工業機器人在自動化生產線分揀站的應用

劉華鋒，周俊榮，葉軍林，車海波，徐 娟

（1.廣東環境保護工程職業學院，廣東 佛山 528216；2.五邑大學，廣東 江門 529020）

隨著工業機器人應用技術的日益成熟，越來越多的自動化生產線都引入了工業機器人。目前，工業機器人被廣泛的應用在焊接、噴涂、搬運（碼垛）以及裝配等領域。本文講述的工業機器人在自動化生產線分揀站的應用就是搬運（碼垛）應用。所謂碼垛，就是將產品整齊有序的碼放好。在沒有引入機器人以前，分揀流水線上的產品主要由人工來碼放，隨著人工成本不斷增加和企業業務量的不斷增長，人力碼放的投入成本越來越高；而另一方面，工業機器人應用技術日益成熟和工業機器人生產成本的不斷下降，使得工業機器人逐漸取代了傳統的人工作業。引入工業機器人以后，不僅節省了生產成本，還提高了生產效率。

1 碼垛系統硬件組成

系統設備仿真圖如圖1所示，工業機器人碼垛系統主要由傳送帶、碼垛臺以及工業機器人組成[9][10]。

1.1 主要硬件組成

1.1.1 傳送帶

傳送帶的作用主要是傳送產品，是將物品從始端傳送至末端的一種機械裝置。傳送帶的結構簡單，主要由驅動裝置、傳動裝置以及張緊裝置組成。驅動裝置是傳送帶的動力源，由電動機、減速器以及聯軸器組成；傳動裝置主要由輸送帶、托輥、傳動滾筒和換向滾筒組成；張緊裝置是用來調節傳送帶的松緊度的。張緊裝置能夠保證輸送帶有足夠的張力，使滾筒與輸送帶之間產生必要的摩擦力，還能限制輸送帶在各托輥之間的懸垂度，確保輸送機的正常運轉。驅動裝置通過聯軸器與傳動裝置上的傳動滾筒連接，當電動機轉動時，經減速器降速后，再由聯軸器帶動傳動滾筒轉動，當傳動滾筒轉動起來后，便能通過傳送帶上的摩擦力傳送物品。

1.1.2 工業機器人

本案例中采用ABB工業機器人，在工業機器人選型過程中，需要考慮工業機器人的載重、臂展以及重復定位精度等因素。

1.1.3 光電傳感器

圖1 系統仿真圖

表1 I/O端口分配表

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器分別安裝于傳送帶的始端和末端，其作用是位置檢測。

1.2 生產工藝流程介紹

當上級工作站將物品放置于傳送帶，傳送帶上的供料傳感器檢測到信號，傳送帶啟動，物品便會隨著傳送帶運動到傳送帶的末端，放置于傳送帶末端的光電傳感器檢測到有物品，將信號傳遞給PLC，PLC再將此信號傳遞給工業機器人，工業機器人接收到信號后，工業機器人將把產品夾放至碼垛臺，碼垛臺的產品碼放好了之后，再由AGV小車或叉車運放至指定的地方[3][6][7]。

2 電氣控制系統介紹

電氣控制系統主要由系統控制模塊和系統執行模塊組成。

2.1 系統控制模塊

電氣控制系統采用三菱FX3U系列PLC，FX3U系列PLC是三菱電機研發生產的第三代微型可編程控制器，目前被廣泛的應用于各種自動化生產線上。根據系統控制需求，系統I/O端口如表1所示。

工業機器人的輸入信號全部由PLC的輸出信號控制，工業機器人的輸出信號全部輸出到PLC的輸入信號端口，PLC控制系統生產工藝流程圖如圖2所示。

2.2 系統的執行模塊

系統采用工業機器人作為執行模塊。工業機器人的只要任務就是將由兩條傳送帶傳送過來的產品整齊地碼放起來。

2.2.1 碼垛工業流程分析

產品的尺寸為60cm×40cm×30cm。第一層的產品擺放位置如圖 3a所示，數字 1、2、3、4、5 分別表示5個產品的擺放位置，傳統的編程方法就是讓機器人去示教每一個點位，由于本次需要碼垛的產品比較多，左右兩側，合計達30個，若逐個點去示教的話，需要花費很大的精力，故不適合采用逐點示教的方法。在編程工程采用偏移指令會事半功倍。以第一層為例，手動示教P1點，則產品4的位置即為在P1位置點沿Y軸正方向偏移60cm；手動示教P2點，則產品2的位置即為在P2位置點沿Y軸正方向偏移40cm，產品3的位置即為在P2位置點沿Y軸正方向偏移80cm。第二層的碼垛方法跟第一層類似，示教P3和P4點，其他點位采用偏移的方法即可，此處不再贅述。第三層的產品碼放位置跟第一層的產品碼放位置一模一樣，不同之處在于第三層的產品在Z軸正方向上偏移了60cm。如產品13的位置即為在P2位置點沿Z軸正方向偏移60cm，產品15的位置即為在P1位置點沿Z軸正方向偏移60cm，產品14的位置即為在產品4的位置上沿Z軸方向偏移60，產品11和產品12分別在產品1和產品2的位置基礎上沿Z軸方向偏移60即可。從上述分析過程中不難看出，采用偏移的方法只需要示教4個點即可算出全部15個的點位置，相比于示教15個點，少了重復示教的麻煩，但是卻要求編程者在編程的時候思路要絕對清晰[7]。

圖2 PLC程序流程圖

圖3 碼垛示意圖

2.2.2 工業機器人程序流程設計

程序設計流程圖是控制系統編程的基礎。根據系統的功能要求，本系統的程序主要包括1個主程序和5個子程序。5個子程序主要完成各自功能的實現，5個子程序分別是系統初始化程序、1號傳送帶夾取程序，1號傳送帶放置程序、2號傳送帶夾取程序以及2號傳送帶放置程序。工業機器人上電啟動后，系統便運行初始化程序，如系統自檢、調整機器人位姿、初始化夾爪信號、是否有碼垛盤以及計數變量清零等。當1號傳送帶供料到位后，光電傳感器檢測到信號，便將檢測信號傳遞給PLC，PLC再將此信號傳遞給機器人，機器人接收到信號后，便啟動子程序夾1和子程序放1，同時，計數變量加1，如此循環，當計數變量達到15后，說明產品已經按照要求碼放好了，即碼垛任務已經完成，需要亮綠燈來發出碼垛完成的指示，以更換碼垛盤，同時，為了便于開始下次碼垛，此時，需要將計數變量清零。當碼垛臺更換完畢后，機器人便開始下次碼垛的循環程序。同樣的道理，當2號傳送帶的產品到位后，啟動2號碼垛程序。由于兩條傳送帶是獨立且并行的，所以機器人夾放產品順序以機器人接收到信號的先后順序為準，先到先夾放，若機器人沒有接收到產品到位信號，機器人就會初始化程序中的設定位置待命[1][2]。程序流程圖如圖4所示。

圖4 工業機器人碼垛流程圖

3 結束語

隨著我國經濟的持續增長，工業機器人在工業現場的應用將更加普遍。工業機器人在自動化生產線分揀站的碼垛應用，搭建了自動化生產線分揀站碼垛應用實驗平臺，并根據系統的功能要求進行了的運行調試。調試過程中系統運行平穩可靠、碼垛位置精確，能夠根據系統控制要求完成相應的控制任務。本平臺僅搭建了自動化生產線的分揀站，還沒有跟整條生產線一起聯調，會存在一些問題。如當碼垛系統出現問題，生產線依然會源源不斷的把產品往分揀站輸送，會造成產品堆積等問題，因此需要在整條生產線上添加分揀站站點信號，而不能使分揀站孤立存在。