車，等待人工處理。

李亞軍等提出的方法設(shè)計機器人程序，在原程序的基礎(chǔ)上增加另外一側(cè)的程序編寫，根據(jù)機器人系統(tǒng)從PLC收到的分類信號選擇不同的方向碼垛。

4系統(tǒng)仿真與工程應(yīng)用

4.1系統(tǒng)仿真

使用RobotStudio軟件創(chuàng)建IRB660機器人、取袋輸送機、料袋、兩側(cè)的垛盤輸送機等，如圖9所示。

按照上節(jié)介紹的方法通過離線編程方式編寫ABB機器人程序并加載到控制器中，示教機器人料袋抓取位置，碼垛位置后并執(zhí)行數(shù)據(jù)保存。運行機器人程序，使用軟件模擬仿真接收PLC發(fā)出的料袋分類信號，機器人可以根據(jù)收到不同的碼垛信號進行左右分類碼垛。設(shè)定夾具抓取料袋時間為0.1s，放下料袋時間為0.1s。垛型按照一層3袋，共10層設(shè)定，通過仿真測得機器人1h內(nèi)左右側(cè)方向同時碼垛可完成1026次循環(huán)。

4.2實際工程應(yīng)用

仿真測試結(jié)果初步驗證了系統(tǒng)集成方法的可行性。為進一步探究其實際工程應(yīng)用效果，把本文研究方法應(yīng)用到生產(chǎn)實際中。如圖10所示，由于該案例尚處在實驗階段，故省去了機器人左右側(cè)的跺盤輸送機。按照前文介紹的方法分別編寫PLC程序、機器人程序，觸摸屏程序，使用料袋訓(xùn)練色標(biāo)傳感器分類模型。調(diào)試好機器人及周邊設(shè)備后運行系統(tǒng)并記錄實驗數(shù)據(jù)，最終測得機器人運行速度為每小時993次循環(huán)，分類碼垛正確率為99.874%。

實驗結(jié)果表明，機器人運行速度基本滿足生產(chǎn)要求，但分類準(zhǔn)確率未達(dá)到100%，反復(fù)實驗查找原因發(fā)現(xiàn)，有個別料袋特征顏色區(qū)有一定破損或有其他顏色污染。更換一批全新料袋后再次進行實驗，除個別料袋輸送姿態(tài)原因外，其余料袋均能被正確分類碼垛，最終測得分類準(zhǔn)確率為99.998%。

5結(jié)束語

本文結(jié)合企業(yè)機器人碼垛機實際使用情況，應(yīng)用基恩士色標(biāo)傳感器、西門子PLC、ABB機器人等提出了一種基于色帶識別的二分類機器人碼垛機系統(tǒng)集成方法。該方法在物料生產(chǎn)效率低下情況下，把2種物料匯集到一條生產(chǎn)線，提高機器人的使用效率，節(jié)約了企業(yè)設(shè)備成本。還可根據(jù)實際使用情況增加顏色識別傳感器的分類樣本到3種，只需編寫PLC相關(guān)程序以及機器人第三個方向的碼垛程序即可。仿真結(jié)果和應(yīng)用實驗均表明本方法能夠滿足企業(yè)實際生產(chǎn)。