張 俊,劉天宋,陳義偉,李 超
(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院,江蘇 常州 213000)
隨著大家的生活水平提高,人們對物品的包裝要求越來越高,因此包裝碼垛行業(yè)的作業(yè)模式更新?lián)Q代遇到了前所未見的挑戰(zhàn)。近幾年,新型冠狀病毒席卷全球,各個國家經(jīng)濟趨勢低迷。目前看來,疫情總體趨于穩(wěn)定,我國的經(jīng)濟發(fā)展情況也引起了全球各國的關(guān)注和重視。伴隨著工業(yè)實體的巨大市場規(guī)模,我國工業(yè)機器人市場規(guī)模達巨大,機器人技術(shù)發(fā)展勢不可擋、大勢所趨,更是被列為“中國制造2025”十大重點領(lǐng)域[1-7]。工業(yè)機器人應(yīng)用于各個領(lǐng)域,例如:噴涂、打磨、碼垛、精密儀器安裝等行業(yè)[8-11],其中,工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于包裝流水線,主要完成分揀、碼垛等任務(wù)[11-16]。碼垛機器人作為貨物搬運碼垛的有效工具,減少勞動力消耗,在后疫情時代,在產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇的關(guān)鍵時刻,碼垛線的智能化程度將得到提升,從而提高各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率,服務(wù)于社會發(fā)展已成為一項十分緊迫的任務(wù)。根據(jù)文獻所知,小工廠采用輸送線配合人工碼垛的比較多[2],大部分碼垛流水線運行狀況良好,但是由于產(chǎn)品比較單一,智能化水平不高[8],目標盤更換都需要進行程序更改并進行調(diào)試,影響工作效率。針對以上問題,本文利用PLC、工業(yè)機器人和觸摸屏設(shè)計碼垛工作站控制系統(tǒng),為不同的目標盤碼垛提供新的參考思路,使工作站更加智能化、人性化和便捷化。
碼垛機器人工作站由料盤控制系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、工業(yè)機器人、和控制系統(tǒng)組成,如圖1 所示。工業(yè)機器人根據(jù)自由度、空間和載荷選用ABB 的IRB120 機器人。夾爪控制系統(tǒng)主要包括夾爪以及氣路電磁閥控制開合。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)生產(chǎn)實際的需求和流水線流程安排,碼垛工作站的布局如圖2 所示。其工作原理為:工作時,在觸摸屏上選擇相應(yīng)的物料碼垛功能,由觸摸屏告知PLC,PLC 傳遞給變頻器和機器人控制柜,傳送帶開始運輸物料,機器人開始拾取相應(yīng)工具待命,當傳送到指定位置時,通過指定的傳感器檢測到物料到達,由PLC 傳遞給機器人控制柜,機器人開始到達預(yù)設(shè)位置拾取物料,根據(jù)設(shè)置路徑放入指定目標盤設(shè)定位置中,放置完成后由機器人控制柜傳送給PLC 完成放置信號,PLC 通過計算控制變頻器使目標盤進行對應(yīng)位置旋轉(zhuǎn),因此碼垛工作站可以滿足該流水線的碼垛任務(wù)。
圖2 系統(tǒng)布局圖
本碼垛工作站系統(tǒng)硬件設(shè)施主要采用觸摸屏、PLC、工業(yè)機器人、變頻器、電機、電磁閥與傳感器等共同協(xié)作實現(xiàn),硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本系統(tǒng)以機器人與PLC 為核心,二者采用以太網(wǎng)通信,PLC 與觸摸屏采用RS485 通信協(xié)議完成信息的交互,根據(jù)要求完成相應(yīng)的碼垛任務(wù),PLC與工業(yè)機器人內(nèi)置板卡的連接圖,如圖4所示。
圖3 硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
圖4 PLC與機器人擴展I/O接線(部分)
本系統(tǒng)可以實現(xiàn)機器人的運行與停止和伺服電機的參數(shù)設(shè)定,原料盤以及目標盤的料塊狀態(tài)可以通過傳感器提供給PLC。PLC 再與機器人進行通信連接,實時獲取物料狀態(tài)變化,根據(jù)物料狀態(tài)和碼垛任務(wù)要求,啟用不同的任務(wù)程序。為保證任務(wù)的可循環(huán)性及其穩(wěn)定性,本原料盤旋轉(zhuǎn)一個周期后,位置參數(shù)就會進行一次更新,可使本操作系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行。
本系統(tǒng)采用硬件型號如下所述。
(1)機器人控制器。機器人控制器采用ABB IRC5控制柜,控制柜自身集成以太網(wǎng)接口,方便與外部設(shè)備進行通信。
(2)PLC 控制器。PLC 選用西門子200 smart PLC,本型號PLC 共有60 個輸入輸出點,基本指令執(zhí)行時間可達0.15us,自帶以太網(wǎng)口。由于本控制系統(tǒng)龐大,需要進行各個設(shè)備之間的信號控制和信息處理,并與機器人進行以太網(wǎng)通信。
(3) 觸摸屏人機交互界面。觸摸屏選擇威綸通TK8071IP 觸摸屏,可以與PLC 進行RS485 通信協(xié)議進行通信,可對本系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和對機器人任務(wù)參數(shù)進行設(shè)置。
(4)變頻器。采用三菱D7200 變頻器,實現(xiàn)對原料電機和目標盤1、2電機的控制。
根據(jù)工作站的工作原理[12-13],PLC 和觸摸屏可以通過網(wǎng)線進行自由通信,在程序運行時根據(jù)觸摸屏提前設(shè)定好的參數(shù)進行對應(yīng)的流程。機器人可通過自帶的真空檢知系統(tǒng)判斷當前位置有沒有抓取到物料,當機器人抓取到物料時觸摸屏上物料對應(yīng)的灰色信號燈點亮,調(diào)試人員可非常直觀的觀察物料數(shù)量的變化。當機器人在當前位置夾取不到物料時對應(yīng)的黑色指示燈點亮同時會通過網(wǎng)線發(fā)送信號給PLC,PLC 在得到信號時可控制料盤的轉(zhuǎn)動,以保證可以抓取所有物料,在夾取物料的總數(shù)量小于當前料盤的總物料時會重復(fù)進行取料直到對料盤上所有物料都進行過檢測。工業(yè)碼垛過程整個系統(tǒng)程序的開發(fā)包括ABB 工業(yè)機器人及控制系統(tǒng)的初始化、HMI工藝參數(shù)設(shè)置、手動調(diào)試、系統(tǒng)自動運行、I/O信號輸入輸出監(jiān)控系統(tǒng)等,程序流程如圖5 所示。整個程序按照模塊化編程,保證了不會花太多時間調(diào)試程序。
圖5 工作站程序流程圖
(1)控制系統(tǒng)初始化:當系統(tǒng)開機時,所有的料盤回歸原位,物料全部位于傳送帶上,機器人處于機械零點。
(2)HMI 工藝參數(shù)設(shè)置:根據(jù)操作者的需要,可以對觸摸屏上已有的參數(shù)進行設(shè)置,實現(xiàn)多種功能。
(3)手動調(diào)試運行:ABB 機器人工作站在設(shè)備聯(lián)調(diào)時,可以單獨調(diào)試各個運行模塊,測試用于抓取碼垛的工具是否可以正常使用,傳送帶的送料控制,機器人的緊急停止,目標盤的轉(zhuǎn)動,為整個工作站的自動運行打基礎(chǔ)。
(4)系統(tǒng)自動運行:當碼垛參數(shù)進行設(shè)置以后,將ABB 工業(yè)機器人調(diào)至自動模式,機器人將自動完成碼垛的抓取與放置;為了安全起見,整個過程將通過機器人控制柜的急?;蛘哂|摸屏的急停按鈕控制啟動和停止。
(5)輸入輸出I/O 信號監(jiān)控系統(tǒng):通過觸摸屏中的輸入輸出監(jiān)控畫面可以監(jiān)控整個工作站的IO狀態(tài)。
本碼垛工作站工業(yè)機器人控制程序的編寫采用ABB工業(yè)機器人的RAPID 語言設(shè)計,RAPID 語言是ABB 機器人專用語言,具備靈活性和擴展性廣泛的特點,支持建立多個任務(wù)模塊和例行程序。整個系統(tǒng)設(shè)計包括主程序設(shè)計和子程序設(shè)計。子程序設(shè)計包括初始化、調(diào)取相應(yīng)碼垛程序、拾取工具程序、中斷程序、目標盤1 執(zhí)行程序、目標盤2 執(zhí)行程序等功能程序,拾取工具程序利用了子程序可以帶參數(shù)調(diào)用的原理,可以使程序更加簡便靈活,同一個子程序可以根據(jù)參數(shù)不同拾取不同的工具,中斷程序保證了運行中的相對安全,當觸發(fā)安全光柵或發(fā)生應(yīng)急情況時,機器人會主動進入到中斷程序當中,緊急停止工作站,保證安全。不同的目標盤調(diào)用程序分別對應(yīng)了相對的目標形狀和適應(yīng)的運動軌跡。主程序設(shè)計包含中斷程序,邏輯判斷,子程序調(diào)用等具體實現(xiàn)碼垛相應(yīng)功能和適配軌跡。機器人碼垛主程序如下。
觸摸屏可通過自帶的觸感反饋能力,判斷點擊屏幕的位置,然后使編寫好的程序驅(qū)動各個部件,方便操作。該操作系統(tǒng)中使用的是威綸通TK8071IP型號觸摸屏,該觸摸屏界面設(shè)計中,主要分為4個部分:功能選擇區(qū)域、料盤復(fù)位區(qū)域、報警區(qū)域、控制區(qū)域。其中當機器人運行出現(xiàn)故障時,報警區(qū)域的指示燈會進行閃爍,按下急停按鈕便可緊急停止運動。功能選擇區(qū)域中可以跳轉(zhuǎn)到監(jiān)控畫面,監(jiān)控畫面中可以實時反饋原料區(qū)、目標盤物料的裝調(diào),方便在調(diào)試時更好地了解物料的情況,如圖6所示。
本次設(shè)計的碼垛工作站控制系統(tǒng)采用光、機、電、氣和磁相結(jié)合。2022年11月,系統(tǒng)設(shè)計完畢后在某電子設(shè)備廠進行碼垛測試,該公司原來采用兩班制8 人,24 小時連續(xù)生產(chǎn),目標盤為A、B 每天分別碼垛1 350、1 500 盒,由于工人的技術(shù)不穩(wěn)定,產(chǎn)能會有±8%波動,并且由于工人連續(xù)工作身體疲勞,碼垛出錯3~5%。測試結(jié)果表明,碼垛準確率達99%,生產(chǎn)線中實現(xiàn)了自動碼垛,工作過程穩(wěn)定,提高了工作效率,系統(tǒng)實用前后運行效率對比如表1所示。
表1 系統(tǒng)調(diào)試統(tǒng)計結(jié)果
為了解決采用輸送線配合人工碼垛,降低人員的勞動強度和碼垛流水線產(chǎn)品比較單一,智能化水平不高等問題,本文以ABB IRC5 工業(yè)機器人和西門子S7-200smart 為核心控制,采用以太網(wǎng)通信,結(jié)合威綸通觸摸屏技術(shù)、變頻器技術(shù)設(shè)計了碼垛工業(yè)機器人的控制系統(tǒng),通過調(diào)試測試后,碼垛目標盤1和目標盤2準確率均達99%。實踐證明,基于PLC 與工業(yè)機器人的碼垛工作站控制系統(tǒng)能自動完成物料準備、機器人自動拾取工具、物料及碼垛、送料等功能,整體運行良好,工作速度穩(wěn)定,工作速率快,降低了人員的勞動強度,提高了生產(chǎn)效率,具有實際應(yīng)用參考價值和廣闊的應(yīng)用前景。