機(jī)器人柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的規(guī)劃與應(yīng)用

白建文

約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司，廣東清遠(yuǎn)，511685

0 引言

在傳統(tǒng)制造企業(yè)中，物料的搬運(yùn)大多數(shù)是通過人工完成，對于大型的物料，需要兩人或者多人協(xié)作才能完成，人工操作存在的問題主要是員工勞動強(qiáng)度高、效率低、存在安全風(fēng)險，阻礙企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。現(xiàn)階段，企業(yè)對機(jī)器人的運(yùn)用越來越普及，尤其是工業(yè)方面，使用工業(yè)機(jī)器人的情況屢見不鮮。人力成本的快速上漲進(jìn)一步推動了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如今，世界各國都在進(jìn)行機(jī)器換人，希望把人力勞動從低端工作崗位釋放出來，制造業(yè)自動化水平越來越高，工廠利用工業(yè)機(jī)器人獲得了更低的成本、更高的效率和更快的生產(chǎn)速度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，通過對現(xiàn)狀的分析和對機(jī)器人集成系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，企業(yè)規(guī)劃設(shè)計了該套智能系統(tǒng)，以達(dá)到更好的生產(chǎn)管理，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競爭力。

1 機(jī)器人柔性搬運(yùn)系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)集中控制，是一個基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)管理集成平臺。向下，完成與PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計劃的實(shí)時傳輸；向上，為應(yīng)用層或其他應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的操作、查詢接口?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)通過理論計算與仿真模擬，按照額定負(fù)載能力進(jìn)行設(shè)計，負(fù)載和末端夾具執(zhí)行器累計產(chǎn)生的靜力和動力應(yīng)在機(jī)器人負(fù)載能力和動態(tài)響應(yīng)范圍內(nèi)，同時在安裝末端執(zhí)行器后，整個運(yùn)動系統(tǒng)在完成全套動作后不會與外圍安全護(hù)欄干涉。

通過現(xiàn)場布置情況設(shè)計，機(jī)器人臂展應(yīng)在運(yùn)動區(qū)域內(nèi)。其他關(guān)鍵項如機(jī)器人運(yùn)動速度、精度、自由度等均在需求范圍內(nèi)，機(jī)器人配安全底座，以便于現(xiàn)場位置調(diào)整和安裝。

經(jīng)過上述評估，最終選取知名品牌KUKA KR 2700 prime機(jī)器人，該系列機(jī)器人的主要特點(diǎn)為：①覆蓋范圍大，達(dá)到了負(fù)載能力與作用范圍之間的平衡，讓眾多應(yīng)用成為可能；②作業(yè)周期短，KR QUANTEC prime以其緊固的結(jié)構(gòu)而著稱，但同時又非常輕巧，較高的加速度值實(shí)現(xiàn)了更短的節(jié)拍時間；③保養(yǎng)需求低，KR QUANTEC prime適合各種設(shè)計方案，只需要很小的占地面積，同時維護(hù)工作也被減少到最低限度；④可以很好地滿足該項目的各類需求，包括承重大、現(xiàn)場空間有限、活動范圍大、應(yīng)用環(huán)境較為惡劣等。

1.2 人機(jī)交互系統(tǒng)

智能化的防錯系統(tǒng)可防止誤動作造成系統(tǒng)的損壞。該系統(tǒng)涉及物料約100種左右，為了防止錯誤發(fā)生，在末端夾具系統(tǒng)安裝了感應(yīng)器，在抓取物料過程中會自動判斷當(dāng)前物料與系統(tǒng)指派物料是否匹配，如果匹配則繼續(xù)運(yùn)行，如果不一致，則設(shè)備停止運(yùn)行并自動報警，提醒操作者進(jìn)行處理。

現(xiàn)場物料切換頻繁，經(jīng)常會出現(xiàn)同一個料盤內(nèi)存放2種規(guī)格以上的物料，完成一次物料切換后，通常需要在觸摸屏設(shè)定產(chǎn)品的型號和對應(yīng)的數(shù)量，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)自動運(yùn)行，確保生產(chǎn)過程的順暢性和快速切換的需求。觸摸屏設(shè)置等級權(quán)限，如需新增產(chǎn)品則需要管理權(quán)限，不得隨意操作[2]。

1.3 PLC系統(tǒng)

系統(tǒng)采用型號為歐姆龍CP1H-X40DR-A的PLC主控系統(tǒng)，該型號PLC其基本指令處理時間約為0.15us，應(yīng)用指令為0.6us，輸入輸出點(diǎn)數(shù)512點(diǎn)（使用遠(yuǎn)程I/O時2048點(diǎn)），同時采用SFC（順序功能圖）語言，程序結(jié)構(gòu)化，易編、易讀、易調(diào)試，運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，可最大限度滿足系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性需求。

PLC作為系統(tǒng)的大腦，通過接收輸入單元（主要包括人機(jī)交互、上位機(jī)或者是檢測元件等）的指令，通過固化的程序運(yùn)行邏輯，將運(yùn)算信號傳遞至輸出單元，進(jìn)而控制設(shè)備終端（包括機(jī)器人、柔性夾具系統(tǒng)等），完成系統(tǒng)需求的動作。通過定義PLC I/O點(diǎn)與機(jī)器人之間的對應(yīng)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PLC的實(shí)時通信[3]。例如：PLC輸出點(diǎn)位OUT105.01表示允許取水盤的信號，對應(yīng)機(jī)器人點(diǎn)位IN10，當(dāng)該P(yáng)LC點(diǎn)位 OUT105.01發(fā)出輸出信號時，機(jī)器人IN10會接收到該信號，機(jī)器人會自動運(yùn)行完成抓取水盤的動作。

該系統(tǒng)配備了UPS電源，當(dāng)車間突然停電時，UPG仍然能夠?yàn)镻LC和各類感應(yīng)器提供持續(xù)的電源，以防止設(shè)備或者產(chǎn)品遭受異常的損壞。

1.4 柔性夾具系統(tǒng)

通過對現(xiàn)場的分析，目前該崗位需要完成約120種金屬水盤和32種木底架的搬運(yùn)，涉及產(chǎn)品種類多、數(shù)量小，除了要滿足基本的搬運(yùn)需求，還要滿足設(shè)備的快速切換，以滿足現(xiàn)場的使用需求。因此柔性夾具系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計對于項目的成敗起到了非常重要的作用。

對于金屬水盤的吸取，按照傳統(tǒng)的設(shè)計思路，可以通過機(jī)械抱夾、電磁鐵和真空吸盤吸取等方式實(shí)現(xiàn)，由于待搬運(yùn)產(chǎn)品種類多，現(xiàn)場空間小，機(jī)械報夾的方式難以滿足，而電磁鐵吸取時必須要求電磁鐵磁力線與產(chǎn)品平行，否則存在滑動掉落的風(fēng)險。經(jīng)過綜合評估，選取真空吸盤的方式完成金屬水盤的吸取[4]。根據(jù)產(chǎn)品的尺寸范圍，將真空吸盤分為四組，每組四個吸盤，通過伺服電機(jī)的控制，四組吸盤可以沿著X、Y軸獨(dú)立移動。當(dāng)吸取大型水盤時，四組吸盤同時工作，增加吸盤與水盤的接觸面，保證吸取的穩(wěn)定性；當(dāng)吸取小型水盤時，為避免吸盤和水盤的干涉，其中兩組吸盤自動移動避位，保留兩組吸盤即可。上述的吸取過程可通過三維建模完成夾具的設(shè)計，但是每種類型的產(chǎn)品均需現(xiàn)場演示并反復(fù)確認(rèn)后才能投入使用，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)自動運(yùn)行時，機(jī)器人根據(jù)PLC的指令運(yùn)行至指定位置，傳感器自動感應(yīng)水盤的位置，并將信號返回至PLC系統(tǒng)，以判斷該位置的水盤與設(shè)定的水盤型號是否一致，如果一致，則機(jī)器人動作將真空吸盤與水盤表面緊密接觸，同時PLC控制真空系統(tǒng)啟動，真空吸盤與水盤表面形成負(fù)壓。當(dāng)真空系統(tǒng)的真空度壓力傳感器達(dá)到設(shè)定值后，PLC控制機(jī)器人動作，將水盤由原位置搬運(yùn)至指定的位置；如果在設(shè)定時間內(nèi)（如3S內(nèi)）真空度壓力傳感器未達(dá)到設(shè)定值，則程序判定為系統(tǒng)異常，設(shè)備暫停報警，需員工確認(rèn)后復(fù)位才能繼續(xù)動作。

對于木底架的吸取，采用氣動海綿吸盤完成。海綿吸盤具備吸力大、覆蓋面積大、對木板表面粗糙度要求不高等的特點(diǎn)，可有效滿足該需求。海綿吸盤由帶導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動完成升降功能，當(dāng)吸取水盤時，氣缸自動上升避位，當(dāng)吸取木底架時，氣缸自動下降，當(dāng)行程開關(guān)接觸到木底架時，PLC控制海綿吸盤自動動作，完成吸取，當(dāng)真空度壓力傳感器表達(dá)到設(shè)定值后，PLC控制機(jī)器人動作，將木底架由原位置搬運(yùn)至指定的位置。如果在設(shè)定時間內(nèi)（如3S內(nèi)）真空度壓力傳感器未達(dá)到設(shè)定值，則程序判定為系統(tǒng)異常，設(shè)備暫停報警，需要員工確認(rèn)后復(fù)位才能繼續(xù)動作。

與NS協(xié)議相比，THNS協(xié)議將消息(2)中的B產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)RB、時間戳TB與A產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)以及A的身份信息用EB_S進(jìn)行加密，消息(1),(3)和(4)與原協(xié)議相同。文獻(xiàn)[11]基于SPASS特定條件下證明了THNS的安全屬性，本文給出基于PCL的THNS協(xié)議描述，假設(shè)THNS協(xié)議具有安全性，應(yīng)至少滿足：

如上動作均為在完成后即完成一次動作循環(huán)，待上料位的產(chǎn)品清空后，系統(tǒng)才會再次自動啟動。如果料盤內(nèi)的物料超過最小設(shè)定數(shù)量（一般設(shè)定為3件），指示燈會自動閃爍，提醒員工提前備料，以防止因缺料導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

1.5 安全防護(hù)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用中需特別考慮其運(yùn)行的安全性及其應(yīng)急處理辦法。機(jī)器人系統(tǒng)在應(yīng)用中應(yīng)考慮萬一某個元器件發(fā)生不可預(yù)見的失效時，安全功能應(yīng)不受影響。

在整個設(shè)備的周圍設(shè)置固定防護(hù)裝置，能經(jīng)受預(yù)定操作的和環(huán)境的作用力。將整個機(jī)器人工作站區(qū)域進(jìn)行360°機(jī)械安全防護(hù)；安全防護(hù)無銳邊和凸起部分，其本身不會產(chǎn)生危險；護(hù)欄框架采用厚度為1.5m的鈑金沖孔，高度2.2米，表面噴橙色油漆。防護(hù)區(qū)設(shè)置至少六處耐壓有機(jī)玻璃，方便設(shè)備狀態(tài)檢測。在需要人員進(jìn)出的位置和檢修門設(shè)置安全門鎖，具備光電聯(lián)鎖功能，以達(dá)到雙重保護(hù)的目的；在物料的入口處安裝安全光柵，具備智能互鎖結(jié)構(gòu)。

機(jī)器人系統(tǒng)操作站設(shè)置便捷的急停裝置，急停后，重啟機(jī)器人系統(tǒng)時，手動操作和復(fù)位應(yīng)在限定空間外進(jìn)行；機(jī)器人與外部急停裝置、安全防護(hù)裝置相連接的措施與急停電路聯(lián)鎖[5]。在機(jī)器人啟動前，必須手動復(fù)位急停電路。急停電路自動復(fù)位時，任何運(yùn)動部件均不會啟動。由于急?；蛘邉恿υ垂收弦疬壿嬇袛噱e誤或存儲狀態(tài)丟失，則必須在邏輯或存儲復(fù)位后再開始操作。

2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的編程及控制邏輯概述

工業(yè)機(jī)器人作為該系統(tǒng)的主體，與柔性夾具系統(tǒng)共同作用，完成了整體的動作邏輯。因此，機(jī)器人運(yùn)行的邏輯性、穩(wěn)定性、運(yùn)行軌跡等在項目的實(shí)施中起到了極其重要的作用。

KUKA機(jī)器人編程模塊應(yīng)始終保存在文件夾“Program”（程序）中。 也可建立新的文件夾并將程序模塊存放在那里，模塊用字母“M” 表示。一個模塊中可以加入注釋，此類注釋中可包含程序的簡短功能說明。模塊由兩部分組成，分別為源代碼和數(shù)據(jù)列表。

機(jī)器人系統(tǒng)的編程邏輯為按照機(jī)器人停止的點(diǎn)位和運(yùn)行的邏輯分別建立子程序，各子程序之間可以單獨(dú)調(diào)用，子程序和PLC系統(tǒng)可以單獨(dú)調(diào)用。機(jī)器人程序包括：主程序、機(jī)器人原點(diǎn)、取木底架、放木底架、木底架回原點(diǎn)、取水盤、放水盤、水盤回原點(diǎn)等。

其中主程序用于定義機(jī)器人抓取/放置木底架和水盤的條件，即根據(jù)PLC傳輸?shù)牟煌臈l件，機(jī)器人會做出不同的動作，在KUKA的系統(tǒng)內(nèi)，通常該類程序的命令為：

IF(Pn=20) or (Pn=40) then

Pro=45

Else

Pro=65

Endif

設(shè)置機(jī)器人原點(diǎn)程序，即在發(fā)生異常時，不管在任何情況下，均可手動運(yùn)行該程序回到機(jī)器人原點(diǎn)位置，但是在運(yùn)行該程序時需確保機(jī)器人不會與其他部件發(fā)生碰撞干涉，如有干涉點(diǎn)，需要手動將機(jī)器人移動至安全的位置再進(jìn)行自動回原點(diǎn)操作。另外常用的機(jī)器人編程功能包括逼近、插補(bǔ)、循環(huán)、變量代換等，在此系統(tǒng)中均得到了充分的應(yīng)用。

3 結(jié)語

通過機(jī)器人柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的規(guī)劃和應(yīng)用，通過上位機(jī)、人機(jī)交互系統(tǒng)、PLC、機(jī)器人及柔性夾具系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了大型物料的自動搬運(yùn)和快速切換。該自動化集成系統(tǒng)通過機(jī)器人替換原有繁重的人工搬運(yùn)勞動，將員工從繁重的勞動中解放出來，轉(zhuǎn)型為機(jī)器人、自動化應(yīng)用維護(hù)的高技能人才，為企業(yè)的進(jìn)一步自動化、智能化升級改造積累了經(jīng)驗(yàn)，儲備了人才。