直角坐標(biāo)機(jī)器人瓶坯裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

朱學(xué)建 馬 永 馮 渝 曾繁莊 趙 偉

（武漢人天包裝技術(shù)有限公司電氣所，湖北 武漢 430205）

瓶坯裝箱是瓶坯生產(chǎn)工藝中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)運(yùn)箱既是對(duì)產(chǎn)品的一種保護(hù)，又是方便產(chǎn)品搬運(yùn)、運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)媒介。在實(shí)際生產(chǎn)中，瓶坯形狀比較特殊，裝箱工藝涉及到瓶坯的排列、抓取以及規(guī)則碼放等多種問(wèn)題，因此一直沒(méi)有很好的自動(dòng)化解決方案。目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)在瓶坯裝箱工序上采用的都是人工碼放的方式。通常1臺(tái)注塑機(jī)需要5個(gè)以上的工人碼放瓶坯，工人和瓶坯直接接觸產(chǎn)生的二次污染，一直是企業(yè)的食品安全隱患，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，大大影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

筆者所在的公司針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)出了一套直角坐標(biāo)機(jī)器人裝置，專門(mén)適應(yīng)于瓶坯裝箱應(yīng)用。通過(guò)依托于這種機(jī)器人的生產(chǎn)線組合，實(shí)現(xiàn)了裝箱過(guò)程中的無(wú)人化操作，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線安全性，大幅度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了瓶坯裝箱過(guò)程中的二次污染。

1 技術(shù)要求

該生產(chǎn)線的主要技術(shù)要求：

（1）完成瓶坯的輸送、排列、規(guī)則碼放以及周轉(zhuǎn)箱的輸送全過(guò)程。

（2）適用物料：5L 食用油塑料瓶坯，圓柱形瓶身，圓錐形瓶底。

（3）物料規(guī)格：塑料瓶坯直徑Φ45mm，長(zhǎng)度164mm。

（4）裝箱方式（個(gè)數(shù)×列數(shù)×層數(shù)）：21×6×22。

（5）生產(chǎn)能力：72 只／24s（瓶坯注塑機(jī)模具為72 只，24s一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)）。

（6）轉(zhuǎn)運(yùn)箱外形尺寸（L×B×H 內(nèi)空）：1 020 mm×1 020mm×900mm。

2 設(shè)備工作原理

生產(chǎn)線主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：雙列瓶坯整列機(jī)、雙列瓶坯排列機(jī)、瓶坯裝箱機(jī)以及托盤(pán)輸送機(jī)。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of equipment

瓶坯從注塑機(jī)出來(lái)經(jīng)過(guò)提升輸送機(jī)進(jìn)入瓶坯整理機(jī)，雜亂無(wú)章的瓶坯排列成一條線進(jìn)入瓶坯排列機(jī)，讓瓶坯安照規(guī)定的要求排列，然后進(jìn)入瓶坯裝箱機(jī)，裝箱機(jī)抓手將在抓取排列工位上排列好的瓶坯吸取后按照規(guī)定的裝箱方式放置在經(jīng)過(guò)托盤(pán)輸送機(jī)輸送過(guò)來(lái)的周轉(zhuǎn)箱中。瓶坯的抓取和放置由直角坐標(biāo)機(jī)器人來(lái)完成。裝箱生產(chǎn)線主要工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 裝箱生產(chǎn)線主要工藝流程圖Figure 2 Packing production line process flow diagram

3 解決方案及解決思路

3.1 裝箱生產(chǎn)線方案

直角坐標(biāo)機(jī)器人抓手動(dòng)作如圖3所示。整個(gè)抓手動(dòng)作分3個(gè)區(qū)域：E區(qū)（抓取動(dòng)作區(qū)域）、F 區(qū)（過(guò)渡區(qū)域）以及G區(qū)（放置區(qū)域）［1］，抓手在3個(gè)區(qū)域內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成抓取和放置的動(dòng)作，用直角坐標(biāo)機(jī)器人完成瓶坯裝箱的具體動(dòng)作可以分解為以下幾個(gè)動(dòng)作：抓手在A 點(diǎn)等待抓取，當(dāng)瓶坯排列好到抓取位置后，抓手運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)將瓶坯拾取然后回到A點(diǎn)，完成抓取動(dòng)作［2］，當(dāng)周轉(zhuǎn)箱到達(dá)規(guī)定放置位置后，抓手首先到達(dá)B點(diǎn)然后運(yùn)行到D 點(diǎn)放置瓶坯，放置完成以后原路返回A 點(diǎn)等待抓取完成一個(gè)裝箱動(dòng)作。

圖3 機(jī)器人抓手動(dòng)作位置圖Figure 3 Location map of robot gripper action

3.2 控制系統(tǒng)解決方案

從上面的動(dòng)作要求來(lái)看，整個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人的抓手部分需要通過(guò)兩個(gè)軸來(lái)完成，分別是X 軸，Y 軸，為了保證整個(gè)裝箱工序的連續(xù)性，這里在抓取點(diǎn)增加一個(gè)Z軸，Z軸主要是用來(lái)銜接前端瓶坯的排列和后端的機(jī)器人抓取裝箱，將排列好的瓶坯轉(zhuǎn)移到抓取點(diǎn)等待抓取［3］。在這里3個(gè)軸使用的是施耐德公司的LXM32A 交流伺服電機(jī)，使用的是絕對(duì)值編碼器［4］?？刂坪诵氖褂玫氖鞘┠偷碌腗238 可編程控制器［5］，控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)路由兩部分組成：①CANOPEN 網(wǎng)路，它控制3臺(tái)伺服電機(jī)來(lái)完成瓶坯的輸送、抓取以及放置；②支持Modbus的串口通訊，用于人機(jī)交互?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Control system structure

4 具體程序方案

4.1 CANOPEN 通信

在控制系統(tǒng)中，沒(méi)有使用傳統(tǒng)的IO 信號(hào)來(lái)控制伺服電機(jī)而是使用CANOPEN 總線來(lái)控制伺服電機(jī)［6］，這樣就可以使用施耐德的軟件平臺(tái)SoMachine所提供的功能塊來(lái)直接控制伺服電機(jī)動(dòng)作，控制既快捷又穩(wěn)定［7］。組建CANOPEN 通信主要分兩個(gè)步驟：①連接通信線，設(shè)定伺服驅(qū)動(dòng)器站號(hào)；②在SoMachine平臺(tái)里面組態(tài)伺服控制系統(tǒng)。通信連接以后對(duì)伺服系統(tǒng)使能，這個(gè)時(shí)候伺服電機(jī)就通過(guò)通信總線處于受控狀態(tài)［8］。使能功能塊如圖5所示。

圖5 伺服使能功能塊Figure 5 Servo enable function blocks

其中Axis對(duì)應(yīng)的伺服軸的組態(tài)編號(hào)，Enable為功能塊的觸發(fā)信號(hào)，在SoMachine平臺(tái)里面所有功能塊這兩個(gè)引腳的作用是相同的。

4.2 對(duì)伺服進(jìn)行標(biāo)定

由于系統(tǒng)所使用的伺服電機(jī)是帶絕對(duì)值編碼器的，那么在第1次上電的時(shí)候必須給3臺(tái)伺服電機(jī)做標(biāo)定，記錄電機(jī)編碼器的位置，以此作為一個(gè)參考點(diǎn)，來(lái)定義伺服具體處于哪個(gè)位置，標(biāo)定功能塊如圖6所示。

4.3 讀取伺服當(dāng)前位置

完成通信和標(biāo)定以后就可以讀出伺服當(dāng)前位置，點(diǎn)動(dòng)伺服電機(jī)到程序動(dòng)作所要求的坐標(biāo)點(diǎn)，然后記錄當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，標(biāo)定當(dāng)前生產(chǎn)位置參數(shù)，讀取參數(shù)功能塊如圖7所示。

圖6 伺服標(biāo)定功能塊Figure 6 Servo calibration function blocks

圖7 伺服讀取參數(shù)功能塊Figure 7 Servo read of the parameters of function blocks

4.4 控制伺服電機(jī)運(yùn)行到當(dāng)前位置

通過(guò)如圖8所示功能塊可以控制系統(tǒng)運(yùn)行到指定位置。其中Axis為定義當(dāng)前伺服軸，Execute為整個(gè)模塊的觸發(fā)信號(hào)，這里對(duì)上升沿有效，Position為要求伺服需要到達(dá)的位置，Velocity為伺服運(yùn)行的速度，從3.1節(jié)中可以看出抓取和放置的動(dòng)作分解開(kāi)來(lái)實(shí)際上就是控制伺服電機(jī)運(yùn)行到不同的位置，假設(shè)這個(gè)時(shí)候要求抓手從等待抓取位運(yùn)行到抓取位置，只需要按以下幾個(gè)步驟來(lái)做就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作。首先需要對(duì)伺服運(yùn)行功能塊定義伺服軸，就是對(duì)Axis定義，然后對(duì)功能塊的目標(biāo)位置（position）和運(yùn)行速度（velocity）進(jìn)行設(shè)置，最后給觸發(fā)信號(hào)（execute）一個(gè)上升沿的觸發(fā)，整個(gè)模塊啟動(dòng)，伺服電機(jī)運(yùn)行到指定位置后會(huì)自動(dòng)停下來(lái)，然后功能塊中Done會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)表示已經(jīng)執(zhí)行完控制命令。編寫(xiě)邏輯控制程序來(lái)控制3個(gè)伺服電機(jī)在不同的情況下運(yùn)行到不同的位置，從而達(dá)到瓶坯的輸送排列以及裝箱的要求。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用狀況和前景

圖8 伺服運(yùn)動(dòng)功能塊Figure 8 Servo Motion function blocks

該生產(chǎn)線已經(jīng)得到食用油瓶坯生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)驗(yàn)證，現(xiàn)已正式投入使用。從現(xiàn)場(chǎng)的使用情況來(lái)看，實(shí)際生產(chǎn)速度大于72只／24s，整個(gè)瓶坯的裝箱過(guò)程中，只需要1名工人來(lái)操作設(shè)備，大幅提高了該工序的生產(chǎn)效率，整個(gè)系統(tǒng)瓶坯的輸送以及抓取碼放誤差不超過(guò)1mm，系統(tǒng)故障率低于0.5%，瓶坯的輸送以及抓取裝箱全部都是通過(guò)機(jī)械動(dòng)作完成，沒(méi)有任何的人工干預(yù)，消除了瓶坯的二次污染隱患。通過(guò)幾個(gè)月的生產(chǎn)考驗(yàn)，證明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能滿足塑料瓶坯企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求。

直角坐標(biāo)機(jī)器人是一種包裝行業(yè)最新技術(shù)成果，該結(jié)構(gòu)具有速度快，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。該裝置除了瓶坯裝箱也可應(yīng)用于其它形狀規(guī)則包裝物的裝箱生產(chǎn)線，通過(guò)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造也能應(yīng)用在速度較高的抓取式裝箱、排列的各種場(chǎng)合。

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