面向碼垛機器人的倒包匯集輸送系統的設計與改進

覃尚活，林義忠，楊中華，邱永兵，黃金穩

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2.廣西農業機械研究院，廣西南寧530007）

新產品開發

面向碼垛機器人的倒包匯集輸送系統的設計與改進

覃尚活1，林義忠1，楊中華2，邱永兵2，黃金穩2

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2.廣西農業機械研究院，廣西南寧530007）

根據碼垛機器人的工作需要，采用西門子S7-200系列PLC作為核心控制器，利用梯形圖語言和基本指令，實現對9個傳送帶和兩個倒包器的自動控制功能，并在此基礎上進行改進，增加了變頻器、觸摸屏操作界面，使得系統更加穩定可靠。經過試驗，所開發的倒包匯集輸送系統基本可行。

傳送帶；PLC；倒包器；碼垛機器人

傳送帶是現代化工廠中常見的設備之一，被廣泛應用于各行各業。當前，隨著國內人工成本的快速上升，各行各業都加快了生產設備的升級換代，逐步采用自動化生產設備取代原有的老舊設備，機器人的廣泛應用有效的提高了企業的自動化水平，然而，和機器人配套的自動化設備卻相當缺乏，因此設計研發面向機器人的自動化設備成為了當前的一個熱門研究方向，本文根據糖廠自動化生產的需求，設計出了面向碼垛機器人的倒包匯集輸送系統，能根據碼垛機器人的工作需要將包裝好的糖袋傳送到機器人指定的工作區，實現了傳送帶和機器人的友好配合，達到了預期的效果。

1　輸送系統原理及控制要求

1.1輸送系統工作原理

本系統由兩條匯集傳送線路和一條主傳送線路組成（控制系統工作原理簡圖如圖1），包含兩個倒包器（倒包器如圖2）、9個傳送帶。工人將糖裝入袋子并且密封好之后，糖袋為立式狀態，按下啟動按鈕，并根據工作需要選擇相應的匯集傳送線路，糖袋經過匯集線路1號和2號（或者3號和4號）傳送帶傳送到倒包器，倒包器中間裝有感應器，感應器感應到糖袋，執行倒包動作，將糖袋推倒進入5號或者6號傳送帶，到達7號（斜坡）傳送帶，經過斜坡傳送帶后，糖袋從倉庫的較高位置入較低的位置，再由8號和9號傳送帶的協調配合，即可將糖袋送達碼垛機器人的工作區（滾筒輸送機）。

圖1　輸送系統工作原理圖

圖2　倒包器

1.2控制要求

面向機器人的倒包匯集輸送系統作為碼垛機器人的輔助設備，對提高機器人的工作效率有著不可或缺的作用，該設備主要完成倒包任務和輸送任務，兩個任務互相配合，按照機器人的工作需求將位姿正確的糖袋定時傳送到機器人的工作區。該系統有兩個倒包器，9個傳送帶，要求每個傳送帶都有啟動和停止功能，倒包器中間裝有傳感器，處于立式狀態的糖袋傳送過來，觸發感應執行倒包動作，碼垛機器人完成一次作業的時間是5 s，所以傳送帶要以5 s為時間間隔向機器人傳送糖袋。傳送過程中不能出現疊包現象。

2　系統分析

因為要定時向機器人傳送糖袋，所以電機的選擇顯得尤為重要，從成本和效率來綜合考慮，本系統選擇三相電機作為系統的動力源［1］。傳送帶只需要單方向運動，所以本系統選擇單向直接啟動控制方式，單相直接啟動電路分為主電路和控制電路，主電路由開關、熔斷器、交流接觸器和電機組成，控制電路采用停止優先的控制方式，控制電路的電壓采用24 V直流，通過降壓器將交流電轉換為24 V直流電［2-3］。這種控制方式可以實現對電動機的啟動停止、遠距離控制及頻繁操作等。本控制系統共有9個電機，兩個倒包器，每個倒包器分別有4個傳感器：來包檢測、落包檢測、推包伸出到位、推包回縮到位，再加上出于安全考慮的一些開關，系統所需輸入輸出口數量相當可觀，綜合考慮之下，本文選擇PLC作為控制中心單元，PLC控制與傳統的繼電器控制相比具有響應速度快，可靠性高，功能完善，靈活性好等優點。PLC以毫秒級的掃描時間減少了系統誤差，提高了控制精度。考慮到系統冗余量、性價比以及穩定性，本文選用德國西門子公司生產的S7-200系列PLC，該款PLC具有價格低，可靠性強，擴展性好等優點。為了減少按鈕，本文將傳送帶的各個啟動開關都選用自鎖按鈕，這樣即節省了輸入口又方便工人操作。1、2、3、4號傳送帶傳送過來的糖包只有在立式狀態下才可被倒包器檢測到，但是糖包在傳送期間由于震動等原因常常會呈現斜立狀態，這時候就得停下傳送帶，進行人工調整。為了提高工作效率，這四個電機的啟動電路上分別串聯兩個自鎖按鈕，實現了多工位操作的目的和較高的安全性。控制系統框圖如圖3所示。

圖3　控制系統框圖

表1　主要I/0口分配

3.2程序編寫

為了方便編程、更新程序，本系統在編程時采用以功能為導向的編程方法，啟動和停止用“起保停”的方式編寫，將啟動后的信號和各個電機的啟動信號串在一起，這樣就實現了各個電機的啟動和停止。在這個基礎之上添加故障報警、故障處理等。為了防止傳感器因外部干擾而造成控制器誤判的情況，可以增加接通延時定時器指令，這樣可以提高控制系統的準確性。系統程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統程序流程圖

3　系統軟件編程

3.1I/O口分配

根據控制要求，采用梯形圖和基本指令能夠完成本系統的控制任務。梯形圖語言沿襲了傳統的繼電器控制電路的形式，具有簡單、直觀、易懂、實用等特點，使得它成為眾多工程師首選的設計方法。主要I/0口分配如表1所列。

4　改進方案

4.1系統缺陷

三相異步電動機的轉速計算公式近似為n=60 f/p，其中，n為電機轉速，f為工頻，p為電動機的磁極對數級數，所以當三相電動機選定后，傳送帶的速度就確定了，這樣就降低了系統的靈活性，造成資源的浪費［4］。由于電機速度不可調，而機器人的工作周期為5 s，為保證機器人的最大工作效率，在選擇電機的時候得考慮的問題就相當多，比如要考慮傳送距離、傳送間隔、工人的工作效率等。

系統缺少總控制平臺，無法實現總體監控和總體控制。如果控制按鈕出現故障，將導致傳送帶無法控制；傳送系統比較龐大，單靠人工看管監控不利于安全生產。

4.2改進措施

增加觸摸屏設備，觸摸屏可以代替按鈕和指示燈，實現智能化顯示，觸摸屏上的圖符可以代替機械按鈕，還可以顯示數據、設置參數，實現對系統的總體控制。改進方案采用臺灣生產的威倫通i系列觸摸屏和界面編寫軟件EB8000，主要內容包括系統的啟動、停止、監控等圖符，界面簡潔美觀，可操作性強，達到了控制要求。

為了提高系統的柔性，就得調節三相電機的轉速，三相電機有兩種調速方式，一是改變電機的磁極對數，二是改變交流電的頻率。綜合考慮之下采用改變交流電頻率的方式來調節電機的轉速。無論是家庭還是工廠中交流電的電壓和頻率都是固定不變的，因此就得增加可以改變交流電頻率的變頻器，變頻器一般先將三相交流電變換為直流電，然后再將直流電轉換為三相交流電，經過這樣的轉換，就可以輸出相應的頻率和電壓可調的交流電。用變頻器驅動三相電機可以平滑的改變電機的轉速，大大降低啟動電流，能平穩的啟動和停止，對設備的沖擊力小，可以有效延長電機的壽命。為系統每個三相電機配一個變頻器，通過PLC的模擬量輸出模塊控制電機的轉速［5］?？刂剖疽鈭D如圖5所示。

圖5　變頻器控制系統示意圖

5　結束語

本文以PLC作為倒包匯集輸送系統的核心控制器，將倒包器、傳送帶、碼垛機器人友好的融合在一起，改進后的輸送系統提高了工作效率，降低了能源消耗，工作性能穩定，達到了預期效果。

［1］李英輝，曲昀卿，崔成，等.傳送帶PLC控制系統設計［J］.制造業自化，2013，（07）：128-129，143.

［2］王艷美.變頻器和PLC在傳送帶多種速度控制中的應用［D］.蘇州：蘇州大學，2010.

［3］展學勝.PLC傳送帶電控系統的設計與實現［J］.黑龍江紡織，2005，（02）：36-38.

［4］許伍，郎朗.基于PLC和WinCC的機械手與傳送帶控制系統設計［J］.安徽工程大學學報，2014，（01）：62-65.

［5］陸偉.基于PLC的多級傳送帶控制系統［J］.數字技術與應用，2015，（05）：2-4.

Design and Im provement for the Topp le and Collect Bags System of Robot Palletizer

QIN Shang-huo1，LIN Yi-zhong1，YANG Zhong-hua2，QIU Yong-bing2，HUANG Jing-wen2（1.Mechanical Engineering College of Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Guangxi Agricultural Machinery Research Institute，Nanning 530007，China）

According to the necessary of robot palletizer，this paper use siemens series S7 200 PLC as the core controller，LAD and elementary instruction are used to achieve automatic control for the 9 conveyors and 2 topple bagmachines.On this base，touch screen and transducer is included to make the system more reliable.Through the test and operation，the control system proved to be basic feasible.

conveyor；PLC；topple bagmachines；robot palletizer

TP393

A

1672-545X（2016）05-0231-03

2016-02-20

項目名稱：廣西科學研究與技術開發計劃（編號：桂科重1598003-4）

覃尚活（1989－），男，廣西貴港人，碩士研究生，研究機電液一體化方向。