多垛位多品種碼垛機(jī)碼垛路徑算法

蔣孫權(quán)，孟愛(ài)華，劉 帆，張 梅

（杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018）

多垛位多品種碼垛機(jī)碼垛路徑算法

蔣孫權(quán)，孟愛(ài)華，劉 帆，張 梅

（杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018）

為了實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的多垛位多品種運(yùn)行，提出一種安全、高效的路徑算法。控制系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)、伺服電機(jī)技術(shù)、多種傳感器元件和觸摸式人機(jī)界面等先進(jìn)控制技術(shù)與控制元件。路徑算法以全局坐標(biāo)與局部坐標(biāo)的空間變化作為碼垛距離計(jì)算的理論依據(jù)，用實(shí)例分析了一個(gè)多垛位多品種碼垛路徑算法，在某食品企業(yè)中使用大大提高了堆垛效率。

碼垛機(jī)；多垛位多品種；路徑算法；PLC

0　引言

現(xiàn)今，半自動(dòng)、全自動(dòng)碼垛機(jī)，通過(guò)不斷改進(jìn)，已廣泛用于石油化工粉粒產(chǎn)品、化肥、糧食、食品、飲料、藥品、水泥等袋裝和箱裝物料的碼垛作業(yè)［1，2］。

而現(xiàn)今企業(yè)的抓手碼垛機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)一機(jī)多產(chǎn)品、一機(jī)多盤(pán)、一機(jī)多線等情況。抓手碼垛機(jī)本身無(wú)法對(duì)對(duì)象進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。一旦產(chǎn)品（或包裝件）類(lèi)型、參數(shù)發(fā)生頻繁變化，必然導(dǎo)致抓手碼垛機(jī)無(wú)法快速識(shí)別，空等時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法適應(yīng)對(duì)象和環(huán)境的快速變化［3］。

近年來(lái)，由于可編程控制器（PLC）具有功能強(qiáng)、可靠性高、適應(yīng)性好、編程簡(jiǎn)單、控制靈活方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。以PLC和交流伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)組成的碼垛機(jī)［4］，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、方便，自動(dòng)化程度較高，可極大提高生產(chǎn)效率。

而今大部分文章是講述碼垛機(jī)的整體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，很少涉及碼垛機(jī)在碼垛過(guò)程的控制邏輯，所以有必要研究碼垛機(jī)的邏輯控制算法。因此本文基于應(yīng)用了PLC+HMI+伺服驅(qū)動(dòng)的抓手碼垛機(jī)，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)多垛位選擇和多品種變換碼垛機(jī)的路徑算法。本算法可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)品種和多個(gè)品種在各個(gè)垛位上的選擇碼放，具有極強(qiáng)的通用性。

1　系統(tǒng)概述

以某公司的食品貨物碼垛機(jī)為例，其控制系統(tǒng)包括：PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、抓手氣缸、位置傳感器、若干指示燈和開(kāi)關(guān)按鈕等組成。

抓手碼垛機(jī)工藝過(guò)程：包裝、稱重、貼標(biāo)好的合格貨物就位于待夾持位置后，夾具整體下降，執(zhí)行夾緊動(dòng)作，然后上升、水平移動(dòng)至碼垛位置，下降、松開(kāi)夾具將貨物放置于碼垛位，然后再上升、水平移動(dòng)至加持位置上端等待，完成一個(gè)碼垛周期。通常在水平移動(dòng)時(shí)還伴隨一個(gè)夾具的旋轉(zhuǎn)過(guò)程，以使貨物交叉碼放。

碼垛機(jī)工作原理如圖1所示，其中沿軌道方向?yàn)閄軸方向，抓手運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閅軸方向，沿立柱方向?yàn)閆軸方向。3臺(tái)伺服電機(jī)分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制三個(gè)方向的動(dòng)作。三相交流電機(jī)控制抓手的旋轉(zhuǎn)，氣缸控制抓手的夾取動(dòng)作。貨物被夾取后，通過(guò)三個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)三相交流電機(jī)控制貨物堆放的具體位置。

圖1　碼垛機(jī)的工作原理

2　工作要求和控制算法

2.1定位計(jì)算原理

在定位功能中，作為定位控制時(shí)設(shè)定目標(biāo)位置的方法有兩種：增量方式（相對(duì)地址）和絕對(duì)方式（絕對(duì)地址）。增量方式的位置原點(diǎn)隨著移動(dòng)過(guò)程一直在改變，以當(dāng)前停止的位置作為位置原點(diǎn)，通過(guò)指定移動(dòng)方向和移動(dòng)量（相對(duì)地址）進(jìn)行下一步的移動(dòng)。而絕對(duì)方式通過(guò)指定一個(gè)原點(diǎn)，原點(diǎn)位置不隨著移動(dòng)過(guò)程而改變，以原點(diǎn)位置為基準(zhǔn)指定位置（絕對(duì)位置）進(jìn)行定位，與起點(diǎn)位置沒(méi)有關(guān)系。本控制方式的定位方式采用增量方式（相對(duì)地址），以貨物抓取點(diǎn)為全局的坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立全局坐標(biāo)系XOY，垛位中心作為局部坐標(biāo)的原點(diǎn)O'，建立局部坐標(biāo)系X' O' Y'。 以貨位相對(duì)于垛位中心的正負(fù)移動(dòng)量稱為局部變量；貨物抓取點(diǎn)與垛位中心的正負(fù)移動(dòng)量稱為中心偏移量；從貨物抓取點(diǎn)到指定貨位的移動(dòng)距離稱為全局變量，即碼垛機(jī)抓手需移動(dòng)的距離。因此，碼垛過(guò)程在X、Y方向上的正負(fù)移動(dòng)量的通用表達(dá)式為：中心偏移量+局部變量。例如點(diǎn)A在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為（x' ， y'），則在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為（x+x' ， y+y' ），如圖2所示。

圖2　坐標(biāo)變換示意圖

2.2碼垛邏輯

本實(shí)例選擇九腳平板1210A塑料托盤(pán)［5］，尺寸為1200×1000×140mm，而一般的食品包裝箱的長(zhǎng)寬尺寸大約為600×400mm，根據(jù)合理的安排和布局，選擇每層5個(gè)的碼放方式：3個(gè)縱向放置，2個(gè)橫向放置。所以不同貨位相對(duì)于垛位中心的距離與貨物的長(zhǎng)寬尺寸相關(guān)。因此需要將各個(gè)品種的貨物的尺寸、垛盤(pán)與待抓取點(diǎn)的距離、待抓取點(diǎn)與傳送帶在Z軸方向上的距離等參數(shù)輸入觸摸屏，如圖3所示。同時(shí)層與層的堆放形式上，相鄰層整層錯(cuò)位180°的形式堆放，確保貨物的堆放穩(wěn)定性和安全性。

垛位與路徑選擇方法，運(yùn)用實(shí)例講述其邏輯順序：當(dāng)有品種1和2時(shí)，且選定品種1堆放垛位1和垛位4，品種2堆放垛位2和3（一個(gè)垛位只可讓一個(gè)品種選定）。在輸入圖4中所要求的參數(shù)后，運(yùn)行開(kāi)始程序。當(dāng)檢測(cè)到貨物為品種1時(shí)，控制程序會(huì)輸出指令將貨物堆放至垛位1。直至垛位1上堆放的貨物滿額后，會(huì)就近選擇（離抓取點(diǎn)最近）垛位--垛位4。而垛位1上會(huì)有相應(yīng)的指示，通知智能叉車(chē)取走垛位1的貨物，取走后放入相應(yīng)的垛盤(pán)，此時(shí)表示垛位1可再次堆放貨物。接著，在垛位4被堆滿后，再次就近選擇垛位，若垛位1已準(zhǔn)備就緒，即選擇垛位1堆放。若無(wú)可堆放垛位，即進(jìn)入等待階段。同時(shí)在品種1運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，若切換貨物品種2，則控制程序會(huì)輸出指令堆放貨物至垛位2，循環(huán)順序各個(gè)品種相同。當(dāng)然，由于貨物產(chǎn)量的變化，在切換品種的設(shè)定垛位時(shí)，必須清除有垛位設(shè)定變化的垛位上的貨物，否則控制程序?qū)⒉粫?huì)輸出指令往此類(lèi)垛位上堆放，避免不同貨物在同一垛位上堆放。

圖3　觸摸屏--參數(shù)輸入界面

2.3路徑算法

PLC會(huì)根據(jù)當(dāng)前堆放地點(diǎn)已有的貨物數(shù)，進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算。計(jì)算出在當(dāng)前垛位上，已堆放的層數(shù)以及下一件貨物將要堆放的具體位置。

若已堆放的貨物數(shù)為N；按照設(shè)置的堆放形式，每層放置的貨物數(shù)量為5；則N被5除的帶余除法表達(dá)式為N=A×5+B，其中A為商數(shù)，表示當(dāng)前貨物應(yīng)該放置的層數(shù)；B為余數(shù)，表示當(dāng)前層數(shù)對(duì)應(yīng)的位置數(shù)。

在距離設(shè)置運(yùn)算方面，采用加減補(bǔ)償運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，第1、2、3、4、5號(hào)貨位相當(dāng)于A為偶數(shù)，余數(shù)B分別為1、2、3、4、0。第6、7、8、9、10號(hào)貨位相當(dāng)于A為奇數(shù)，余數(shù)B分別為1、2、3、4、0。將貨物待抓取點(diǎn)作為全局坐標(biāo)原點(diǎn)，垛位中心作為局部坐標(biāo)原點(diǎn)，則各個(gè)擺放位置的距離運(yùn)算如下：

1號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi-b，Y軸運(yùn)行距離為Yi+（a+b）/2；

2號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi，Y軸運(yùn)行距離為Yi+（a+b）/2；

3號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi+b，Y軸運(yùn)行距離為Yi+（a+b）/2；

4號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi-a/2，Y軸運(yùn)行距離為Yi+a；

5號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi+a/2，Y軸運(yùn)行距離為Yi+a；

6號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi-a/2，Y軸運(yùn)行距離為Yi；

7號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi+a/2，Y軸運(yùn)行距離為Yi；

8號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi-b，Y軸運(yùn)行距離為Yi+（a+b）/2；

9號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi，Y軸運(yùn)行距離為Yi+（a+b）/2；

10號(hào)貨位：

X軸運(yùn)行距離為Xi+b，Y軸運(yùn)行距離為Yi+（a+b）/2。

式中：a：貨物的長(zhǎng)；b：貨物的寬；y：貨物在起始點(diǎn)與堆放點(diǎn)在Y軸方向上的距離；xi：貨物在起始點(diǎn)與各個(gè)堆放點(diǎn)在X軸方向上的距離。

Z軸的運(yùn)行距離根據(jù)公式H=L-A×hi進(jìn)行計(jì)算，其中hi為貨物的高度，即堆放一層的高度；L為碼垛機(jī)的總高度；H為碼垛機(jī)沿Z軸方向需要運(yùn)行的距離。

3　企業(yè)應(yīng)用情況

在企業(yè)的協(xié)助下，搭建實(shí)際的抓手碼垛機(jī)和相應(yīng)的碼垛工控柜后，并輸入本文所研究的控制程序。通過(guò)搬運(yùn)一定數(shù)量貨物，檢測(cè)此套控制程序的實(shí)際運(yùn)用情況。在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于品種之間的切換和垛位之間的選擇都完整的按照邏輯順序所運(yùn)行。圖4為貨物碼放的效果圖。在整個(gè)碼放過(guò)程中，自動(dòng)化碼垛比人工碼垛的時(shí)間減少了大概50%，提高了工作效率，且減少了人力成本，同時(shí)減小了生產(chǎn)事故的發(fā)生率。

圖4　垛位效果圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種碼垛機(jī)的多品種多垛位的控制系統(tǒng)，組合PLC+HMI+伺服的控制方法。并針對(duì)PLC程序編寫(xiě)了一套適用多品種、可完成多垛位選擇性碼垛的邏輯控制算法。此算法以貨物待抓取點(diǎn)為全局坐標(biāo)原點(diǎn)，以垛位中心為局部坐標(biāo)。在全局坐標(biāo)下，計(jì)算碼垛機(jī)全局坐標(biāo)原點(diǎn)與各個(gè)碼垛位置的增量坐標(biāo)。同時(shí)此碼垛算法可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多產(chǎn)品、一機(jī)多盤(pán)情況，克服了因產(chǎn)品尺寸參數(shù)和垛盤(pán)位置的改變而導(dǎo)致碼垛機(jī)器人的無(wú)法快速響應(yīng)，降低工作效率和造成成本浪費(fèi)等缺點(diǎn)。本控制系統(tǒng)為抓手碼垛機(jī)的應(yīng)用提供了一種通用的路徑邏輯運(yùn)算方法，增加了碼垛機(jī)的適用性和穩(wěn)定性。

［1］ 左青，王貴生.全自動(dòng)碼垛機(jī)的應(yīng)用［J］.中國(guó)油脂，2010，（02）：64-66.

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A Stacking path algorithm for stacker with different positions and different species

JIANG Sun-quan， MENG Ai-hua， LIU Fan， ZHANG Mei

U653.928.+5

B

1009-0134（2016）10-0130-03

2016-08-02

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）（2015R407058）；浙江省教育廳項(xiàng)目（Y201224182）

蔣孫權(quán)（1991 -），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事智能材料及器件性能分析與控制、機(jī)電一體化設(shè)備開(kāi)發(fā)等方面的研究。