多規格箱體碼垛工作站的設計與實現*

焦 鵬，倪受東

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009)

0 引 言

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

在實際生產作業中，碼垛生產線多為單一的產品輸送線，機器人的目標作業對象較少，導致生產設備利用率低、工廠成本回收周期長。隨著用工成本的提高，生產設備的利用率和自動化程度成為企業提升競爭力的關鍵。

本文基于歐姆龍NJ系列控制器設計一套多規格箱體碼垛工作站。

1 碼垛工作站方案

1.1 碼垛工作站組成、布局確定

根據生產要求，碼垛工作站主要包括5個工序：進料輥道線、生產信息采集、分揀入庫、工業機器人碼垛和自動排放棧板。

本文通過掃碼槍和控制器的配合使用，實現對箱體條形碼內生產信息的采集。當掃碼信息不符合要求，箱體自動進入人工復檢工位進行人工復檢，復檢后進行再次信息采集，直至滿足生產要求。考慮到箱體在進行分揀時需要精準定位，采用一臺進庫小車、一臺出庫小車和6條暫存輥道線進行配合使用。由于箱體的規格不同，在工業機器人碼垛前采用定位裝置，對箱體位置進行調整。為了實現棧板的自動擺放、定位和輸送，本研究采用棧板機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 工作過程規劃

根據生產要求和工藝特點，結合工作站生產設備的布局，本文對工作站工作過程進行規劃，其流程圖如圖2所示。

圖2 工作站工作流程圖

圖2中，入口處的進料均為包裝完全的箱體，根據要求對每個箱體上的條形碼進行生產信息采集，符合要求的進行碼垛存儲；滿足生產要求的箱體經過信息采集存儲，后經由進庫小車根據生產信息，輸送至對應的暫存輥道線進行暫存；當單條暫存輥道線的箱體儲存數量達到8個，出庫小車開始將該條暫存輥道線內的箱體輸送到排料輥道線，同時機器人根據箱體的生產信息進行對應碼垛程序的調用；當定位裝置對箱體完成定位，機器人開始碼垛；碼垛完成時，棧板輥道線啟動，同時棧板機在碼垛工位自動排放新的棧板。

2 控制系統設計

2.1 控制單元組成

碼垛工作站主要是完成不同規格箱體的自動分類，使箱體傳送過程流暢運行。因此，控制系統包括進料輥道線、生產信息采集、進庫移動小車、暫存輥道線、出庫移動小車等9個控制單元。各個控制單元完成相應的工序后，向控制器發出完成信號，控制器向下一個工序發出啟動信號。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 通信系統的建立

歐姆龍NJ系列控制器內置了兩種統一開放的工業以太網通訊協議，可以建立機械設備與控制網絡和工廠網絡之間的無縫連接[10]。

控制系統采用工業以太網的通訊方式。歐姆龍NJ系列控制器使用Sysmac studio自動化軟件進行編程和配置，Sysmac studio支持周邊設備、控制器和EtherCAT設備的整合開發環境[11]。

通信系統結構圖如圖3所示。

圖3 通信系統結構圖

2.2.1 生產信息采集

在進行數據傳輸時，網絡層將數據報由一臺主機傳送到另一臺主機的過程中，經常會發生數據的丟失、失序及重復。因此，控制器通過Socket TCP與掃碼槍進行通訊，運輸層TCP協議使用錯誤重傳機制，實現兩臺主機應用進程間的可靠通信[12]。創建連接時，服務端應用程序監聽Socket，之后客戶端應用程序創建連接Socket，向服務端發送請求，服務端等待并接收連接請求，當服務端接收請求后創建連接Socket[13]。

控制器與上位SQLserver數據庫通過EtherNet/IP進行通訊連接后，控制器對掃碼得到的包裝條碼進行解析，通過搜索數據庫中的信息，獲取目的地、生產周、機種、批號等生產信息；箱體根據生產信息的具體類別進行分揀入庫。

2.2.2 暫存輥道線

產品在進行生產過程中，產品生產信息連續相同的箱體會出現棧板碼垛不完全(數量少于8個)的情況。根據規定的生產要求，棧板碼垛不完全的產品不能進行倉庫存儲。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臺產品的存儲，當該條暫存輥道線上箱體的數量達到8臺，控制器控制出庫小車，將暫存輥道線上的箱體運輸至排料輥道線，經定位后進行機器人碼垛。

3 工業機器人碼垛程序設計

碼垛產品的外殼材質均為鑄鐵，在進行包裝的時候會附帶許多的零配件，每個箱體的質量從幾十斤到上百斤不等。結合生產要求，在碼垛作業過程中，機器人的運行路徑要求為：(1)箱體碼垛過程中不能發生碰撞；(2)箱體需進行位姿調整，滿足入庫存儲要求；(3)最大限度地保證箱體運行安全。

3.1 路徑規劃

3.1.1 垛型分析

本研究以托盤的中心為原點建立用戶坐標系，對碼垛垛型進行設計，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箱體的空間位置和姿態[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x1為：

(1)

箱體1頂部的中心坐標y1為：

(2)

箱體1頂部的中心坐標z1為：

z1=h

(3)

在進行箱體碼垛過程中，建立以機器人TCP為原點的工具坐標系。進行棧板第一層箱體碼放時，機器人TCP在用戶坐標系中的位置矢量為：

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

(4)

將位置矢量利用齊次坐標表示如下：

(5)

在用戶坐標系中，以箱體1為基準，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)

在用戶坐標系中，對箱體1進行相應的位姿變換，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)

在進行棧板第二層箱體碼垛中：

箱體5頂部的中心坐標x5為：

(12)

箱體5頂部的中心坐標y5為：

(13)

箱體5頂部的中心坐標z5為：

z5=2h

(14)

箱體5的位置矢量用齊次坐標表示如下：

(15)

在用戶坐標系中，以箱體5為基準，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進行相應的位姿變換，可得剩余箱體的位置矢量。

只要提供箱體的規格參數，即可確定箱體在用戶坐標系中的箱體位姿。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工業機器人開發的一款離線編程軟件[16]。該碼垛工作站使用FANUC公司M-410ic/185碼垛機器人，末端最大負載185 kg。首先在RoboGuide中創建一個Workcell，然后順序導入在Solidwork中3D模型；根據表1中的箱體空間位姿，對箱體進行仿真分析。

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 碼垛程序設計

RoboGuide使用軟件中的虛擬TP可對機器人進行示教編程，實現機器人單元運動的仿真[17]。在進行碼垛的過程中，為保證箱體之間不發生碰撞，筆者使用RoboGuide軟件自帶的碰撞檢測功能，對碼垛程序進行驗證。碰撞檢測結果驗證了所設計的機器人運動路徑可以使用于工業生產。

本研究將RoboGuide中設計的程序拷貝到機器人的示教器中進行生產運行測試。

碼垛工作站實物圖如圖6所示。

圖6 碼垛工作站實物圖

碼垛測試結果表明：與人工碼垛相比，碼垛工作站生產效率、穩定性明顯提高。

實驗及結果分析如表2所示。

表2 實驗及結果分析

4 結束語

本文根據工藝流程和生產需求，完成了碼垛工作站的整體設計，建立了以歐姆龍NJ101-9020控制器為核心的控制系統；在RoboGuide中建立了碼垛工作站的仿真模型，進行了仿真分析。現場實驗結果表明：

(1)降低了設備成本，節省了作業空間，提高了生產效率；

(2)通過建立信息流，實現了工序間的自動化轉換，提高了自動化水平；

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