多规格箱体码垛工作站的设计与实现*

焦 鹏，倪受东

(南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 210009)

0 引 言

近年来，在各个领域工业机器人开始逐渐取代人力[1]。在码垛方面，机器人码垛能大幅提高工作效率，降低作业过程中的产品损坏率[2-3]。王波等[4]基于PLC技术，创建了码垛机器人智能工作站系统，满足了工作多样性需求，提高了工作性价比及可靠性；高颖超[5]针对超大瓷砖的生产需求，基于KR100-2PA码垛机器人，设计了适用于超大瓷砖的码垛机器人工作站系统；刘玉梅[6]设计了一条视觉跟踪抓取的码垛机器人工作站；徐敏珍等[7]对机器人码垛工作站的整列输送装置进行了设计；王功亮等[8]针对码垛机器人生产线仿真存在的问题，利用Robotstudio搭建了码垛机器人的虚拟工作站，完成了工业机器人运行程序离线编程，并同步到了实际的生产中。

在实际生产作业中，码垛生产线多为单一的产品输送线，机器人的目标作业对象较少，导致生产设备利用率低、工厂成本回收周期长。随着用工成本的提高，生产设备的利用率和自动化程度成为企业提升竞争力的关键。

本文基于欧姆龙NJ系列控制器设计一套多规格箱体码垛工作站。

1 码垛工作站方案

1.1 码垛工作站组成、布局确定

根据生产要求，码垛工作站主要包括5个工序：进料辊道线、生产信息采集、分拣入库、工业机器人码垛和自动排放栈板。

本文通过扫码枪和控制器的配合使用，实现对箱体条形码内生产信息的采集。当扫码信息不符合要求，箱体自动进入人工复检工位进行人工复检，复检后进行再次信息采集，直至满足生产要求。考虑到箱体在进行分拣时需要精准定位，采用一台进库小车、一台出库小车和6条暂存辊道线进行配合使用。由于箱体的规格不同，在工业机器人码垛前采用定位装置，对箱体位置进行调整。为了实现栈板的自动摆放、定位和输送，本研究采用栈板机和栈板输送线配合使用。

码垛工作站的整体布局如图1所示。

图1 码垛工作站的整体布局

1.2 工作过程规划

根据生产要求和工艺特点，结合工作站生产设备的布局，本文对工作站工作过程进行规划，其流程图如图2所示。

图2 工作站工作流程图

图2中，入口处的进料均为包装完全的箱体，根据要求对每个箱体上的条形码进行生产信息采集，符合要求的进行码垛存储；满足生产要求的箱体经过信息采集存储，后经由进库小车根据生产信息，输送至对应的暂存辊道线进行暂存；当单条暂存辊道线的箱体储存数量达到8个，出库小车开始将该条暂存辊道线内的箱体输送到排料辊道线，同时机器人根据箱体的生产信息进行对应码垛程序的调用；当定位装置对箱体完成定位，机器人开始码垛；码垛完成时，栈板辊道线启动，同时栈板机在码垛工位自动排放新的栈板。

2 控制系统设计

2.1 控制单元组成

码垛工作站主要是完成不同规格箱体的自动分类，使箱体传送过程流畅运行。因此，控制系统包括进料辊道线、生产信息采集、进库移动小车、暂存辊道线、出库移动小车等9个控制单元。各个控制单元完成相应的工序后，向控制器发出完成信号，控制器向下一个工序发出启动信号。本研究采用欧姆龙NJ101-9020型号控制器[9]。HMI采用欧姆龙NS10-TV01B触摸屏。

2.2 通信系统的建立

欧姆龙NJ系列控制器内置了两种统一开放的工业以太网通讯协议，可以建立机械设备与控制网络和工厂网络之间的无缝连接[10]。

控制系统采用工业以太网的通讯方式。欧姆龙NJ系列控制器使用Sysmac studio自动化软件进行编程和配置，Sysmac studio支持周边设备、控制器和EtherCAT设备的整合开发环境[11]。

通信系统结构图如图3所示。

图3 通信系统结构图

2.2.1 生产信息采集

在进行数据传输时，网络层将数据报由一台主机传送到另一台主机的过程中，经常会发生数据的丢失、失序及重复。因此，控制器通过Socket TCP与扫码枪进行通讯，运输层TCP协议使用错误重传机制，实现两台主机应用进程间的可靠通信[12]。创建连接时，服务端应用程序监听Socket，之后客户端应用程序创建连接Socket，向服务端发送请求，服务端等待并接收连接请求，当服务端接收请求后创建连接Socket[13]。

控制器与上位SQLserver数据库通过EtherNet/IP进行通讯连接后，控制器对扫码得到的包装条码进行解析，通过搜索数据库中的信息，获取目的地、生产周、机种、批号等生产信息；箱体根据生产信息的具体类别进行分拣入库。

2.2.2 暂存辊道线

产品在进行生产过程中，产品生产信息连续相同的箱体会出现栈板码垛不完全(数量少于8个)的情况。根据规定的生产要求，栈板码垛不完全的产品不能进行仓库存储。针对这一问题，本研究采用6条暂存辊道线，每条暂存辊道线上能完成8台产品的存储，当该条暂存辊道线上箱体的数量达到8台，控制器控制出库小车，将暂存辊道线上的箱体运输至排料辊道线，经定位后进行机器人码垛。

3 工业机器人码垛程序设计

码垛产品的外壳材质均为铸铁，在进行包装的时候会附带许多的零配件，每个箱体的质量从几十斤到上百斤不等。结合生产要求，在码垛作业过程中，机器人的运行路径要求为：(1)箱体码垛过程中不能发生碰撞；(2)箱体需进行位姿调整，满足入库存储要求；(3)最大限度地保证箱体运行安全。

3.1 路径规划

3.1.1 垛型分析

本研究以托盘的中心为原点建立用户坐标系，对码垛垛型进行设计，如图4所示。

图4 码垛垛型

在三维空间中，以位姿的形式表示每个箱体的空间位置和姿态[14-15]。定义箱体的长为l，宽为w，高为h，箱体之间的间隙为d，栈板长度L，栈板宽度W，箱体的方位角度为A。

箱体1顶部的中心坐标x1为：

(1)

箱体1顶部的中心坐标y1为：

(2)

箱体1顶部的中心坐标z1为：

z1=h

(3)

在进行箱体码垛过程中，建立以机器人TCP为原点的工具坐标系。进行栈板第一层箱体码放时，机器人TCP在用户坐标系中的位置矢量为：

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

(4)

将位置矢量利用齐次坐标表示如下：

(5)

在用户坐标系中，以箱体1为基准，定义箱体2的变换位姿为T2，箱体3的变换位姿T3，箱体4的变换位姿T4，即：

(6)

(7)

(8)

在用户坐标系中，对箱体1进行相应的位姿变换，可得剩余箱体的位置矢量，即：

箱体2的位置矢量P2′为：

(9)

箱体3的位置矢量P3′为：

(10)

箱体4的位置矢量P4′为：

(11)

在进行栈板第二层箱体码垛中：

箱体5顶部的中心坐标x5为：

(12)

箱体5顶部的中心坐标y5为：

(13)

箱体5顶部的中心坐标z5为：

z5=2h

(14)

箱体5的位置矢量用齐次坐标表示如下：

(15)

在用户坐标系中，以箱体5为基准，定义箱体6的变换位姿为T6，箱体7的变换位姿T7，箱体8的变换位姿T8。箱体5进行相应的位姿变换，可得剩余箱体的位置矢量。

只要提供箱体的规格参数，即可确定箱体在用户坐标系中的箱体位姿。以9000C型号箱体为例：l=710 mm，w=300 m，h=770 mm，d=30 mm；栈板的长度L=1 100 mm，W=1 100 mm。

箱体空间位姿如表1所示。

表1 箱体空间位姿

3.1.2 仿真模型搭建

RoboGuide是针对于FANUC工业机器人开发的一款离线编程软件[16]。该码垛工作站使用FANUC公司M-410ic/185码垛机器人，末端最大负载185 kg。首先在RoboGuide中创建一个Workcell，然后顺序导入在Solidwork中3D模型；根据表1中的箱体空间位姿，对箱体进行仿真分析。

码垛工作站仿真模型如图5所示。

图5 码垛工作站仿真模型

3.2 码垛程序设计

RoboGuide使用软件中的虚拟TP可对机器人进行示教编程，实现机器人单元运动的仿真[17]。在进行码垛的过程中，为保证箱体之间不发生碰撞，笔者使用RoboGuide软件自带的碰撞检测功能，对码垛程序进行验证。碰撞检测结果验证了所设计的机器人运动路径可以使用于工业生产。

本研究将RoboGuide中设计的程序拷贝到机器人的示教器中进行生产运行测试。

码垛工作站实物图如图6所示。

图6 码垛工作站实物图

码垛测试结果表明：与人工码垛相比，码垛工作站生产效率、稳定性明显提高。

实验及结果分析如表2所示。

表2 实验及结果分析

4 结束语

本文根据工艺流程和生产需求，完成了码垛工作站的整体设计，建立了以欧姆龙NJ101-9020控制器为核心的控制系统；在RoboGuide中建立了码垛工作站的仿真模型，进行了仿真分析。现场实验结果表明：

(1)降低了设备成本，节省了作业空间，提高了生产效率；

(2)通过建立信息流，实现了工序间的自动化转换，提高了自动化水平；

(3)提高了码垛程序编写的效率，使用RoboGuide中的碰撞检测功能，验证了码垛程序的正确性，提高了码垛安全性，降低了产品的损坏率。