馬仲能,吳志剛,馬志剛,李春暉,周松濤,張謝許

(廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局,廣東 廣州 510620)

0 引言

自動拆碼垛裝置是物流自動化系統(tǒng)中不可缺少的設備[1]。 自動拆碼垛裝置在物流工程中具有較大的應用潛力,本文通過拆碼垛裝置將周轉箱按照一定順序擺放到棧板小車上,進而實現(xiàn)對物品的搬運與傳輸。在實際應用中,貨物的擺放方式是多種多樣的,貨物的尺寸、形狀都會影響到垛型的設置和碼垛的方式。 從某種意義上來說,機器人產(chǎn)業(yè)是衡量國家工業(yè)化發(fā)展程度的標識,也是推動國家經(jīng)濟變革的重要技術。

工業(yè)機器人技術在科學技術水平迅速發(fā)展的大環(huán)境的影響下,在醫(yī)療、食品加工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等社會生產(chǎn)及生活方面應用越來越多,極大地提高了社會的生產(chǎn)效率。 這就意味原有依靠人工對產(chǎn)品進行分類和放置的工作已不能滿足自動化生產(chǎn)模式的需求,尋求高效的、精確的物料檢測和分類放置系統(tǒng)變得非常必要。以新型的產(chǎn)業(yè)、技術、生產(chǎn)模式為代表的新型科技經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的同時,工業(yè)機器人和人工智能技術的研發(fā)則作為國家長期發(fā)展的重中之重,是推進國家工業(yè)建設和發(fā)展的重要組成部分。 各個國家不斷在機器人的研發(fā)與制造方面加大力度,機器人領域的競爭日益激烈,而國內的經(jīng)濟飛速發(fā)展,對工業(yè)機器人的需求量不斷增加。

我國工業(yè)機器人因起步較晚、發(fā)展較慢等原因,技術落后于一些發(fā)達國家。 隨著國家對機器人產(chǎn)業(yè)前景的重視,工業(yè)機器人的發(fā)展也越來越多地出現(xiàn)在國家的戰(zhàn)略目標中。 相較于國外,國內的工業(yè)機器人技術是從1970 年才開始引入的。 雖然時間上晚于國外,但是在受國內科技發(fā)展形勢速度飛快及工業(yè)機器人的需求量激增這兩大主要因素的刺激下,國內工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來,特別是在焊接工業(yè)、汽車制造業(yè)、自動噴涂、加工等領域有了很大的發(fā)展及應用。 國家“中國制造2025”戰(zhàn)略對工業(yè)機器人提出的要求是盡快建立更加完善的體系結構來促進具有智能的高科技的工業(yè)機器人的發(fā)展。 這需要開展速度高、精確度高、智能化程度高的工業(yè)機器人技術研究,與此同時還要開展運行速度快、準確度高的控制方法并研制功能強、性能好的控制器為高科技工業(yè)機器人技術提供支持,才能夠使工業(yè)機器人完成工作任務精確程度更高、速度更快。

PLC 作為常用的以電氣與計算機控制技術為基礎的專用型工業(yè)控制器。 自20 世紀60 年代末第一臺可編程控制器問世后,經(jīng)過不斷的發(fā)展,PLC 技術已經(jīng)被廣泛地應用工業(yè)生產(chǎn)的各個領域中。 PLC 作為控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、通用性強、硬件類型多樣、使用簡單、可以滿足多種的控制要求、適應性極好、編程簡單、容易掌握、安裝簡單、維修工作量小、維護方便、體積小、能耗低的優(yōu)點。

盡管我國近些年碼垛機器人的研發(fā)水平和相關技術都有了巨大的進步,自主研發(fā)也取得了很大的成果,但還是存在著一些問題需要進行改進,存在著一些技術壁壘需要突破。 由于我國自動拆碼垛裝置的研究還存在著一定的不足,其自動拆垛與碼垛操作還不能滿足自動化倉庫物流對安全性與效率的要求,隨著物流出入庫量的不斷加大,自動拆碼垛裝置也迎來了新的挑戰(zhàn),為提高拆碼垛裝置的自動化程度,滿足拆碼垛工作的要求,防止裝置在拆碼垛過程中出現(xiàn)故障,影響工作效率[2]。 引入PLC 與工業(yè)機器人到傳統(tǒng)的生產(chǎn)線,實現(xiàn)生產(chǎn)線全自動化的現(xiàn)代化改造,保證高效、穩(wěn)定的生產(chǎn),減少人力成本的投入。 要較好地實現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動控制,則對相應的設備電氣控制就提出了較高的、較新的控制要求。 碼垛機器人的運動控制可分為機器人位姿與軌跡控制、末端執(zhí)行機構抓取控制兩大類常規(guī)運動控制方法的運動控制精度低、受環(huán)境影響大、抗干擾能力弱,已經(jīng)不能滿足智能控制要求。 為解決這一問題,本文研發(fā)一種用于棧板小車和周轉箱的自動拆碼垛裝置,以期為今后自動化拆碼垛裝置的研究提供一定參考。

1 一種用于棧板小車和周轉箱的自動拆碼垛裝置的研發(fā)

1.1 設計裝置機械結構

工業(yè)機器人的選擇是需要考慮多種因素,一般情況下根據(jù)系統(tǒng)的設計要求選擇技術成熟、操作比較簡單、安全可靠程度高、具有實用程度高的工業(yè)機器人?？偟膩碚f,系統(tǒng)所需的用于完成物料分類放置的工業(yè)機器人需要具有成熟的技術是為工業(yè)機器人運行的穩(wěn)定性、便于技術人員操作、方便維修等提供支持。 基于PLC 控制構建標準化體系是非常重要的,做到零部件和機器的標準化通用化,模塊化,大力發(fā)展多功能碼垛機器人,只有這樣才能降低碼垛機器人的生產(chǎn)成本有利于碼垛機器人行業(yè)發(fā)展,也能降低后期維護和修理成本碼垛機器人制造企業(yè)行業(yè)也應該信息共享,共同制定行業(yè)標準和規(guī)范實現(xiàn)行業(yè)的規(guī)范化,便于行業(yè)管理,便于完善售后體系。 現(xiàn)有的拆碼垛機器人裝置的機械結構一般常如圖1—2 所示。

圖1 現(xiàn)有常用拆碼垛裝置結構類型1

圖2 現(xiàn)有常用拆碼垛裝置結構類型2

而本文研發(fā)的用于棧板小車和周轉箱的自動拆碼垛裝置的機械結構主要由機械傳動裝置,控制系統(tǒng),檢測裝置,驅動電機、限位器、調節(jié)裝置、碼垛架等組成[3],如圖3 所示。

機器人控制器是專用型控制器,只負責協(xié)調機器人各軸的運動控制、機器人與PLC 之間的信息交互保證機器人運行的精確、高效。 機器人的控制具有精度高、運動復雜、運算量大,運算速度高的特點,因此對控制器穩(wěn)定性、運算速度都有很高的要求。 由圖3 可知,該裝置在制作控制中要求整機自動運行,并根據(jù)棧板小車與周轉箱具體長度,自動調節(jié)抓取與運送數(shù)量,設定拆碼垛裝置的設定拆碼垛裝置的擺臂及拆碼與碼放速度,配合生產(chǎn)線傳輸帶的傳輸速度,拆碼垛裝置的預設以速度、長度實測值、拆碼垛數(shù)量等情況為依據(jù),實時顯示,使擺臂輸送松緊度能夠實時調整,通過人機交互界面觀測設定參數(shù),控制設備并監(jiān)視裝置的運行狀態(tài)及整體生產(chǎn)線的運行情況。

圖3 自動拆碼垛裝置結構設計

1.2 規(guī)劃裝置拖拉棧板小車空間路徑

軌跡規(guī)劃可以在關節(jié)空間中進行,即計算關節(jié)的位置、速度和加速度:也可以在笛卡爾空間進行即計算末端執(zhí)行器的位置、方向和其對時間的微分。 運動規(guī)劃是在給定的位置之間為機器人找到一條符合約束條件的路徑,是機器人學的一個重要研究領域。 單機器人的路徑規(guī)劃是單機器人運動規(guī)劃的主要研究內容之一路徑指的是連接起 點位置和終點位置形成的序列點或曲線,而構成路徑的策略與方法則稱之為路徑規(guī)劃。目前單個機器人的路徑規(guī)劃方法可以歸納為五種:基于能量最優(yōu)的路徑規(guī)劃、基于時間最優(yōu)的路徑規(guī)劃、基于最小沖擊的路徑規(guī)劃、基于路徑最優(yōu)的路徑規(guī)劃或者將它們組合起來為主要方法來進行路徑優(yōu)化。 這幾種目標規(guī)劃的方法主要還是通過優(yōu)化算法進行優(yōu)化計算得到最優(yōu)解和最優(yōu)參數(shù)。 碼垛機器人的運動規(guī)劃按照規(guī)劃類型可以分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃,避障問題作為特殊的路徑規(guī)劃問題。 本文以自動拆碼垛裝置從加載到貨物卸載中,拖拉棧板小車的單程路徑進行規(guī)劃,描述關節(jié)空間[4]。 構建運動軌跡加減速段五次多項式插值方程,其勻速段的線性方程式為:

式中:α1為加速段,α2為勻速段,α3為減速段,v0為前一段路徑結束角度,v1為前一段路徑結束角速度。根據(jù)空間不共線三點坐標,插補圓弧位置及數(shù)量與方向,最后進行直線插補,利用最后替換點為終止點,確保插補點位置信息處于規(guī)劃空間范圍內,運動軌跡與設定相符合。

1.3 配置PLC 自動控制拆碼周轉箱運動

PLC 技術主要的工作任務是進行數(shù)據(jù)信息分析和存儲,在遇到相關性問題之后,可以及時通過系統(tǒng)來獲取到所需要的相關信息,從而起到輔助工程順利推進的作用。 在運動控制模塊驅動4 個伺服電機轉動,驅動拆碼垛裝置運動[5]。 由拆碼垛裝置的末端位解算對應的關節(jié)運動量,其拆碼垛裝置運動學正解映射T0,一個期望位姿Ts,公式如下:

式中:α為裝置關節(jié)角度,選取合適的初值對上式進行求解,將運動模型應用在裝置中,對裝置中如多軸交點等特殊點進行控制,消除對應變化的矩陣,使拆碼垛裝置完成拆碼動作。

2 實驗論證分析

在完成對自動拆碼垛裝置的結構設計及運動控制和路徑規(guī)劃后,去現(xiàn)場進行裝置的調試。 設定生產(chǎn)線速度為60 m/min,周轉箱的輸送線應保證輸送周轉箱速度為15 m/min,經(jīng)過調試,本文裝置能夠在60 m/min 的運行速率下使周轉箱排列整齊,位置固定,且沒有出現(xiàn)堆積狀況,整體裝置動作協(xié)調,能夠達到兩個拆碼垛位置的周轉箱能夠及時地輸出與供給,保證了拆碼垛作業(yè)的連貫性,減少了本文裝置的等待時間。 對調試時所出現(xiàn)的問題進行記錄,并提出解決方法,調試后效果明顯,具體情況如表1 所示。

由表1 可知,拆碼垛生產(chǎn)線中自動拆碼垛裝置速度節(jié)拍與其他各部分相匹配,避免了周轉箱堆積及損壞情況,在加快了生產(chǎn)速度的同時,提高了運行的穩(wěn)定性。

表1 自動拆碼垛裝置運行情況

3 結語

自動拆碼垛裝置在物流工程中具有較大的應用潛力,本文研究開發(fā)了一種用于棧板小車和周轉箱的自動拆碼垛裝置,通過設計自動拆碼垛裝置機械結構,配置PLC 控制系統(tǒng),規(guī)劃裝置拖拉棧板小車的路徑軌跡,實現(xiàn)拆碼垛裝置的動作操作控制,取得了一定的研究成果。 完成了對自動拆碼垛裝置的結構設計及運動控制和路徑規(guī)劃并通過現(xiàn)場進行了裝置的調試。 分析現(xiàn)場運行結果可以得出,拆碼垛生產(chǎn)線中自動拆碼垛裝置速度節(jié)拍與其他各部分相匹配,避免了周轉箱堆積及損壞情況,在加快了生產(chǎn)速度的同時,提高了運行的穩(wěn)定性。 但由于時間和條件的限制,本文研究還存在著諸多不足,有待于在后續(xù)研究中進一步探討。