多規(guī)格箱體碼垛工作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

焦 鵬，倪受東

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引 言

近年來，在各個(gè)領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人開始逐漸取代人力[1]。在碼垛方面，機(jī)器人碼垛能大幅提高工作效率，降低作業(yè)過程中的產(chǎn)品損壞率[2-3]。王波等[4]基于PLC技術(shù)，創(chuàng)建了碼垛機(jī)器人智能工作站系統(tǒng)，滿足了工作多樣性需求，提高了工作性價(jià)比及可靠性；高穎超[5]針對超大瓷磚的生產(chǎn)需求，基于KR100-2PA碼垛機(jī)器人，設(shè)計(jì)了適用于超大瓷磚的碼垛機(jī)器人工作站系統(tǒng)；劉玉梅[6]設(shè)計(jì)了一條視覺跟蹤抓取的碼垛機(jī)器人工作站；徐敏珍等[7]對機(jī)器人碼垛工作站的整列輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)；王功亮等[8]針對碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線仿真存在的問題，利用Robotstudio搭建了碼垛機(jī)器人的虛擬工作站，完成了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行程序離線編程，并同步到了實(shí)際的生產(chǎn)中。

在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，碼垛生產(chǎn)線多為單一的產(chǎn)品輸送線，機(jī)器人的目標(biāo)作業(yè)對象較少，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備利用率低、工廠成本回收周期長。隨著用工成本的提高，生產(chǎn)設(shè)備的利用率和自動(dòng)化程度成為企業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵。

本文基于歐姆龍NJ系列控制器設(shè)計(jì)一套多規(guī)格箱體碼垛工作站。

1 碼垛工作站方案

1.1 碼垛工作站組成、布局確定

根據(jù)生產(chǎn)要求，碼垛工作站主要包括5個(gè)工序：進(jìn)料輥道線、生產(chǎn)信息采集、分揀入庫、工業(yè)機(jī)器人碼垛和自動(dòng)排放棧板。

本文通過掃碼槍和控制器的配合使用，實(shí)現(xiàn)對箱體條形碼內(nèi)生產(chǎn)信息的采集。當(dāng)掃碼信息不符合要求，箱體自動(dòng)進(jìn)入人工復(fù)檢工位進(jìn)行人工復(fù)檢，復(fù)檢后進(jìn)行再次信息采集，直至滿足生產(chǎn)要求。考慮到箱體在進(jìn)行分揀時(shí)需要精準(zhǔn)定位，采用一臺進(jìn)庫小車、一臺出庫小車和6條暫存輥道線進(jìn)行配合使用。由于箱體的規(guī)格不同，在工業(yè)機(jī)器人碼垛前采用定位裝置，對箱體位置進(jìn)行調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)棧板的自動(dòng)擺放、定位和輸送，本研究采用棧板機(jī)和棧板輸送線配合使用。

碼垛工作站的整體布局如圖1所示。

圖1 碼垛工作站的整體布局

1.2 工作過程規(guī)劃

根據(jù)生產(chǎn)要求和工藝特點(diǎn)，結(jié)合工作站生產(chǎn)設(shè)備的布局，本文對工作站工作過程進(jìn)行規(guī)劃，其流程圖如圖2所示。

圖2 工作站工作流程圖

圖2中，入口處的進(jìn)料均為包裝完全的箱體，根據(jù)要求對每個(gè)箱體上的條形碼進(jìn)行生產(chǎn)信息采集，符合要求的進(jìn)行碼垛存儲；滿足生產(chǎn)要求的箱體經(jīng)過信息采集存儲，后經(jīng)由進(jìn)庫小車根據(jù)生產(chǎn)信息，輸送至對應(yīng)的暫存輥道線進(jìn)行暫存；當(dāng)單條暫存輥道線的箱體儲存數(shù)量達(dá)到8個(gè)，出庫小車開始將該條暫存輥道線內(nèi)的箱體輸送到排料輥道線，同時(shí)機(jī)器人根據(jù)箱體的生產(chǎn)信息進(jìn)行對應(yīng)碼垛程序的調(diào)用；當(dāng)定位裝置對箱體完成定位，機(jī)器人開始碼垛；碼垛完成時(shí)，棧板輥道線啟動(dòng)，同時(shí)棧板機(jī)在碼垛工位自動(dòng)排放新的棧板。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制單元組成

碼垛工作站主要是完成不同規(guī)格箱體的自動(dòng)分類，使箱體傳送過程流暢運(yùn)行。因此，控制系統(tǒng)包括進(jìn)料輥道線、生產(chǎn)信息采集、進(jìn)庫移動(dòng)小車、暫存輥道線、出庫移動(dòng)小車等9個(gè)控制單元。各個(gè)控制單元完成相應(yīng)的工序后，向控制器發(fā)出完成信號，控制器向下一個(gè)工序發(fā)出啟動(dòng)信號。本研究采用歐姆龍NJ101-9020型號控制器[9]。HMI采用歐姆龍NS10-TV01B觸摸屏。

2.2 通信系統(tǒng)的建立

歐姆龍NJ系列控制器內(nèi)置了兩種統(tǒng)一開放的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，可以建立機(jī)械設(shè)備與控制網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)之間的無縫連接[10]。

控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式。歐姆龍NJ系列控制器使用Sysmac studio自動(dòng)化軟件進(jìn)行編程和配置，Sysmac studio支持周邊設(shè)備、控制器和EtherCAT設(shè)備的整合開發(fā)環(huán)境[11]。

通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 生產(chǎn)信息采集

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)報(bào)由一臺主機(jī)傳送到另一臺主機(jī)的過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失、失序及重復(fù)。因此，控制器通過Socket TCP與掃碼槍進(jìn)行通訊，運(yùn)輸層TCP協(xié)議使用錯(cuò)誤重傳機(jī)制，實(shí)現(xiàn)兩臺主機(jī)應(yīng)用進(jìn)程間的可靠通信[12]。創(chuàng)建連接時(shí)，服務(wù)端應(yīng)用程序監(jiān)聽Socket，之后客戶端應(yīng)用程序創(chuàng)建連接Socket，向服務(wù)端發(fā)送請求，服務(wù)端等待并接收連接請求，當(dāng)服務(wù)端接收請求后創(chuàng)建連接Socket[13]。

控制器與上位SQLserver數(shù)據(jù)庫通過EtherNet/IP進(jìn)行通訊連接后，控制器對掃碼得到的包裝條碼進(jìn)行解析，通過搜索數(shù)據(jù)庫中的信息，獲取目的地、生產(chǎn)周、機(jī)種、批號等生產(chǎn)信息；箱體根據(jù)生產(chǎn)信息的具體類別進(jìn)行分揀入庫。

2.2.2 暫存輥道線

產(chǎn)品在進(jìn)行生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品生產(chǎn)信息連續(xù)相同的箱體會(huì)出現(xiàn)棧板碼垛不完全(數(shù)量少于8個(gè))的情況。根據(jù)規(guī)定的生產(chǎn)要求，棧板碼垛不完全的產(chǎn)品不能進(jìn)行倉庫存儲。針對這一問題，本研究采用6條暫存輥道線，每條暫存輥道線上能完成8臺產(chǎn)品的存儲，當(dāng)該條暫存輥道線上箱體的數(shù)量達(dá)到8臺，控制器控制出庫小車，將暫存輥道線上的箱體運(yùn)輸至排料輥道線，經(jīng)定位后進(jìn)行機(jī)器人碼垛。

3 工業(yè)機(jī)器人碼垛程序設(shè)計(jì)

碼垛產(chǎn)品的外殼材質(zhì)均為鑄鐵，在進(jìn)行包裝的時(shí)候會(huì)附帶許多的零配件，每個(gè)箱體的質(zhì)量從幾十斤到上百斤不等。結(jié)合生產(chǎn)要求，在碼垛作業(yè)過程中，機(jī)器人的運(yùn)行路徑要求為：(1)箱體碼垛過程中不能發(fā)生碰撞；(2)箱體需進(jìn)行位姿調(diào)整，滿足入庫存儲要求；(3)最大限度地保證箱體運(yùn)行安全。

3.1 路徑規(guī)劃

3.1.1 垛型分析

本研究以托盤的中心為原點(diǎn)建立用戶坐標(biāo)系，對碼垛垛型進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 碼垛垛型

在三維空間中，以位姿的形式表示每個(gè)箱體的空間位置和姿態(tài)[14-15]。定義箱體的長為l，寬為w，高為h，箱體之間的間隙為d，棧板長度L，棧板寬度W，箱體的方位角度為A。

箱體1頂部的中心坐標(biāo)x1為：

(1)

箱體1頂部的中心坐標(biāo)y1為：

(2)

箱體1頂部的中心坐標(biāo)z1為：

z1=h

(3)

在進(jìn)行箱體碼垛過程中，建立以機(jī)器人TCP為原點(diǎn)的工具坐標(biāo)系。進(jìn)行棧板第一層箱體碼放時(shí)，機(jī)器人TCP在用戶坐標(biāo)系中的位置矢量為：

P1=pxi+pyj+pzk=x1i+y1j+z1k

(4)

將位置矢量利用齊次坐標(biāo)表示如下：

(5)

在用戶坐標(biāo)系中，以箱體1為基準(zhǔn)，定義箱體2的變換位姿為T2，箱體3的變換位姿T3，箱體4的變換位姿T4，即：

(6)

(7)

(8)

在用戶坐標(biāo)系中，對箱體1進(jìn)行相應(yīng)的位姿變換，可得剩余箱體的位置矢量，即：

箱體2的位置矢量P2′為：

(9)

箱體3的位置矢量P3′為：

(10)

箱體4的位置矢量P4′為：

(11)

在進(jìn)行棧板第二層箱體碼垛中：

箱體5頂部的中心坐標(biāo)x5為：

(12)

箱體5頂部的中心坐標(biāo)y5為：

(13)

箱體5頂部的中心坐標(biāo)z5為：

z5=2h

(14)

箱體5的位置矢量用齊次坐標(biāo)表示如下：

(15)

在用戶坐標(biāo)系中，以箱體5為基準(zhǔn)，定義箱體6的變換位姿為T6，箱體7的變換位姿T7，箱體8的變換位姿T8。箱體5進(jìn)行相應(yīng)的位姿變換，可得剩余箱體的位置矢量。

只要提供箱體的規(guī)格參數(shù)，即可確定箱體在用戶坐標(biāo)系中的箱體位姿。以9000C型號箱體為例：l=710 mm，w=300 m，h=770 mm，d=30 mm；棧板的長度L=1 100 mm，W=1 100 mm。

箱體空間位姿如表1所示。

表1 箱體空間位姿

3.1.2 仿真模型搭建

RoboGuide是針對于FANUC工業(yè)機(jī)器人開發(fā)的一款離線編程軟件[16]。該碼垛工作站使用FANUC公司M-410ic/185碼垛機(jī)器人，末端最大負(fù)載185 kg。首先在RoboGuide中創(chuàng)建一個(gè)Workcell，然后順序?qū)朐赟olidwork中3D模型；根據(jù)表1中的箱體空間位姿，對箱體進(jìn)行仿真分析。

碼垛工作站仿真模型如圖5所示。

圖5 碼垛工作站仿真模型

3.2 碼垛程序設(shè)計(jì)

RoboGuide使用軟件中的虛擬TP可對機(jī)器人進(jìn)行示教編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單元運(yùn)動(dòng)的仿真[17]。在進(jìn)行碼垛的過程中，為保證箱體之間不發(fā)生碰撞，筆者使用RoboGuide軟件自帶的碰撞檢測功能，對碼垛程序進(jìn)行驗(yàn)證。碰撞檢測結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑可以使用于工業(yè)生產(chǎn)。

本研究將RoboGuide中設(shè)計(jì)的程序拷貝到機(jī)器人的示教器中進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行測試。

碼垛工作站實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 碼垛工作站實(shí)物圖

碼垛測試結(jié)果表明：與人工碼垛相比，碼垛工作站生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性明顯提高。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4 結(jié)束語

本文根據(jù)工藝流程和生產(chǎn)需求，完成了碼垛工作站的整體設(shè)計(jì)，建立了以歐姆龍NJ101-9020控制器為核心的控制系統(tǒng)；在RoboGuide中建立了碼垛工作站的仿真模型，進(jìn)行了仿真分析。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)降低了設(shè)備成本，節(jié)省了作業(yè)空間，提高了生產(chǎn)效率；

(2)通過建立信息流，實(shí)現(xiàn)了工序間的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換，提高了自動(dòng)化水平；

(3)提高了碼垛程序編寫的效率，使用RoboGuide中的碰撞檢測功能，驗(yàn)證了碼垛程序的正確性，提高了碼垛安全性，降低了產(chǎn)品的損壞率。