自動碼垛包裝線上機器人的應(yīng)用

張 鈞 單世平

（蘭州石化公司電儀事業(yè)部 甘肅 蘭州 730060）

0 概述

目前機器人在自動碼垛包裝線上大量使用，已替代原來由人工碼垛的工作，實現(xiàn)了機器人自動碼垛機，減少了大量勞動力和勞動強度，大大提高了生產(chǎn)的效率。

1 機器人硬件組成

機器人由通用執(zhí)行機構(gòu)、檢測、控制系統(tǒng)、手持示教控制器、手爪及人機界面五大部分組成。具體如下：

1.1 執(zhí)行機構(gòu)

即機器人本體，其中的運動部（轉(zhuǎn)動部和移動部）稱為關(guān)節(jié)，從仿生學(xué)角度將機械人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、平衡缸、腰部、臂部、碗部和手部。

1.2 檢測、控制系統(tǒng)

包括機器人控制柜，碼垛機控制柜，機器人6個軸的伺服數(shù)據(jù)采集卡、編碼器、測溫元件及限位開關(guān)組成；手爪控制部件由接近開關(guān)、光電開關(guān)、電磁閥及氣缸等組成。

機器人控制系統(tǒng)的核心是機器人控制柜，其硬件組成如下：計算控制單元；軸計算單元；電源模塊；整流單元；電容器儲能單元；伺服驅(qū)動單元；通訊控制單元；繼電器控制單元；串行測量電路板；后備電池及以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)；強制風(fēng)冷單元；急停開關(guān)、鑰匙開關(guān)及按鈕控制等組成。

1.3 手持示教控制器

手持示教控制器是機器人軟件設(shè)置、編輯程序、參數(shù)設(shè)置、故障診斷、零點校對、抓取膠塊點示教、膠塊卸垛點示教等。

1.4 手爪

手爪是機器人抓取膠塊的部件。包括連接閥蘭、夾板、直線導(dǎo)軌、電磁閥、汽缸、接近及光電開關(guān)等。

1.5 人機界面

人機界面是對碼垛機控制進(jìn)行操作，是連接碼垛控制柜和機器人控制柜總線通訊，人機界面主畫面共有7個按鈕，包括“工作參數(shù)查詢”、“初始參數(shù)設(shè)定”、“I/O 點操作”、“系統(tǒng)故障查詢”、“手動操作”、“自動操作”、“要求回零界面”，根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)按鈕操作實現(xiàn)機器人的自動碼垛等工作。

2 控制系統(tǒng)組成

控制器可以安裝一個或多個系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Robot Ware5&Robot Studio5軟件開發(fā)橡膠碼垛應(yīng)用功能，應(yīng)用程序用稱為RAPID編程語言的特定詞匯和語法編寫而成。這種編程語言包含了一些英文指令。指令能實現(xiàn)的功能很強大，可以移動機器人、配置輸出、讀取輸入。還能實現(xiàn)決策、重復(fù)其它指令、構(gòu)造程序、與系統(tǒng)操作員交流等。

2.1 應(yīng)用程序組件包括的內(nèi)容

2.1.1 任務(wù)。包含了一個RAPID程序和系統(tǒng)模塊，并實現(xiàn)一種特定的功能。

2.1.2 任務(wù)屬性參數(shù)：設(shè)置所有任務(wù)項目的特定屬性。

2.1.3 程序：通常都包含具有不同作用的 RAPID代碼的程序模塊。所有程序必須定義可執(zhí)行的錄入例行程序。

2.1.4 程序模塊：每個程序模塊都包含特定作用的數(shù)據(jù)和例行程序。每個模塊表示一種特定的機器人動作或類似動作。

2.1.5 數(shù)據(jù)：是程序或系統(tǒng)模塊中設(shè)定的值和定義。數(shù)據(jù)由同一模塊或若干模塊中的指令引用，其可用性取決于數(shù)據(jù)類型。

2.1.6 例行程序：包含一些指令集，指令是對特定事件的執(zhí)行請求，它定義了機器人系統(tǒng)實際執(zhí)行的任務(wù)。例行程序也包含指令需要的數(shù)據(jù)。

2.1.7 錄入例行程序：被定義為程序執(zhí)行的起點。每個程序必須含有名為main的錄入例行程序，否則程序無法執(zhí)行。

2.1.8 系統(tǒng)模塊：每個系統(tǒng)模塊都包含有實現(xiàn)特定功能的數(shù)據(jù)和例行程序。系統(tǒng)模塊通常由機器人制造商或生產(chǎn)線建立者編寫。

2.2 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

2.2.1 主機RAM內(nèi)存

RAM內(nèi)存是主機位于計算機主板上的主要內(nèi)存，內(nèi)存在所有程序執(zhí)行過程中通過處理器使用，該內(nèi)存的內(nèi)容包括：RAPID代碼；配置數(shù)據(jù)，配置文件創(chuàng)建后不能更改；文本；內(nèi)部狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)記錄所有機器人軸的狀態(tài)和位置、所有I/O以及與系統(tǒng)相連接的每一操縱器狀態(tài)等；事件日志。

2.2.2 系統(tǒng)硬盤/閃盤驅(qū)動

這是控制模塊的主要海量存儲單元，位于控制模塊前端。取決于控制器版本，存儲單元是硬盤驅(qū)動或閃盤驅(qū)動，而且大小也不同，啟動時，數(shù)據(jù)從硬盤驅(qū)動加載入RAM內(nèi)存中。如果系統(tǒng)被人為關(guān)閉，或因停電而關(guān)閉，文件將保存到控制器硬盤或閃盤中。

2.2.3 SMB板（串行測量電路板）存儲器

機器人識別數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、負(fù)荷計時器數(shù)據(jù)保存于此。

3 工作原理

碼垛機器人是整個碼垛機設(shè)備的核心部分。該碼垛機采用ABB生產(chǎn)IRC5系列碼垛機器人，該機器人臂展2.55米，有效負(fù)載180kg，該機器人是6軸多自由度運動系統(tǒng)，通過6軸的聯(lián)合運動來完成手臂水平前后運動，垂直升降運動，本體回轉(zhuǎn)運動以及手腕的旋轉(zhuǎn)運動，并保持手爪的垂直姿態(tài)。

碼垛機器人的自動動作過程是通過人為示教確定其運動起點、終點，運行軌跡由機器人通過一定算法實現(xiàn)最佳運行路經(jīng)。碼垛機器人控制平臺本身對機器人所能達(dá)到的空間位置有限位，對機器人起限位保護(hù)的作用。在機器人手腕部分有兩個電磁閥和兩個接近開關(guān)，實現(xiàn)在抓取位置的抓取檢測控制和卸垛位置的卸垛檢測控制，當(dāng)機器人手爪夾板關(guān)電磁閥得電并且手爪夾板關(guān)到位接近開關(guān)有信號以后，機器人認(rèn)為手中已經(jīng)抓住膠塊，然后才進(jìn)行下一步動作，當(dāng)機器人手爪夾板開電磁閥得電并且手爪夾板開到位接近開關(guān)有信號以后，機器人認(rèn)為手中所抓膠塊已經(jīng)放下，然后才能進(jìn)行下一步動作。碼垛機器人在抓取至卸垛的碼垛過程中同時完成編組計數(shù)的控制，以滿足4/2和2/4編組的要求，編組方式為：橫袋時2袋為一組，豎袋時4袋為一組。

圖1-1 電控系統(tǒng)工作原理框圖

4 日常維護(hù)常見故障及原因分析

機器人常見故障有：過載、電腦主板燒壞、運行程序數(shù)據(jù)丟失、本體故障、示教點坐標(biāo)數(shù)值偏差故障等。

4.1 最常見的故障是過載

過載分輕過載和重過載，發(fā)生輕過載后，機器人自動停止運行，故障復(fù)位后即可重新啟動，繼續(xù)執(zhí)行未完程序。發(fā)生重過載后，機器人“回零”失敗，只有對“零位”超程的軸進(jìn)行“校零點”后方可重新啟動。

原因分析：箱體變形；垛盤輸送輥磨損；箱體定位氣缸不到位；工藝原因，膠塊變厚；發(fā)生超程故障后機器人6個軸的某些軸找不到初始位而需要校準(zhǔn)零點位置；膠塊試教點位置變動不準(zhǔn)；由于突然停電，機器人停在某處，找不著初始位或主機數(shù)據(jù)丟失，校準(zhǔn)零點后或恢復(fù)數(shù)據(jù)后與原來有偏差；膠塊變形；操作工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；緩?fù)C上的膠塊位置不正，機器人抓偏。

4.2 機器人電腦主板燒壞

機器人電腦主板燒壞主要是過電壓引起，過電壓產(chǎn)生是由于未按正常程序進(jìn)行操作或防靜電接地不好造成。

原因分析：設(shè)備運行過程突然停電；機器人停、送電操作不當(dāng)，產(chǎn)生過電壓（剛送電后電腦還在自檢過程突然停電；剛停電后儲能電容器電壓還較高時馬上又送電，造成控制電源過電壓）；機器人“回零”，即伺服初始化過程中操作“急?！敝獾陌粹o、開關(guān)；防靜電接地不可靠。

4.3 運行程序數(shù)據(jù)丟失

運行程序數(shù)據(jù)丟失是機器人的RAM內(nèi)存中的內(nèi)部狀態(tài)，即記錄所有機器人軸的狀態(tài)和位置、所有I/O以及與系統(tǒng)相連接的每一操縱器狀態(tài)等丟失，此故障通過“備啟動”，用存儲的故障前最近一次的正確內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行啟動，此時要對碼垛機控制柜人機界面中有關(guān)塊數(shù)和層數(shù)修改后再啟動。

原因分析：設(shè)備運行過程突然停電；機器人“回零”，即伺服初始化過程中操作“急停”之外的按鈕、開關(guān)；人為誤操作造成數(shù)據(jù)丟失。

4.4 機器人本體故障

機器人手爪與本體的法蘭連接臂斷裂故障。

原因分析：手爪抓膠不牢，膠塊未完全滑落，在手爪水平運動時與裝膠箱體碰撞；機器人運動速度修改得太低，導(dǎo)致其運動軌跡變化后與裝膠箱體碰撞；其他原因，裝箱位的箱體被抬高，手爪水平運動時與裝膠箱體碰撞。

4.5 機器人示教點坐標(biāo)數(shù)值偏差故障

膠塊示教點坐標(biāo)數(shù)值偏差，引起機器人過載故障。

原因分析：是機器人多次過載故障后，在校軸的“零點”時位置偏移累積量大造成膠塊位置示教點坐標(biāo)數(shù)值偏差大引起擦箱和碰膠。

5 結(jié)論

通過上述分析，機器人長周期安全運行與維護(hù)是緊密相關(guān)的，我們必須做好每個環(huán)節(jié)，只有這樣才能使機器人工作在最佳的狀態(tài)，延長機器人的使用壽命。

［1］ABB機器人操作手冊[S].

［2］ABB機器人故障診斷手冊[S].