一種機器人集裝箱裝車自動控制系統

俞迪龍

（上海ABB工程有限公司 機器人部，上海 201319）

0 引言

集裝箱裝車是企業物流系統中的重要環節，這一環節在企業中由于車型多、貨品形狀多、裝車要求多變等因素目前多由人工完成[1]。完成這一環節的自動化工作，可以極大的提高企業物流系統的效率與穩定性。

集裝箱是一種按規格標準化的鋼制箱子。集裝箱可以通過一整套集裝箱運輸體系進行高效的運輸。集裝箱裝箱是指將原材料或貨品裝入箱內并排列整齊, 是目前集裝箱運輸流程中標準化程度最低的環節。

采用人工作業進行集裝箱裝箱時，面臨高溫天氣工作、粉塵環境帶來的職業病，勞動強度大、耗時時間長、裝箱效率低、可能損壞貨品，并且在狹小空間內進行搬運與堆垛作業的工人面臨較高的安全風險[2]。這些因素都會影響企業物流系統的工作效率。

目前國內外對箱裝物品裝車設備研究較少[2]，本自動控制系統針對集裝箱裝車這一問題, 提出了一種基于機器人系統的自動化解決方案。這一解決方案中給出了機器人與AGV小車的結合方式，AGV小車與集裝箱的位置識別與控制, 待裝箱貨品的輸送方式以及整個系統的布局結構與工作流程。

系統采用ABB工業機器人作為碼垛機械手臂，自行研究開發的適用于高負載、高穩定性的AGV小車。

1 系統構成

1.1 系統控制框圖

圖1 系統控制框圖

本系統控制框圖如圖1所示。機器人系統由機器人控制柜和機器人本體組成；小車控制系統由小車控制單元、伺服驅動（伺服控制器及電機）和履帶組成。機器人控制柜和小車控制系統通過Profibus總線連接以便由機器人控制系統發送命令控制小車運動，以及將定位信息交互給小車控制系統以便小車調平。機器人控制系統與定位檢測智能傳感器通過Ethernet IP總線連接以便讀取定位信息，以及發送由小車控制系統傳遞過來的開始、結束等測量命令給定位檢測智能傳感器。

ABB AC500 PLC 提供了廣泛的功能和可升級性，適合所有以太網版本的集成Web 服務器和IEC 60 870-5-104 遠程控制協議。由“統一平臺”解決方案支持的標準工業通信現場總線、網絡和協議，使AC500成為能在苛刻環境中高效工作的自動化解決方案。具有靈活可擴展的高性能CPU系列，1至4個不等的空槽可供插接多達8種不同的通訊模塊，包括Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Ethernet、Profinet、ETHERCAT；也可插接雙串口模塊CM574及高速計數模塊DC541；本地I/O擴展，最多可以連接10個I/O模塊底板； 集成一個可用于從站通訊的FBP接口；集成Ethernet接口；集成兩個串口。可以穩定運行10ms掃描周期的中斷程序，達到高精度的運動控制。

1.2 系統工藝結構

本系統工藝結構如圖2所示。其中1為AGV小車，2為待裝箱貨品的輸送帶，3為機器人(倒掛安裝)，4為待裝箱的貨品，5為機器人夾具。

輸送帶可以前后收縮張開，根據需要至伸出狀態，在這種狀態下，可以減少機器人的移動距離與旋轉角度。提高機器人的節拍, 進而提高整個系統裝箱效率。

AGV小車采用履帶來進行移動，以適應小車可能需要爬坡進入集裝箱的需要。

機器人6軸上的夾具可以使用吸盤，夾爪，定制化夾具等不同的夾具，以適應紙箱、袋子、桶等不同的貨品裝箱需求。

AGV小車與集裝箱的定位檢測系統安裝在AGV小車上。系統工作時先由定位檢測系統得到兩者的相對位置，并將結果發送給小車控制系統，由檢測結果決定小車的運動（前進、后退、左轉、右轉），使小車與集裝箱邊沿保持平行以便小車進入集裝箱，并告知機器人控制系統小車與集裝箱兩邊的間距，結合來料尺寸使垛型自動適配軟件調整計算確定垛型。根據這一垛型，機器人將自動安排裝箱位置與動作。

系統開始工作時，如果集裝箱在運輸工具上時，小車可以通過叉車、吊車、專用登車橋、登車升降臺等方式進入集裝箱內部；當集裝箱位于地面上時， AGV小車可以直接進入。AGV小車進入集裝箱內部后，由位于集裝箱外部的動態輸送帶將待裝車的貨品輸送至AGV小車上的輸送帶上。

當系統檢測到輸送帶上的貨品后，由3D視覺成像系統或其他傳感器對輸送帶上的貨品朝向、位置等參數進行檢測，根據前述計算確定的垛型，機器人通過夾具抓取位于傳送帶上貨品，按規劃好的碼垛方案進行集裝箱裝箱。

在系統裝箱的過程中，根據垛型方案及AGV小車與集裝箱定位檢測系統得到的檢測結果, AGV小車會前后調整在集裝箱內的位置，AGV小車上的輸送帶也會調整伸縮量來優化機器人的活動范圍，進而提高整個系統的裝箱效率。

當整個裝箱過程完成后, 系統會按照客戶定制的方式通知客戶裝箱作業完成。并選擇合適的方式退出集裝箱。

圖2 解決方案整體布局圖

2 ABB工業機器人

本應用要求機器人工作范圍較大，且抓取物體重量較重。結合機器人工作能力和系統成本考慮，采用單臺IRB4600。綜合考慮布局、成本等因素，本方案選用1臺IRB4600-60/2.05型機器人。IRB4600機器人是ABB 6軸碼垛機器人。本體重量440Kg，最低環境溫度為5攝氏度，最高環境溫度為45攝氏度，最大相對濕度95%；最低運輸及儲存溫度為-25攝氏度，最高運輸及儲存溫度為55攝氏度；如圖3曲線所示具有60kg的負載和2.05m的工作范圍。重復精度0.05mm[3]。機器人本體具備IP67的防護等級，可以在半戶外的環境中使用。

IRB4600的精度為同類產品之最，其操作速度更快，廢品率更低，在擴大產能、提升效率方面，將起到舉足輕重的作用，尤其適合切削、點膠、機加工、測量、裝配及焊接應用。此外，該機器人采用“所編即所得”的編程機制，盡可能縮短了編程時間和周期時間。在任何應用場合下，當新程序或新產品上線時，上述編程性能均有助于最大限度加快調試過程、縮短停線時間。

IRB4600采用創新的優化設計，機身緊湊輕巧，加速度達到同類最高，結合其超快的運行速度，所獲周期時間與行業標準相比最短可縮減25%。操作中，機器人在避繞障礙物和跟蹤路徑時，可始終保持最高加速度，從而提高產能與效率IRB4600超大的工作范圍，能實現到達距離、周期時間、輔助設備等諸方面的綜合優化。該機器人可靈活采用落地、斜置、半支架、倒置等安裝方式，為模擬最佳工藝布局提供了極大便利。

圖3. IRB4600 負載、工作域曲線圖

IRB4600占地面積小、軸1轉座半徑短、軸3后方肘部纖細、上下臂小巧、手腕緊湊，這些特點使其成為同類產品中最“苗條”的一款機器人。在規劃生產單元的布局時，IRB4600可以與機械設備靠得更近，從而縮小整個工作站的占地面積，提高單位面積產量，推升工作效率。

4 結論

本系統設計完成后采用ABB機器人的RobotStudio仿真軟件對整套系統進行運動仿真。在軟件內完全按照實際的工作站位置和抓取物品過程計算機器人運動路徑和裝車過程，并進行了初步的實際測試。機器人每層一次抓取3箱一次，一次抓取四箱產品四次，設定TCP線速度3000mm/s，加速度80%。抓放一次周期為12s。再加上小車移動時間和碼放位置空間的變化，周期約為13s。一層5次抓放，19箱，每箱為13*5/19=3.4s。4000箱為4000*3.4/60/60=3.8h。仿真中抓放各有1s的延時。等待傳送帶送箱子1s。機器人手臂需要在狹小空間往回縮，需要2s。這樣抓放一次周期為13-0.5-1-1-2=8.5s，每箱2.23s，4000箱2.48h。與工廠中兩個工人實際碼放4000箱2.5小時節拍接近。

圖4 集裝箱裝車自動控制系統測試圖

由此可獲結論，本系統設計完成，可用于產品的集裝箱自動化裝車工作，可取代大量人力，為企業的物流運輸降低成本，提高裝貨速度，提高企業的經濟效益，具有廣闊的市場應用前景。

[1] 王艷紅.電能表周轉箱自動裝車系統的設計與實現[D].山東大學,2013.5:1.

[2] 徐東.自動裝車系統的若干關鍵技術研究[D].山東大學, 2015.5:1.

[3] Product Specification IRB 4600[M].ABB機器人部,2014.4:28-39.