久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

★重慶機電職業(yè)技術(shù)大學 羅文

摘要：在制造類企業(yè)的生產(chǎn)過程中，對相關(guān)成品的碼垛具有重要的工藝要求。在成品貨箱重量大、碼垛速度要求高的情況下，碼垛工作的人工勞動強度大、生產(chǎn)效率低 。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，借助工業(yè)機器人完成碼垛任務，能提高企業(yè)生產(chǎn)中碼垛作業(yè)的效率和質(zhì)量，加快物流速度。

為了加快將工業(yè)機器人應用到生產(chǎn)中去，傳統(tǒng)的人工示教方法已不能滿足企業(yè)的要求，并成為阻礙生產(chǎn)力快速發(fā)展的瓶頸。因此，離線仿真編程是解決這個問題的一劑良方。本文以碼垛機器人為研究對象，針對立方體貨箱碼垛的具體應用背景，對碼垛機器人系統(tǒng)的組成與布置，設(shè)計了可調(diào)節(jié)的機械手，進行了運動學分析和軌跡規(guī)劃，利用Robotstudio軟件完成了運動仿真驗證與離線編程。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；系統(tǒng)設(shè)計；離線編程

1 引言

碼垛是指按照設(shè)定的模式，將物料堆碼成垛，從而以集成單元化的料垛來實現(xiàn)物料的儲藏和運輸^[1]。在所儲運的物料質(zhì)量不大、尺寸不大，以及對碼垛的速度要求不高的情況下，人工完成碼垛是最普遍的方式。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，生產(chǎn)活動的速度越來越快，碼垛速度和碼垛質(zhì)量也有了較高的要求，人工碼垛方式已經(jīng)越來越難以跟上經(jīng)濟發(fā)展的要求，尤其在比較惡劣的環(huán)境下，工作成本大且效率低，在這種情況下，碼垛機器人應運而生^[2]。機器人碼垛既能增強工作過程中的安全可靠性，又可以提高工作效率，這意味著節(jié)約了大量的人力和物力，能產(chǎn)生很大的現(xiàn)實和經(jīng)濟意義。

對于制造企業(yè)來說，生產(chǎn)過程物料的輸送工序和能否及時有效地輸送入庫，直接影響整個物料的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的物料采用人工或者叉車搬運的方式，機械而單調(diào)地完成托盤的碼垛任務。成品物料本身的質(zhì)量較大，這就大大加劇了工人的工作強度，降低了工人的工作積極性。為此，在物料生產(chǎn)線引入碼垛機器人，對物料進行碼垛，從而有效地輸送，提高設(shè)備的利用效率，保障物料生產(chǎn)過程的入庫需求，并能達到制造企業(yè)對生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全的要求。

2 物料機器人碼垛系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 機器人碼垛系統(tǒng)總體方案設(shè)計

機器人碼垛工作區(qū)可以看成一個輸入輸出系統(tǒng)，通過輸送機等生產(chǎn)流水線方式輸入已經(jīng)完成包裝的貨物，經(jīng)過機器人碼垛區(qū)域后，輸出整齊的貨物垛型，然后利用人工、叉車或者專用的托盤機及其輸送鏈等方式將貨物運走。

該系統(tǒng)在很多生產(chǎn)線都可以應用。比如，在飲料加工廠內(nèi)，灌裝好的飲料瓶在裝箱生產(chǎn)線完成自動裝箱、封箱、滾碼，并通過傳送帶輸出，在碼垛機器人工作區(qū)域，不同的品類的貨箱完成各自的碼垛并入庫。

機器人碼垛系統(tǒng)整體規(guī)劃設(shè)計如圖1所示。

圖1 機器人碼垛系統(tǒng)平面規(guī)劃圖

2.2 機器人碼垛輸送系統(tǒng)

物料經(jīng)過各個工序形成箱型后，需通過流水線輸入碼垛區(qū)域。本系統(tǒng)選用輥筒輸送機承接前段作為物料輸入的工具。

輥筒輸送機主要由傳動輥筒、機架、支架、驅(qū)動部分等部分組成，相對于皮帶輸送機、板鏈輸送機等其他輸送方式，輥筒輸送機能夠輸送單件重量很大的物料，或承受較大的沖擊載荷。另外，輥筒輸送機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用維護方便。

2.3 選型碼垛機器人

本次設(shè)計物料的重量考慮在20kg到40kg之間，此時碼垛機器人的負載重量較大，并且在碼垛過程中，機械臂需要頻繁扭曲反轉(zhuǎn)，查閱相關(guān)資料，可知六自由度機器人是最好的選擇。根據(jù)碼垛機器人系統(tǒng)的設(shè)計要求，機器人碼垛對重復精度要求高，對防護等級沒有特殊要求。綜上所述，可選用適合于大負載的ABB公司的六自由度機器人。

本系統(tǒng)選用的ABB-IRB6640是一款產(chǎn)能高且適合各類應用的機器人產(chǎn)品，多用于物料搬運、上下料和點焊。ABB-IRB6640最大的優(yōu)勢之一是提高了載重能力，其有效載重量較大，滿足眾多生產(chǎn)的承重要求，并且該機器人繼承了優(yōu)異的慣性曲線特性，最大有效荷重高達235kg，更加適合重型甚至寬型物料的搬運。另外，該型號的機器人生產(chǎn)效率高，設(shè)計緊湊，維護保養(yǎng)簡單，比其他型號更長的上臂配合多種手腕形式，使該機器人能夠適應多種工藝過程，其手臂可向后彎曲到底，大大擴展了工作范圍。

該機器人融合了第二代TrueMove和QuickMove技術(shù)，路徑精度得到了優(yōu)化，運動精度更高，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 機器人性能參數(shù)表

2.4 機器人碼垛信號處理系統(tǒng)

機器人碼垛系統(tǒng)一般包括輥筒輸送機、碼垛機器人、托盤輸送機等設(shè)備和多種電氣元件、驅(qū)動元件及檢測元件。碼垛系統(tǒng)全年連續(xù)工作，這就要求其可靠性必須非常高才能完成設(shè)計要求。根據(jù)對碼垛機器人系統(tǒng)的功能及工作原理的分析，其控制系統(tǒng)包含了可編程邏輯控制器、光電傳感器、氣缸、電機，控制柜等。

為了配合碼垛生產(chǎn)線上的動作要求，機器人本身需要進行各種碼垛動作軌跡的調(diào)試，還要和PLC連接進行通訊，進行信號的交互。只要將工業(yè)機器人和PLC有效地連接起來并進行相互之間的信號傳輸即可。因此，在掌握了工業(yè)機器人的編程的基礎(chǔ)上，必須進行PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計，進而通過PLC控制機器人。工業(yè)機器人與PLC之間的通訊傳輸有“I/O”連接和通訊線連接兩種，本系統(tǒng)以最常用的機器人與S7-200PLC之間使用“I/O”連接的方式進行控制。

PLC可通過I/O模塊連接碼垛區(qū)域的機器人及現(xiàn)場設(shè)備，它們接收來自于PLC的命令并控制相關(guān)設(shè)備的啟停，最后，將碼垛機器人及相關(guān)設(shè)備的所處狀態(tài)返回給PLC，其他相關(guān)物流設(shè)備也由PLC控制。碼垛機器人控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 機器人碼垛控制系統(tǒng)示意圖

3 基于Robotstudio的機器人碼垛運動仿真與優(yōu)化設(shè)計

隨著工業(yè)機器人越來越多地應用到實際工作中，采用軟件模擬實際的機器人運動動作可以為工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計提供很好的輔助作用。只要整個碼垛機器人系統(tǒng)投入運行，仿真的可到達性、循環(huán)時間以及機器人規(guī)劃路徑就可準確執(zhí)行。機器人采用離線編程方式可以在很大的程度上提高生產(chǎn)的效率。特別的，仿真功能可以對模擬實際情況，檢驗方案的可行性，提高方案設(shè)計的準確性，并縮短研發(fā)周期。本章主要進行碼垛機器人的運動仿真及離線編程，驗證機械手夾持中心軌跡規(guī)劃的正確性，并對其運動過程提出了優(yōu)化的方法。

3.1 Robotstudio功能分析

RobotStudio是ABB機器人公司開發(fā)的機器人離線仿真編程軟件，可以為ABB公司的所有類型的ABB機器人提供相應的離線編程和三維仿真工作，為工程師進行相關(guān)的碼垛機器人應用提供了平臺。RobotStudio可以實現(xiàn)以下主要功能：

（1）導入各種主要的CAD格式數(shù)據(jù)。通過關(guān)聯(lián)跟機器人應用系統(tǒng)所需要的組件的3D模型數(shù)據(jù)，機器人程序設(shè)計師可以據(jù)此在軟件中生成更為精確的機器人RAPID程序，為提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量提供了可能性。

（2）自動路徑生成。這是Robotstudio軟件非常優(yōu)秀的一個功能，在很多系統(tǒng)中，通過使用待處理部件的CAD模型，軟件可在短短幾分鐘內(nèi)自動生成跟蹤曲線所需的機器人位置。此項任務如果人工執(zhí)行，會需要數(shù)小時或數(shù)天時間才能完成。

（3）自動分析伸展能力。這項功能可讓軟件操作者靈活地移動機器人或工件，不斷地根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行相應的調(diào)節(jié)，直至所有位置均可達到，并可在短短幾分鐘內(nèi)驗證和優(yōu)化所設(shè)計的工作單元布局。

（4）碰撞檢測。在RobotStudio中，對機器人在運動過程中是否可能與周邊設(shè)備發(fā)生碰撞進行驗證和確認，提前發(fā)現(xiàn)并處理潛在的問題，確保機器人離線編程得出的程序具有可用性。

（5）在線作業(yè)。為了使調(diào)試與維護工作更輕松，可使用RobotStudio與真實的機器人進行連接通信，便捷地對機器人進行監(jiān)控、程序修改、參數(shù)設(shè)定、文件傳送及備份恢復等各種操作。

3.2 基于RobotStudio軟件的機器人碼垛運動軌跡仿真

RobotStudio強調(diào)機器人編程與新的生產(chǎn)系統(tǒng)和工具的建設(shè)并行。在軟件中，離線虛擬仿真機器人技術(shù)所使用的代碼與實際控制器中的代碼完全相符，精度極高，其獨特之處在于它下載到實際控制器的過程中沒有翻譯階段。離線編程在實際機器人安裝前，通過可視化及可確認的解決方案和布局來降低風險，并通過創(chuàng)建更加精確的路徑來獲得更高的部件質(zhì)量。

機器人運動路徑可以插補目標點。一般來說，路徑的插補點數(shù)越多，機器人運動路徑就會越精確，也可以修改機械手的姿態(tài)和機器人的軸配置，使得機器人路徑平滑過渡，這樣的話，編程精度可以得到保證。

Robotstudio離線編程軟件自身帶有仿真功能，既能通過仿真來檢查機器人運動效果，又能對機器人路徑進行人工修正，甚至是較大的改變。

其中，人機交互功能的實現(xiàn)靠的是示教器，示教器是一種高品質(zhì)的可進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數(shù)配置以及監(jiān)控用的手持終端。控制柜實體按鈕只是負責常規(guī)的啟停等功能，而示教功能的完成則必須具備觸摸功能的示教器完成，在實際生產(chǎn)活動中，其遠程操作功能也能為程序員提供安全距離。

4 結(jié)論

本文主要設(shè)計了以ABBIRB6640碼垛機器人為主體的碼垛系統(tǒng)，先對碼垛機器人系統(tǒng)和機械手進行了分析設(shè)計，并對碼垛機器人運動學進行了分析，并對機器人的運動軌跡進行了規(guī)劃，借助離線仿真軟件Robotstudio，實現(xiàn)了對機器人碼垛過程的運動仿真驗證和離線編程，為碼垛機器人的現(xiàn)場安裝應用和生產(chǎn)中的相關(guān)物流流轉(zhuǎn)活動的進一步分析研究提供了基礎(chǔ)。

作者介紹：

羅文 （1978-），男，重慶人，副教授，學士，現(xiàn)任教于重慶機電職業(yè)技術(shù)大學電氣與電子工程學院，研究方向是電氣自動化技術(shù)。

參考文獻：

[1] 胡洪國, 等. 碼垛技術(shù)綜述[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2020 ( 06 ) : 9 - 11+21.

[2] 張碧波. 淺談包裝碼垛自動生產(chǎn)線的發(fā)展、應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2018 ( 23 ) : 75 + 77.

[3] 李宗龍. 自動化碼垛機器人系統(tǒng)的設(shè)計和研究[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2014.

[4] 李東潔, 邱江艷, 尤波. 一種機器人軌跡規(guī)劃的優(yōu)化算法[J]. 電機與控制學報, 2019, 13 ( 01 ) ： 123 - 127.

[5] 葉暉, 等. 工業(yè)機器人工程應用虛擬仿真教程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2014.

摘自《自動化博覽》2022年10月刊