直角坐標機器人瓶坯裝箱生產線控制系統

朱學建 馬 永 馮 渝 曾繁莊 趙 偉

（武漢人天包裝技術有限公司電氣所，湖北 武漢 430205）

瓶坯裝箱是瓶坯生產工藝中重要的一個環節，轉運箱既是對產品的一種保護，又是方便產品搬運、運輸的一個媒介。在實際生產中，瓶坯形狀比較特殊，裝箱工藝涉及到瓶坯的排列、抓取以及規則碼放等多種問題，因此一直沒有很好的自動化解決方案。目前國內外企業在瓶坯裝箱工序上采用的都是人工碼放的方式。通常1臺注塑機需要5個以上的工人碼放瓶坯，工人和瓶坯直接接觸產生的二次污染，一直是企業的食品安全隱患，而且工人勞動強度高，大大影響了企業的生產效率。

筆者所在的公司針對這種情況，開發出了一套直角坐標機器人裝置，專門適應于瓶坯裝箱應用。通過依托于這種機器人的生產線組合，實現了裝箱過程中的無人化操作，提高了生產效率和生產線安全性，大幅度降低了工人的勞動強度，避免了瓶坯裝箱過程中的二次污染。

1 技術要求

該生產線的主要技術要求：

（1）完成瓶坯的輸送、排列、規則碼放以及周轉箱的輸送全過程。

（2）適用物料：5L 食用油塑料瓶坯，圓柱形瓶身，圓錐形瓶底。

（3）物料規格：塑料瓶坯直徑Φ45mm，長度164mm。

（4）裝箱方式（個數×列數×層數）：21×6×22。

（5）生產能力：72 只／24s（瓶坯注塑機模具為72 只，24s一個生產循環）。

（6）轉運箱外形尺寸（L×B×H 內空）：1 020 mm×1 020mm×900mm。

2 設備工作原理

生產線主要由以下幾個部分構成：雙列瓶坯整列機、雙列瓶坯排列機、瓶坯裝箱機以及托盤輸送機。設備結構示意圖見圖1。

圖1 設備結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of equipment

瓶坯從注塑機出來經過提升輸送機進入瓶坯整理機，雜亂無章的瓶坯排列成一條線進入瓶坯排列機，讓瓶坯安照規定的要求排列，然后進入瓶坯裝箱機，裝箱機抓手將在抓取排列工位上排列好的瓶坯吸取后按照規定的裝箱方式放置在經過托盤輸送機輸送過來的周轉箱中。瓶坯的抓取和放置由直角坐標機器人來完成。裝箱生產線主要工藝流程見圖2。

圖2 裝箱生產線主要工藝流程圖Figure 2 Packing production line process flow diagram

3 解決方案及解決思路

3.1 裝箱生產線方案

直角坐標機器人抓手動作如圖3所示。整個抓手動作分3個區域：E區（抓取動作區域）、F 區（過渡區域）以及G區（放置區域）［1］，抓手在3個區域內做往復運動來完成抓取和放置的動作，用直角坐標機器人完成瓶坯裝箱的具體動作可以分解為以下幾個動作：抓手在A 點等待抓取，當瓶坯排列好到抓取位置后，抓手運動到C點將瓶坯拾取然后回到A點，完成抓取動作［2］，當周轉箱到達規定放置位置后，抓手首先到達B點然后運行到D 點放置瓶坯，放置完成以后原路返回A 點等待抓取完成一個裝箱動作。

圖3 機器人抓手動作位置圖Figure 3 Location map of robot gripper action

3.2 控制系統解決方案

從上面的動作要求來看，整個直角坐標機器人的抓手部分需要通過兩個軸來完成，分別是X 軸，Y 軸，為了保證整個裝箱工序的連續性，這里在抓取點增加一個Z軸，Z軸主要是用來銜接前端瓶坯的排列和后端的機器人抓取裝箱，將排列好的瓶坯轉移到抓取點等待抓取［3］。在這里3個軸使用的是施耐德公司的LXM32A 交流伺服電機，使用的是絕對值編碼器［4］。控制核心使用的是施耐德的M238 可編程控制器［5］，控制系統通訊網路由兩部分組成：①CANOPEN 網路，它控制3臺伺服電機來完成瓶坯的輸送、抓取以及放置；②支持Modbus的串口通訊，用于人機交互。控制系統結構圖見圖4。

圖4 控制系統結構圖Figure 4 Control system structure

4 具體程序方案

4.1 CANOPEN 通信

在控制系統中，沒有使用傳統的IO 信號來控制伺服電機而是使用CANOPEN 總線來控制伺服電機［6］，這樣就可以使用施耐德的軟件平臺SoMachine所提供的功能塊來直接控制伺服電機動作，控制既快捷又穩定［7］。組建CANOPEN 通信主要分兩個步驟：①連接通信線，設定伺服驅動器站號；②在SoMachine平臺里面組態伺服控制系統。通信連接以后對伺服系統使能，這個時候伺服電機就通過通信總線處于受控狀態［8］。使能功能塊如圖5所示。

圖5 伺服使能功能塊Figure 5 Servo enable function blocks

其中Axis對應的伺服軸的組態編號，Enable為功能塊的觸發信號，在SoMachine平臺里面所有功能塊這兩個引腳的作用是相同的。

4.2 對伺服進行標定

由于系統所使用的伺服電機是帶絕對值編碼器的，那么在第1次上電的時候必須給3臺伺服電機做標定，記錄電機編碼器的位置，以此作為一個參考點，來定義伺服具體處于哪個位置，標定功能塊如圖6所示。

4.3 讀取伺服當前位置

完成通信和標定以后就可以讀出伺服當前位置，點動伺服電機到程序動作所要求的坐標點，然后記錄當前坐標點的坐標參數，標定當前生產位置參數，讀取參數功能塊如圖7所示。

圖6 伺服標定功能塊Figure 6 Servo calibration function blocks

圖7 伺服讀取參數功能塊Figure 7 Servo read of the parameters of function blocks

4.4 控制伺服電機運行到當前位置

通過如圖8所示功能塊可以控制系統運行到指定位置。其中Axis為定義當前伺服軸，Execute為整個模塊的觸發信號，這里對上升沿有效，Position為要求伺服需要到達的位置，Velocity為伺服運行的速度，從3.1節中可以看出抓取和放置的動作分解開來實際上就是控制伺服電機運行到不同的位置，假設這個時候要求抓手從等待抓取位運行到抓取位置，只需要按以下幾個步驟來做就可以實現這個動作。首先需要對伺服運行功能塊定義伺服軸，就是對Axis定義，然后對功能塊的目標位置（position）和運行速度（velocity）進行設置，最后給觸發信號（execute）一個上升沿的觸發，整個模塊啟動，伺服電機運行到指定位置后會自動停下來，然后功能塊中Done會輸出一個信號表示已經執行完控制命令。編寫邏輯控制程序來控制3個伺服電機在不同的情況下運行到不同的位置，從而達到瓶坯的輸送排列以及裝箱的要求。

5 系統的應用狀況和前景

圖8 伺服運動功能塊Figure 8 Servo Motion function blocks

該生產線已經得到食用油瓶坯生產企業的生產驗證，現已正式投入使用。從現場的使用情況來看，實際生產速度大于72只／24s，整個瓶坯的裝箱過程中，只需要1名工人來操作設備，大幅提高了該工序的生產效率，整個系統瓶坯的輸送以及抓取碼放誤差不超過1mm，系統故障率低于0.5%，瓶坯的輸送以及抓取裝箱全部都是通過機械動作完成，沒有任何的人工干預，消除了瓶坯的二次污染隱患。通過幾個月的生產考驗，證明該控制系統穩定可靠，能滿足塑料瓶坯企業實際生產需求。

直角坐標機器人是一種包裝行業最新技術成果，該結構具有速度快，維護簡單等優勢。該裝置除了瓶坯裝箱也可應用于其它形狀規則包裝物的裝箱生產線，通過適當的技術改造也能應用在速度較高的抓取式裝箱、排列的各種場合。

1 李剛，周文寶.直角坐標機器人簡述及其應用介紹［J］.伺服控制，2008（9）：72～75.

2 張有良，徐強，常曉煜，等.碼垛機械手運動軌跡的研究［J］.包裝與食品機械，2011（3）：20～23.

3 張志遠，李琪，畢海深.基于直角坐標機器人的軟袋再包裝自動上料系統［J］.制造業自動化，2012（6）：11～14.

4 徐杰，劉鴻飛，郗安民，等.異步伺服驅動的直角坐標機械手控制系統統計與實現［J］.機器人技術與應用，2003（6）：38～41.

5 易銘.狀態編程方法在PLC 控制的機械手設計中的應用［J］.機電工程技術，2009（3）：101～102，120.

6 韓成浩，高曉紅.CAN 總線技術及其應用［J］.制造業自動化，2010（2）：146～149.

7 張廣偉.伺服系統在精密藥液灌裝生產線上的應用［J］.軟件，2009（10）：48～50.

8 劉志勇，吳吉昌.基于施耐德機電平臺的無紡布高頻起絨機［J］.可編程控制器與工廠自動化，2012（6）：55～56，87.