區(qū)娟蘭 ， 陳曉康 ， 張權(quán)芳 ， 張?zhí)旌?， 王少位

（泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

通信作者：陳曉康（1987—），男，江蘇連云港人，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)動控制。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，碼垛機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)有很多在生產(chǎn)或加工時(shí)有碼垛需求的傳統(tǒng)企業(yè)，開始由人工作業(yè)的搬運(yùn)和碼垛逐步向自動化碼垛機(jī)器人作業(yè)轉(zhuǎn)型[1-3]。然而，對于碼垛產(chǎn)品體積較大或重量較重的情況，依靠人工碼垛不僅作業(yè)強(qiáng)度大、效率低，而且具有較高的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為適應(yīng)我國社會化大生產(chǎn)的需求，提高工業(yè)生產(chǎn)中碼垛的效率，降低生產(chǎn)成本和人工勞動強(qiáng)度，設(shè)計(jì)一套自動化碼垛系統(tǒng)尤為重要[4-5]。

1 自動化碼垛系統(tǒng)

1.1 研究方案

自動化碼垛系統(tǒng)既可以利用實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行操作，同時(shí)結(jié)合一些相關(guān)設(shè)備在線編程來完成，又可以利用仿真軟件離線編程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在線編程可以更好地觀察軌跡運(yùn)行過程中機(jī)器人的姿態(tài)變化，但是與離線編程相比，它需要占用機(jī)器人更多的工作時(shí)間和運(yùn)行內(nèi)存[6]。因此，課題組選用SolidWorks軟件搭建機(jī)器人三維模型來進(jìn)行運(yùn)動分析，并利用RobotStudio軟件作為基礎(chǔ)平臺來進(jìn)行自動化碼垛系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。

1.2 機(jī)器人本體建模

課題組在利用RobotStudio仿真軟件進(jìn)行自動化碼垛系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)之前，采用SolidWorks三維建模軟件搭建了一款與ABB IRB460碼垛機(jī)器人相似的本體模型來進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。機(jī)器人模型如圖1所示，可以更好地掌握自動化碼垛過程中機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，為本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)，機(jī)器人的軸運(yùn)動參數(shù)如表1所示。

圖1 碼垛機(jī)器人的本體模型

表1 碼垛機(jī)器人的軸運(yùn)動參數(shù)

1.3 碼垛工作站搭建

課題組設(shè)計(jì)的自動化碼垛系統(tǒng)采用RobotStudio軟件進(jìn)行虛擬工作站仿真設(shè)計(jì)，機(jī)器人在碼垛物料時(shí)是左右開工的雙邊單碼垛設(shè)計(jì)，搭建的碼垛工作站如圖2所示。

圖2 碼垛工作站設(shè)計(jì)

當(dāng)安裝在輸送鏈上的面?zhèn)鞲衅鳈z測到有物料在輸送鏈上輸送時(shí)，碼垛機(jī)器人會按照設(shè)定的程序?qū)ξ锪线M(jìn)行抓取，先把物料放置在右側(cè)，再抓取物料往左邊放置，循環(huán)這個(gè)流程直到左右兩邊物料放置的層數(shù)都達(dá)到預(yù)定的碼垛層數(shù)。自動化碼垛工作站的作業(yè)流程圖如圖3所示。

圖3 自動化碼垛的作業(yè)流程圖

1.4 碼垛工件放置

根據(jù)大部分工廠使用的物料，可知碼垛產(chǎn)品的具體參數(shù)，物料通常以大型箱體為主。課題組選用通用型長、寬、高分別為600 mm、400 mm、250 mm的物料箱作為研究對象。不同的碼垛需求對物料的放置有不同的要求，課題組設(shè)計(jì)的碼垛方式是每一層放置5箱，按照橫3豎2放置，工件的碼垛放置形式如圖4所示。

圖4 碼垛放置形式圖

采用上述兩種碼垛方式，對于通用型的物料箱，通過自動化碼垛系統(tǒng)將工作站中左右兩側(cè)托盤物料各放置3層，物料放置的效果如圖5所示。

圖5 物料放置效果圖

2 自動化碼垛仿真設(shè)計(jì)

2.1 I/O信號

I/O信號是用來與工作站創(chuàng)建的各個(gè)Smart組件進(jìn)行信號交互的。它是工作站中自己創(chuàng)建的一種數(shù)字量信號，可通過將數(shù)字輸入信號與系統(tǒng)的控制信號關(guān)聯(lián)起來，達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。I/O信號連接是指設(shè)定的I/O信號與Smart組件信號的連接關(guān)系以及各個(gè)Smart組件信號之間的連接關(guān)系。課題組設(shè)計(jì)的工作站利用I/O信號來實(shí)現(xiàn)在自動化碼垛各部件之間建立通信連接，最終成功實(shí)現(xiàn)碼垛作業(yè)。

2.2 Smart組件

Smart組件的設(shè)計(jì)用于使機(jī)器人抓取和放置物料及傳送帶傳送物料的I/O信號產(chǎn)生交互和動態(tài)仿真，是整個(gè)自動化碼垛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作站仿真的核心部分。課題組設(shè)計(jì)的工作站用到了許多的Smart組件，包括傳送帶組件SC-InFeeder，動作類子組件如Source、Attacher及Detacher，對象的隊(duì)列組件Queue，本體子組件LinearMover，傳感器組件Planesensor等。其中，真空吸盤組件SC-Gripper是比較重要的，它的工作邏輯如下：當(dāng)傳感器LineSensor檢測到物料接觸到傳感器時(shí)，吸盤就會完成抓取物料的動作，物料到達(dá)托盤指定的位置后就會把物料放置好，真空吸盤組件邏輯設(shè)計(jì)關(guān)系如圖6所示。

圖6 SC-Gripper組件邏輯設(shè)計(jì)關(guān)系

2.3 程序設(shè)計(jì)

碼垛機(jī)器人抓取和放置物料是碼垛過程中相當(dāng)重要的一部分。碼垛機(jī)器人抓取和放置過程的部分代碼如下：

3 仿真調(diào)試

課題組主要對自動化碼垛系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并通過仿真軟件對碼垛系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。從碼垛工作站的搭建、碼垛工件放置形式的設(shè)置，到I/O信號的設(shè)置以及信息流Smart組件的設(shè)計(jì)；然后根據(jù)產(chǎn)品碼垛工藝的需求編制合理的程序；最后進(jìn)行虛擬仿真，在仿真系統(tǒng)的環(huán)境中，驗(yàn)證I/O信號的檢測是否準(zhǔn)確、信息流的交換是否暢通，同時(shí)驗(yàn)證碼垛工藝是否正確。最終仿真結(jié)果驗(yàn)證了自動化碼垛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置和工藝的正確性，整個(gè)仿真工作站的成功可大幅度地提高碼垛作業(yè)的效率，縮短碼垛系統(tǒng)的開發(fā)周期，對于我國工業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-10]。