陳曉康 ，李 楊 ，繆興華 ，周 銀 ，丁 展 ，蔣福平

（泰州學院機電工程學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

隨著數(shù)字經(jīng)濟和互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，引領(lǐng)工業(yè)生產(chǎn)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，以大數(shù)據(jù)為驅(qū)動力的智能制造體系，是推動數(shù)字信息化和工業(yè)自動化的重要力量。智能制造體系工藝的合理性、準確性、完備性、時效性，是實現(xiàn)強國制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。工業(yè)機器人是整個制造體系的核心，不僅被用于多工位、多任務(wù)的協(xié)同自動化生產(chǎn)中，而且在智能搬運分揀、碼垛、自動上下料以及噴涂、焊接和涂膠等作業(yè)中也是重要的執(zhí)行環(huán)節(jié)[4-7]。

智能制造生產(chǎn)體系中自動化產(chǎn)線各執(zhí)行單元的產(chǎn)線布局、節(jié)拍控制是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其中各工位間協(xié)同控制和運動軌跡的規(guī)劃是難點[8-10]。因此，需要對機器人的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，通過控制系統(tǒng)來控制自動化生產(chǎn)過程，本研究選取智能制造系統(tǒng)中重要的執(zhí)行單元碼垛機器人的控制系統(tǒng)為研究對象，模擬實際生產(chǎn)中碼垛的動作流程，并對碼垛過程中涉及的傳送帶、傳感器、產(chǎn)品、系統(tǒng)I/O 信號、機器人動作和路徑進行詳細分析設(shè)計。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)布局設(shè)計

自動化碼垛系統(tǒng)的布局是根據(jù)碼垛作業(yè)需求所構(gòu)建的。本研究采用RobotStudio 軟件構(gòu)建碼垛系統(tǒng)的布局分配，以機器人為核心中轉(zhuǎn)點、傳送帶為輸送載體、傳感器為信號的觸發(fā)點、碼垛產(chǎn)品為作業(yè)對象，采用I/O信號作為連接點，使整個碼垛系統(tǒng)協(xié)調(diào)、合理地流暢運行，構(gòu)建的碼垛系統(tǒng)布局模型圖如圖1所示。

圖1 碼垛系統(tǒng)布局模型圖

1.2 系統(tǒng)控制流程設(shè)計

碼垛系統(tǒng)的控制是以數(shù)據(jù)信號流作為任務(wù)信息串聯(lián)和引導，通過對任務(wù)對象的特征分析，制定合理的碼垛工藝流程。具體控制流程是產(chǎn)品從自動化生產(chǎn)線進入碼垛線接收平臺，位置傳感器檢測是否有產(chǎn)品流入，然后通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動傳送設(shè)備將產(chǎn)品輸送到機器人的工作范圍內(nèi)，此機器人工作范圍內(nèi)設(shè)有物料到位傳感器，用來驅(qū)動機器人末端吸盤吸取產(chǎn)品并進行碼垛作業(yè)，碼垛采取左右托盤同時碼垛，也可采取先左后右或者先右后左進行碼垛，碼垛系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 碼垛系統(tǒng)控制流程圖

2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

2.1 I/O信號邏輯設(shè)計

碼垛控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號流分為產(chǎn)品有無觸發(fā)信號、產(chǎn)品到位觸發(fā)信號和碼垛觸發(fā)信號，具體的控制過程是由傳送帶InFeeder 接收到產(chǎn)品進入的信息，反饋給碼垛系統(tǒng)作為系統(tǒng)的輸入信號，系統(tǒng)的另一路信號數(shù)據(jù)由吸盤當前的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)，再由系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信號傳遞給Gripper，對機器人末端執(zhí)行器吸盤進行控制。碼垛控制系統(tǒng)I/O信號邏輯設(shè)計如圖3所示。

圖3 碼垛控制系統(tǒng)I/O信號邏輯設(shè)計圖

2.2 傳送帶邏輯設(shè)計

傳送帶是整個碼垛系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)樞紐，其中包括物料的有無檢測、物料的到位檢測，兩種檢測分別使用線傳感器和面?zhèn)鞲衅?。RobotStudio軟件采用Source模塊進行產(chǎn)品復制，然后進入Queue 模塊將物料產(chǎn)品依次傳遞，傳遞采用LinearMover模塊移動Source模塊產(chǎn)生的物料產(chǎn)品，直至面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栍|發(fā)系統(tǒng)使機器人開始吸取產(chǎn)品進行碼垛作業(yè)，其中還采用了邏輯非模塊LogicGate(NOT)來解決傳感器檢測后信號變化的觸發(fā)情況。傳送帶I/O信號邏輯設(shè)計如圖4所示。

圖4 傳送帶I/O信號邏輯設(shè)計圖

2.3 吸盤工具邏輯設(shè)計

吸盤是整個碼垛系統(tǒng)的最后執(zhí)行環(huán)節(jié)，物料的吸取和放置都是由機器人的吸盤工具完成的，吸盤的邏輯設(shè)計中采用LineSensor 傳感器模塊進行抓取點的檢測，到位后觸發(fā)Attacher 模塊進行物料產(chǎn)品的吸取動作，再根據(jù)機器人的路徑規(guī)劃到達碼垛位置后觸發(fā)Detacher 模塊完成對物料產(chǎn)品的碼垛作業(yè)，控制模塊同時引入邏輯非模塊LogicGate(NOT)，協(xié)調(diào)機器人吸盤的放置動作，吸盤I/O信號邏輯設(shè)計如圖5所示。

圖5 吸盤I/O信號邏輯設(shè)計圖

3 碼垛系統(tǒng)的搭建與仿真

碼垛系統(tǒng)搭建如圖6 所示，主要由碼垛機器人、托盤、外圍設(shè)備、托盤垛和控制柜等構(gòu)成[11]。三套傳感器中，一個傳感器安裝在吸盤夾具上，以檢測確定物料的吸取點和放置點；另一個傳感器安裝在傳送帶起始端，檢測是否有物料進入傳送帶；最后一個傳感器是位置傳感器，用來檢測傳送帶上物料傳遞到位信息，進而調(diào)用機器人進行碼垛作業(yè)。

圖6 碼垛系統(tǒng)搭建圖

碼垛物料的長、寬、高分別為600 mm、400 mm、250 mm，重量為20 kg，托盤的長、寬分別為1 200 mm、1 000 mm。根據(jù)空間利用最優(yōu)和垛型穩(wěn)固原則采用五花碼或六花碼，其中五花碼采用橫三豎二碼垛方式，同時奇數(shù)層和偶數(shù)層碼垛原則相同方向相對，六花碼采用二列豎三式碼垛，需遵循1-2-3 和4-5-6 式碼垛原則，五花碼型、六花碼型分別如圖7、圖8所示。

圖7 五花碼型圖

圖8 六花碼型圖

碼垛系統(tǒng)根據(jù)垛盤尺寸、位置和工件特征，設(shè)置合理的運動路徑、吸取點和放置點，并通過I/O 數(shù)據(jù)信息流控制物料的取放。本文選取五花碼型，每層以三二式或者二三式放置5 個物料，每個垛盤放置5 層，兩個垛盤全部碼放完成時，一個周期的碼垛結(jié)束，碼垛系統(tǒng)仿真如圖9 所示。

圖9 碼垛系統(tǒng)仿真圖

通過碼垛系統(tǒng)仿真運行可得機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡和軌跡點坐標值，運動軌跡如圖10 所示。綠色——Z坐標，藍色——Y坐標，黃色——X坐標，軌跡點坐標值如表1 所示，其更有力地證明了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

表1 碼垛機器人運行軌跡Z、Y、X坐標值

圖10 碼垛系統(tǒng)運行末端執(zhí)行器軌跡圖

4 結(jié)語

根據(jù)碼垛作業(yè)的任務(wù)要求，項目小組設(shè)計了基于RobotStudio 的碼垛機器人控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)布局的設(shè)計、系統(tǒng)控制流程的設(shè)計、I/O 信號邏輯設(shè)計、傳送帶邏輯設(shè)計和吸盤工具邏輯設(shè)計等，然后對搭建的機器人控制系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，實驗結(jié)果驗證了該控制系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)左右碼垛任務(wù)，并可保證較好的穩(wěn)定性、安全性和高效性。因此，可將本研究的碼垛機器人控制系統(tǒng)應(yīng)用于智能制造的生產(chǎn)體系中，實現(xiàn)高品質(zhì)和高效率的智慧生產(chǎn)。