自動(dòng)裝箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周建洪，賈衛(wèi)東，張玉龍，李澤明

（遼寧科技大學(xué) 遼寧 鞍山 114051）

自動(dòng)裝箱碼垛機(jī)械手在現(xiàn)代碼垛包裝線上占有重要的地位，用人工來完成這項(xiàng)工作，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等諸多的弊端，也無法滿足包裝線發(fā)展的需求，采用自動(dòng)化的操作手段已經(jīng)成為必然的趨勢[1]。自動(dòng)裝箱碼垛機(jī)械手在日本、德國等發(fā)達(dá)國家在上個(gè)世紀(jì)九十年代已經(jīng)在推廣搬運(yùn)、碼垛的自動(dòng)化和機(jī)器人化方面取得了顯著進(jìn)展，最近幾年我國的機(jī)械手搬運(yùn)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，應(yīng)用十分廣泛[2]。

1 自動(dòng)裝箱系統(tǒng)的組成及工作原理

現(xiàn)在產(chǎn)品包裝線上的裝箱碼垛作業(yè)主要依靠人工搬運(yùn)來完成，為了節(jié)省人力成本，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，設(shè)計(jì)了此自動(dòng)裝箱系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)是針對(duì)包裝完畢的小型電器包裝盒進(jìn)行自動(dòng)裝箱工作[3]。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際需要，自動(dòng)裝箱系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。自動(dòng)裝箱系統(tǒng)有碼垛機(jī)械手部分、包裝盒定位部分、紙箱定位輸送3部分組成。圖中1、2、3、4軸構(gòu)成了機(jī)械手的主體部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝盒的抓取、搬運(yùn)與裝箱等的動(dòng)作。底座的作用是固定機(jī)械手，與地面用螺栓連接，是機(jī)械手穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。1軸在底座水平方向上做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，由伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂朝向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)到包裝盒或紙箱方向。2軸在水平方向做徑向運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂徑向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手夾爪運(yùn)動(dòng)到包裝盒或紙箱的中心位置正上方。3軸在豎直方向做高程運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手高程直線運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)到包裝盒或紙箱位置，抓取或放置包裝盒。4軸在水平方向做軸向運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)M4驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕部軸向運(yùn)動(dòng)，調(diào)整手爪的姿態(tài)，以便于準(zhǔn)確的抓取和放置包裝盒[4]。

啟動(dòng)機(jī)械手后，當(dāng)包裝盒定位處的光電開關(guān)檢測到有包裝盒，單片機(jī)通過USART串口處的條碼掃描儀獲得包裝盒上的條碼信息，記錄下包裝盒的類型；紙箱定位處的光電開關(guān)檢測到紙箱定位好時(shí)，單片機(jī)通過USART串口處的條碼掃描儀獲得紙箱上的條碼信息，記錄下紙箱類型，系統(tǒng)會(huì)查表確定裝箱方案。然后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到包裝盒放置處抓取包裝盒、運(yùn)送、裝箱，直到箱子裝滿，傳送走后，等待下一個(gè)箱子到來繼續(xù)裝箱。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖2為控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。系統(tǒng)采用STM32F103XX系列單片機(jī)作為控制核心，由它通過RS-485總線與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械動(dòng)作，圖2中1#～4#伺服電機(jī)分別對(duì)應(yīng)機(jī)械手的四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)，由對(duì)應(yīng)的4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，用于完成對(duì)包裝盒的抓取、運(yùn)送、裝箱等操作。單片機(jī)通過IO接口與外部開關(guān)量輸入輸出信號(hào)相連，開關(guān)量輸入部分負(fù)責(zé)獲取各個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的極限位置信號(hào)和各個(gè)工位狀態(tài)的限位開關(guān)信號(hào)。包括極限位置的檢測信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器備妥狀態(tài)信號(hào)，以及各個(gè)工位狀態(tài)信號(hào)。系統(tǒng)的開關(guān)量輸出部分包括夾爪電磁鐵的吸合和松開，以及聲光報(bào)警功能的控制。單片機(jī)通過USART串口處的條碼掃描儀讀取包裝盒和紙箱上的條碼信息，通過查表確定裝箱方案。工業(yè)計(jì)算機(jī)用來顯示和存取數(shù)據(jù)，通過RS-232串口通訊與單片機(jī)進(jìn)行通訊。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路原理圖Fig.2 Control system hardware circuit diagram

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要完成對(duì)小型電器產(chǎn)品包裝盒的抓取和裝箱操作，啟動(dòng)機(jī)械手后，系統(tǒng)開始自檢，自檢完成后，檢測包裝盒是否就位，紙箱就位后記錄紙箱的類型，包裝盒就位后記錄包裝盒的類型，系統(tǒng)查表確定裝箱方案。然后自動(dòng)裝箱系統(tǒng)完成對(duì)包裝盒的抓取、運(yùn)送、裝箱操作，直到紙箱裝滿，傳送走后，等待下一紙箱到來繼續(xù)裝箱[5]。

3.1 紙箱內(nèi)包裝盒擺放方式的計(jì)算

根據(jù)任務(wù)要求，小型電器產(chǎn)品包裝盒共有3類，1類包裝盒的規(guī)格為 155×77×100 mm；2類包裝盒的規(guī)格為 150×70×100 mm，3類包裝盒的規(guī)格為140×70×100 mm。紙箱共3類，1 號(hào)紙箱規(guī)格為 470×370×260 mm，2 號(hào)紙箱規(guī)格為 470×370×360 mm，3號(hào)紙箱規(guī)格為560×430×350 mm。則裝箱方案如表1所示。

表1 裝箱方案Tab.1 Packing scheme

為了確定每個(gè)方案的具體裝箱方案，建立抽象的數(shù)學(xué)模型，機(jī)械手系統(tǒng)為4軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，建立三維坐標(biāo)系來表示各個(gè)點(diǎn)的位置。坐標(biāo)中各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為（θ，r，h），機(jī)械手抓的轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)為β，各坐標(biāo)參量的物理意義如下：

θ：1#軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)量，表示機(jī)械手朝向運(yùn)動(dòng)，其范圍是θ∈（－170°，170°）；

r：2#軸的相對(duì)位移量，表示機(jī)械手臂展徑向運(yùn)動(dòng)，其范圍是 r∈（－50 mm，1050 mm）；

h：3#軸的相對(duì)位移量，表示機(jī)械手高程直線運(yùn)動(dòng)，其范圍是 h∈（－50 mm，550 mm）；

β：4#軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)量，表示機(jī)械手腕部軸向運(yùn)動(dòng)，其范圍是 β∈（－170°，170°）。

已知紙箱左下角一點(diǎn)坐標(biāo)為 OB（θB，rB，hB），紙箱尺寸為L_Box、W_Box、H_Box，包裝盒工位上的包裝盒中心坐標(biāo)為OM（θM，rM，hM），包裝盒尺寸為 L_Object、W_Object、H_Object。

計(jì)算出每箱的層數(shù)，每層的行數(shù)和列數(shù)。

層數(shù)=取整數(shù)部分（紙箱的高/包裝盒的高）

行數(shù)=取整數(shù)部分（紙箱的長/包裝盒的長或?qū)挘?/p>

列數(shù)=取整數(shù)部分（紙箱的寬/包裝盒的寬或長）

例如：F1方案，1號(hào)紙箱，其尺寸為：L_Box=470mm、W_Box=370mm、H_Box=260mm；放置1類包裝盒，其尺寸為：L_Object=155mm、W_Object=77mm、H_Object=100mm

該紙箱可以擺放層數(shù)為：層數(shù)=取整（紙箱的高/包裝盒的高）=取整（260/100）=2（層）

每層可以擺放的行數(shù)=取整 （紙箱的長/包裝盒的長）=取整（470/155）=3（行）或

取整（紙箱的長/包裝盒的寬）=取整（470/77）=6（行）

每層可以擺放的列數(shù)=取整 （紙箱的寬/包裝盒的寬）=取整（370/77）=4（列）或

取整（紙箱的寬/包裝盒的長）=取整（370/155）=2（列）

所以，該紙箱中包裝盒的擺放方式有兩種，分別為：第一種方案，三層，每層分3行4列，包裝盒的長與紙箱的長所在的直線相平行；第二種方案，三層，每層分6行2列放置，包裝盒的長與紙箱的寬所在直線相平行。我們選擇第一種方案。

因此，相鄰兩列的間距為：dC＝（370－4*77）/5=12.4＞10

相鄰兩行的間距為：dL＝（470－3*165）/4=1.25＜10

當(dāng)間距dC和dL大于10 mm時(shí)，按10 mm計(jì)算，當(dāng)間距小于10 mm時(shí)，按實(shí)際所求計(jì)算，但當(dāng)間距小于1 mm時(shí)，認(rèn)為方案不成立。

3.2 各包裝盒中心坐標(biāo)計(jì)算算法

計(jì)算出包裝盒的擺放方式后，就可以根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系求得各個(gè)包裝盒中心在紙箱內(nèi)的相對(duì)位置，其中紙箱左下角一點(diǎn) OB（θB，rB，hB）的各個(gè)坐標(biāo)為已知的。 共分為兩層，每一個(gè)包裝盒的中心坐標(biāo)設(shè)為 OX（θX，rX，hX），其中 X=12（i－1）+4（j－1）+k，i=1，2 表示層數(shù)，j=1，2，3 表示行數(shù)，k=1，2，3，4，表示列數(shù)。 因此 OX也可以表示為 O（i，j，k），其坐標(biāo)表示為（θ（i，j，k），r（i，j，k），h（i，j，k）），機(jī)械手爪轉(zhuǎn)角為 β（i，j，k）。 根據(jù)包裝盒在紙箱內(nèi)擺放 的 方 式 可 知 ，h（i+1，j，k）=h（i，j，k）－H_Object，θ（s+1，j，k）=θ（i，j，k），r（i+1，j，k）=r（i，j，k），β（i+1，j，k）+12=β（i，j，k）。 在 同 層 中 任 意 兩 包 裝 盒 的 中 心 坐標(biāo)，都有：h（i，j1，k1）=h（i，j2，k2）。

圖3 包裝盒中心在機(jī)械坐標(biāo)系內(nèi)的平面示意圖Fig.3 Plan sketch of the box in the center of the machine coordinate system

包裝盒中心在機(jī)械坐標(biāo)系內(nèi)的平面示意圖如圖3所示，從圖中不難看出，各點(diǎn)的直角坐標(biāo)關(guān)系都可以從OB坐標(biāo)推導(dǎo) 而 得 ，因 此 設(shè) 各 點(diǎn) 的 直 角 坐 標(biāo) 為 O（i，j，k）（X（i，j，k），Y（i，j，k）），它 的極坐標(biāo)就是 O（i，j，k）（θ（i，j，k），r（i，j，k）），同時(shí)設(shè) OB的直角坐標(biāo)為（XB，YB），具體關(guān)系如下：

其中：XB=rB*cosθB，YB=rB*sinθB

根據(jù)極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得：

最后整理變換公式如下：

而從圖 3 中可知，4# 軸伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角 β（i，j，k）與 1# 軸伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角 θ（i，j，k）相等。 這里認(rèn)為當(dāng) 4# 軸使得機(jī)械手爪與臂展 r垂直時(shí)，其 β（i，j，k）=0，那么不難求出：β（i，j，k）=θ（i，j，k）

至此，我們可以通過已知的OB點(diǎn)坐標(biāo)，以及紙箱、包裝盒的尺寸，計(jì)算出將要擺放到紙箱內(nèi)的每一包裝盒的中心OX的坐標(biāo)。

例如方案 F1，已知 OB在 XY 坐標(biāo)系中的坐標(biāo) OB（XB，YB）為 OB（365，350），hB=780 mm， 則 OB（θB，rB，hB） 為 （43.80°，505.69，780），由于第一層和第二層包裝盒的中心坐標(biāo)除了高度 h（i+1，j，k）=h（i，j，k）－H_Object 外 ，θ（i+1，j，k）=θ（i，j，k），r（i+1，j，k）=r（i，j，k）， 機(jī) 械手爪的旋轉(zhuǎn)角度 β（i，j，k）=θ（i，j，k），表 2 中只列出第一層各個(gè)點(diǎn)的中心坐標(biāo)，其余方案中包裝盒的中心坐標(biāo)也是按照此方法計(jì)算[6]，則方案F1中裝有包裝盒的紙箱內(nèi)第一層各點(diǎn)中心位置的坐標(biāo)如表2所示。

3.3 自動(dòng)裝箱控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)計(jì)算出了紙箱內(nèi)各個(gè)包裝盒將要擺放的位置的坐標(biāo)之后，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制策略也就迎刃而解了。首先機(jī)械手裝箱的流程如下。

表2 方案1紙箱內(nèi)第一層各點(diǎn)中心位置的坐標(biāo)Tab.2 Cartons each point center position coordinates of the first layer in Plan 1

1）啟動(dòng)機(jī)械手后，系統(tǒng)自檢，機(jī)械手復(fù)歸到起點(diǎn)（機(jī)械零點(diǎn)或任意已知的初始位置）

2）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到 OM（θM，rM，hM）點(diǎn)抓取包裝盒；

3）機(jī)械手運(yùn)送包裝盒到紙箱內(nèi)指定的包裝盒位置裝箱；

4）判斷紙箱是否已經(jīng)裝滿，如未滿，則重復(fù) 2）、3），直至紙箱裝滿。

5）裝箱完畢，運(yùn)走紙箱，等待裝下一箱。

在這個(gè)過程中，每一次運(yùn)動(dòng)都是從一個(gè)已知點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)已知點(diǎn)，比如從取包裝盒點(diǎn)

OM（θM，rM，hM）運(yùn)動(dòng)到 OX（θX，rX，hX），只需要計(jì)算各個(gè)坐標(biāo)的差，就可以得到對(duì)應(yīng)軸的相對(duì)位移量，如 ΔθX=θX-θM，為 1#軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，Δr=rX-rM為2#軸的相對(duì)位移。同理，當(dāng)機(jī)械手臂需要從 OX點(diǎn)再到 OM點(diǎn)抓取時(shí)，Δθ=θM-θX為 1#軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，只是此時(shí)的方向與原來相反而已。因此，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑其實(shí)就是計(jì)算每次運(yùn)動(dòng)的偏移向量Offset（Δθ，Δr，Δh），程序流程圖如圖 4 所示。

4 結(jié) 論

本文是針對(duì)某小型電器產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)線的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)裝箱系統(tǒng)，該自動(dòng)裝箱系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，是針對(duì)生產(chǎn)線上電器產(chǎn)品的包裝盒，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝箱系統(tǒng)機(jī)械手抓取、運(yùn)送、裝箱的功能。本自動(dòng)裝箱系統(tǒng)還可以用于對(duì)藥盒、食品盒、塑料盒等的搬運(yùn)碼垛，因此本設(shè)計(jì)研究的自動(dòng)裝箱系統(tǒng)還可以廣泛應(yīng)用于物流自動(dòng)化行業(yè)中的物料搬運(yùn)、碼垛等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。

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