凌旭 陳立 戴俊良

摘要：全國職業(yè)院校高職組工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用競賽以工業(yè)機(jī)器人倉儲分揀生產(chǎn)線實訓(xùn)平臺為基礎(chǔ)，通過自動化立體倉庫和堆垛機(jī)單元、AGV運(yùn)輸機(jī)器人搬運(yùn)單元、工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)單元、自動化輸送線單元、步進(jìn)電機(jī)裝配單元、工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)裝配單元等六大單元的相互配合，完成零件出庫、識別、裝配以及返庫等全部流程。本研究通過對最新的大賽試題進(jìn)行研究分析，通過改變編程思路，使得工業(yè)機(jī)器人在裝配流水線上的極限裝配位置都能順利完成比賽的要求、縮短比賽時間，有利于幫助學(xué)生在賽場上發(fā)揮優(yōu)異成績。

關(guān)鍵詞：倉儲分揀;工業(yè)機(jī)器人;技能大賽;視覺檢測

中圖分類號：G4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0230-02

0 ?引言

教育部主辦的全國職業(yè)院校技能大賽高職組“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”賽項，自2015年舉辦至今，每年的題目難度越來越大，對學(xué)生的要求越來越高[1-2]。該賽項設(shè)備模擬倉儲分揀生產(chǎn)線系統(tǒng)實訓(xùn)設(shè)備的相互配合來完成機(jī)器人關(guān)節(jié)零件模型的出庫、搬運(yùn)、識別、裝備以及返回倉庫的過程。本文的研究對象主要以工業(yè)機(jī)器人在倉儲分揀生產(chǎn)線上進(jìn)行極限位置裝備為研究，設(shè)計一套能夠覆蓋盡可能多的極限裝配位的程序，最終完成對整個工件進(jìn)行組裝及返回倉庫，大大節(jié)省比賽時間，為學(xué)生在競賽中指明方向。

1 ?倉儲分揀生產(chǎn)線工作原理

倉儲分揀生產(chǎn)線系統(tǒng)包括：自動化立體倉庫和堆垛機(jī)單元、AGV運(yùn)輸機(jī)器人搬運(yùn)單元、工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)單元、自動化輸送線單元、步進(jìn)電機(jī)裝配單元、工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)裝配單元等。倉儲分揀以工件為研究對象，系統(tǒng)流程以運(yùn)輸工件和組裝工件為核心展開。根據(jù)工件類型，組裝成品的方法有很多;工件編號的最后一位數(shù)字不相同就可以組裝一套成品，其中次品C-1和D-1是不能組裝的，直接中途返庫;工件組裝成品的裝配流水線，共有14個位置，分為G7成品庫，G8裝配工位，G9備品庫。如圖1所示。

工作原理：工件擺放在立體倉庫上，堆垛機(jī)依次從下到上從右到左出庫，工件運(yùn)輸?shù)匠鰝}位置，放入AGV上，滿足三個后AGV離開立體庫，運(yùn)輸工件到自動化輸送線上，工件進(jìn)入視覺拍照區(qū)域，拍照完成后進(jìn)入抓取工位，機(jī)器人抓取工件放入裝配流水線上。根據(jù)工件類型，出庫順序和裝配流水線位置限制，整個流程中最需要考慮的是如何在有限的裝配位中，找到極限裝配位，在什么樣的情況下會出現(xiàn)裝配流水的裝配工位已經(jīng)全部滿，無法進(jìn)行下一步裝配等。

如表1所示，以下10種方案均認(rèn)為是系統(tǒng)裝配的極限情況作為研究。

2 ?倉儲分揀生產(chǎn)線硬件

自動化立體倉庫與堆垛機(jī)：主要是由立體倉庫、堆垛機(jī)組成。立體倉庫總長約2800mm，高度約1900mm，共有28個倉位，倉位上的傳感器采用BPS8系列傳感器定位系統(tǒng)，測量精度±2mm，最大線速度為4m/s;堆垛機(jī)由三個軸組成，前后運(yùn)行的為X軸，采用渦輪減速裝置;左右運(yùn)行的為Y軸，采用的是雙齒條行程倍增機(jī)構(gòu);上下運(yùn)行的為Z軸，采用的是鏈條提升機(jī)構(gòu);G120變頻器控制碼垛機(jī)速度，最大速度16#4000（轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制16384）。

AGV運(yùn)輸機(jī)器人：AGV機(jī)器人是由車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、精確定位裝置、移載機(jī)構(gòu)、通信單元和導(dǎo)引系統(tǒng)和HMI觸摸屏，三色燈等組成。

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)：為信捷SV4-30ML型智能相機(jī)，內(nèi)含有數(shù)字圖像處理（DSP）芯片，能夠與PC機(jī)脫離，單獨(dú)的進(jìn)行圖像運(yùn)算處理。相機(jī)與 PLC 之間采用 Modbus/TCP協(xié)議通信。

自動化輸送線：主要由驅(qū)動裝置、 傳動裝置以及張緊裝置組成。選用三相220V，變頻器驅(qū)動齒輪電機(jī)，齒輪傳動比1：300。

步進(jìn)電機(jī)裝配：以步進(jìn)電機(jī)為動力，采用雷賽的86電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常步進(jìn)角是15°，最大速度600～1200rpm，加速時間0.1～1s。

工業(yè)機(jī)器人：為匯博HR20-1700-C10型工業(yè)機(jī)器人，其負(fù)載為 20kg工業(yè)機(jī)器人，其最大展開半徑為1722mm，共有六個自由度。

工業(yè)機(jī)器人與 PLC 之間采用Modbus/TCP 協(xié)議通信，其中工業(yè)機(jī)器人是服務(wù)器端，PLC為客戶端，所以PLC是主動讀取和寫入數(shù)據(jù)。

3 ?倉儲分揀生產(chǎn)線軟件

3.1 HMI觸摸屏設(shè)計 ?HMI觸摸屏設(shè)計，倉庫操作界面包括每個倉位有無貨物的顯示狀態(tài)、各限位傳感器的運(yùn)行狀態(tài)、每個軸的運(yùn)動出倉順序、堆垛機(jī)的停止、暫停、復(fù)位、數(shù)據(jù)清除等功能，以及顯示堆垛機(jī)的當(dāng)前位置、工件出入庫的順序等。AGV運(yùn)輸機(jī)器人HMI觸摸屏包括出庫模式和入庫模式兩種模式、接收或發(fā)送信號狀態(tài)顯示、載運(yùn)托盤個數(shù)顯示、運(yùn)行方向控制、運(yùn)行速度控制、循跡參數(shù)設(shè)計、運(yùn)行方向手動控制。

3.2 自動化立體倉庫和AGV運(yùn)輸機(jī)器人設(shè)計 ?自動化立體倉庫和AGV機(jī)器人是運(yùn)輸工件為主，出庫主要過程：選倉，然后點(diǎn)擊啟動按鈕，堆垛機(jī)就會自動的進(jìn)行抓取，前往出倉位，把工件放置到AGV上，當(dāng)滿足三個的時候發(fā)送信號給AGV離開立體庫，把工件送往流水線;入庫主要過程：選倉，堆垛機(jī)前往出倉位，到AGV運(yùn)輸機(jī)器人上取回工件，在放入立體倉庫上，最后自動回原點(diǎn)。

3.3 PLC的通信設(shè)計 ?視覺相機(jī)和工業(yè)機(jī)器人與 PLC 之間采用Modbus/TCP 協(xié)議通信，其中工業(yè)機(jī)器人是服務(wù)器端，PLC 為客戶端，所以PLC是 主動讀取和寫入。PLC與機(jī)器人，相機(jī)Modbus/TCP通信應(yīng)調(diào)用通訊模塊“MB_CLIENT”。

工件運(yùn)輸?shù)捷斔玩溕?，首先會進(jìn)入相機(jī)拍照工位，相機(jī)拍照通過與PLC通信把圖片的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，經(jīng)過PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，在與機(jī)器人進(jìn)行通信把數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人完成一個任務(wù)后反饋一個信號給PLC完成抓取，把工件放置到裝配到流水線上。

3.4 系統(tǒng)編程程序思路 ?系統(tǒng)的整個流程，需要從自動化立體倉庫和堆垛機(jī)把工件出庫，通過AGV運(yùn)輸機(jī)器人把托盤運(yùn)輸?shù)搅魉€上，進(jìn)入視覺相機(jī)拍照工位，拍照完成把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理把數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人通過已經(jīng)示教好的點(diǎn)位與PLC通信來做出對工件的抓取或放置在裝配流水線上，在裝配流水線上進(jìn)行組裝，最后在以成品的方式返庫。

裝配流水線一共只有14位置，必須要留一個位置出來進(jìn)行裝配定位;按照表1出倉順序，以前是無法完成任務(wù)。因此，采用坐標(biāo)的方法，根據(jù)G7，G8，G9每個裝配位的大小，距離和形狀，在PLC中的DB數(shù)據(jù)塊把每一個位置建立一個虛擬的坐標(biāo)，通過相機(jī)與PLC通信，把工件類型、大小、角度發(fā)送給PLC，找到適合放置的位置，儲存到DB數(shù)據(jù)塊中。其中G9工位3，4只能放A-3，B-3號類型工件1，2只能放A-2，B-2類型的工件。

由于工件從立體倉庫來的順序比較隨機(jī)，所以必須要考慮裝配的極限情況，根據(jù)裝配流水線的位置限制，極限工件是第13個，必須要留出1個位置出來裝配進(jìn)行定位。根據(jù)裝配限制，自動化立體倉庫出完13個的時候會自動停止出庫，AGV小車停止在流水線旁邊，等待返庫。

如何做到第13個來的時候不會出錯。根據(jù)裝配流水線的14個裝配位置，按照名字可分為G7成品庫，G8為裝配位，G9為備件庫。

如何判斷裝配位是否為空：根據(jù)裝配位之間的距離會把每一個位置都設(shè)計一個坐標(biāo)值，同時也會在PLC程序里面建立一個DB數(shù)據(jù)塊，來類似于裝配流水線的工位。相機(jī)拍照采集工件的信息，利用通信發(fā)送給PLC，通過SCL語言轉(zhuǎn)化，發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)行放置，工件數(shù)據(jù)計入到DB數(shù)據(jù)塊中，這個DB數(shù)據(jù)塊是與裝配流水線的G9，G8，G7的位置是一一對應(yīng)的。當(dāng)?shù)?3個工件進(jìn)來后，裝配流水線上可以組裝一套成品，通過搜索DB數(shù)據(jù)塊，并把數(shù)據(jù)通過通信發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人去組裝成品，放入G7成品工位，然后在HMI上面先點(diǎn)擊立體庫入庫的位置，選擇要返庫的成品，不能裝配的次品都會返庫回去。立體倉庫會根據(jù)選擇的指定位置進(jìn)行中途返庫，入庫完成后堆垛機(jī)會自動復(fù)位，回到原點(diǎn)位置。數(shù)據(jù)重新清理一次，立刻自動重新出庫，剛剛?cè)霂旎貋淼墓ぜ辉俅纬鰩?，立體庫自動選擇的時候，會調(diào)用另一個SCL語言程序塊，這里面的數(shù)據(jù)不會把剛剛返庫回來的數(shù)據(jù)計入進(jìn)來。最后把以前沒有出庫的工件全部出庫。只要出庫的工件可以與裝配流水線上的工件組成一套就會優(yōu)先組裝一套，組裝完成后，放置在G7成品工位。接著把后面來的工件能夠組裝的完全組裝后，全部開始返庫。入庫完成后所有的設(shè)備都會復(fù)位到初始狀態(tài)。

4 ?總結(jié)

根據(jù)最新的職業(yè)院校高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用大賽試題進(jìn)行研究分析，通過改變編程思路，使得工業(yè)機(jī)器人在裝配流水線上的極限裝配位置都能順利完成比賽的要求、且大大縮短比賽時間，有利于指導(dǎo)學(xué)生在賽場上發(fā)揮優(yōu)異成績，進(jìn)一步達(dá)到以賽促教的成果。

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