基于PLC的全自動飼料碼垛機器人的設計及應用研究

■王世敏

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學院，江蘇徐州 221006)

我國飼料加工企業(yè)數(shù)量眾多，競爭激烈，產(chǎn)品利潤率低，飼料加工企業(yè)向集團化、大型化整合，企業(yè)一般依靠提高產(chǎn)量來發(fā)展，單線產(chǎn)能大、機械化、自動化程度將越來越高。經(jīng)過對我國飼料加工企業(yè)在包裝、碼垛的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)包裝、碼垛主要采取以下幾種方式：①人工搬運；②手推車搬運；③輸送機輔助碼垛；④輔助包裝平臺碼垛；⑤機械手、叉車配合碼垛；⑥橋式碼垛機；⑦機械手碼垛。

目前，我國多數(shù)飼料加工企業(yè)的碼垛工作均是依靠人力碼垛，需要的工人多、工作環(huán)境差、速度慢、危險性大、工作質(zhì)量差。隨著用工荒的到來，企業(yè)的工人數(shù)量不足，嚴重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。為此，企業(yè)需要提高自動化程度，突破困境，提高競爭力，促進生產(chǎn)。一些公司有傳統(tǒng)的碼垛設備，也有一定的自動化程度，但碼垛速度緩慢、占用空間大、結(jié)構(gòu)復雜、通用性差，不適應市場發(fā)展的需要。碼垛機器人順應市場的發(fā)展而產(chǎn)生，應用在包括飼料加工企業(yè)在內(nèi)的各種企業(yè)。

1 碼垛機器人的發(fā)展

日本與瑞典是國外最早把工業(yè)機器人技術(shù)應用在物體搬運、碼放的國家。上世紀六七十年代日本將機器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)[1]。瑞典ABB公司在1974年開發(fā)了世界上第一個應用于搬運碼垛作用的機器人IRB6，主要應用于工件的取放和物料的搬運[2]。

德國KUKA碼垛機器人：是一種自動化碼垛設備，可以替代人工碼垛，機器人選擇了先進的PC控制，性能先進，KUKA碼垛機器人碼垛能達到1 000次/h，機器人操作簡單，只要將抓起點和擺放點定位準確，由電腦控制兩點之間的軌道，定位十分準確。KUKA碼垛機器人能大幅提高生產(chǎn)效率；可全天候作業(yè)，可替代大量工人的工作量。

在1978年，意大利柯馬公司研發(fā)并制造出機器人，命名為POLAR HYDRAULIC。至此之后，幾十年來，柯馬公司孜孜以求的進行技術(shù)創(chuàng)新，成為機器人自動化方向的領航者?？埋R公司研發(fā)生產(chǎn)的機器人產(chǎn)品，可負載最小為6 kg，最大負載可達800 kg。柯馬公司最新研發(fā)的SMART系列機器人在碼垛生產(chǎn)線上更為先進。

韓國現(xiàn)代重工從上世紀80年代起自主研發(fā)工業(yè)機器人，經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)取得了多項自動化方面的核心專利。韓國政府對機器人工業(yè)采取了大力的支持，進行了資金資助和政策引導，由韓國現(xiàn)代重工牽頭，在20世紀90年代僅僅用了10年形成了韓國的工業(yè)機器人體系。韓國政府近年又發(fā)布多項政策，以研發(fā)與應用第三代智能機器人為目標。使韓國機器人企業(yè)領先世界，形成智能機器人產(chǎn)業(yè)化體系。

1962年世界上第一臺機器人在美國誕生了，比日本研究機器人要早5～6年。在上世紀60年代到70年代，由于美國的失業(yè)率較高，政府擔心大量研究開發(fā)應用機器人，會使失業(yè)率更高，并沒有重點支持工業(yè)機器人的發(fā)展，只是讓為數(shù)不多的幾所大學及少數(shù)公司進行一些研究工作。在沒有政府的支持下，美國的機器人研發(fā)緩慢。80年代后期，美國的第一代機器人不能滿足生產(chǎn)需要，美國開始研發(fā)具備視覺、力覺能力的第二代機器人，迅速占領了美國大部分的機器人市場并進軍世界市場。

日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機器人的研究上做了大量工作，相應推出了自己的碼垛機器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國的KUKA系列，瑞典的ABB系列等[3]。

我國從1972年研制工業(yè)機器人，先由上海發(fā)起后北京、天津等地的科研單位和高等院校也開始研制機器人。80年代中期，在“七五”期間，國家投入大量的資金集中科研力量進行第二代工業(yè)機器人的研制，研制出弧焊、噴涂、搬運、點焊等作業(yè)機器人。90年代我國工業(yè)機器人產(chǎn)生了長足的進步。繼續(xù)開發(fā)與完善點焊、噴涂、搬運、弧焊等機器人應用技術(shù)，進一步完成交鑰匙工程。2012年，我國提出《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》、《服務機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，為我國“十二五”期間研發(fā)高智能機器人提供政策保障和支持。

2 碼垛機器人的結(jié)構(gòu)

飼料加工企業(yè)對碼垛機器人需求較大，我們基于PLC技術(shù)設計了適用于我國飼料加工企業(yè)的全自動碼垛機器人。

碼垛機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，機器人的腰部固定在底部基座上；臂部固定在腰部上，小臂又與前大臂和后大臂相連接，機械手進行抓取、搬運和碼垛。機器人的機械系統(tǒng)由4個關(guān)節(jié)組成，包括指部、腕部、肘部和腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。能實現(xiàn)4種運動:指部夾取、手腕回轉(zhuǎn)、臂部上下運動、腰部旋轉(zhuǎn)運動，由交流伺服電機進行驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)的機器人可以滿足飼料碼垛的需求。

圖1 碼垛機器人結(jié)構(gòu)

3 硬件控制系統(tǒng)的設計

采用PLCS7-200作為主控制器，進行碼垛機器人的整體控制。人機交互設備采用觸摸屏與PLC連接，用來完成人機交互相功能，機器人控制器作為軌跡運動控制器來完成飼料搬移碼垛工作的軌跡控制，控制器通過I/O輸入輸出端口卡和數(shù)據(jù)線與PLCS7-200相連，當獲得外部信息的同時就向PLCS7-200傳遞碼垛機器人當前狀態(tài)，從而實現(xiàn)碼垛機器人和外圍狀態(tài)的協(xié)調(diào)工作。而其它檢測控制器直接與PLCS7-200相連連，實現(xiàn)了相應功能。碼垛機器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、操作方便、易于維護。硬件控制系統(tǒng)的設計如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)設計

4 軟件系統(tǒng)設計

依據(jù)對碼垛機器人進行碼垛作業(yè)的要求，示教再現(xiàn)的碼垛程序流程如圖3所示進行。主程序是一個循環(huán)體，依據(jù)當前碼放飼料袋的“第幾排”“、第幾列”、“第幾層”實際情況，采用算法子程序進行計算出相對應空間坐標及各電機的位置數(shù)據(jù)，然后采用直線型插補子程序依照上述的碼垛流程實現(xiàn)碼垛作業(yè)。

圖3 碼垛程序流程

5 軟件控制系統(tǒng)設計

軟件控制系統(tǒng)通電啟動，初始化各個參數(shù)，如設置中斷方式、通信波特率、I/O口寄存器配置等，后進入待機狀態(tài)，等待控制器發(fā)來控制信號，并判斷是哪種控制指令，假如是直流電機的控制指令，就驅(qū)動機械手夾緊物品，當直流電機運動過程時，采用中斷方式持續(xù)采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，同時進行判斷，一旦達到預設值時，直流電機運動停止，說明機械手己夾緊物品，此時，等待接收控制器發(fā)來的指令；如果為搬運控制指令，則檢測壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并判斷壓力是否滿足，假如滿足則搬運、旋轉(zhuǎn)、碼放等動作，然后，返回等待下一個操作指令，假如不滿足則直流電機通電，機械手夾緊物品；假如是停止指令，則所有電機停止運動，碼垛機器人停止于當前位置并等待控制指令。如圖4所示。

圖4 軟件控制系統(tǒng)流程

6 碼垛機器人在飼料工業(yè)的應用

飼料加工的利潤很低，企業(yè)為了生存采取了擴大生產(chǎn)規(guī)模增加產(chǎn)量的策略。由于飼料加工業(yè)正處于不斷整合的時期，很多企業(yè)被更大的企業(yè)兼并。飼料加工企業(yè)向著規(guī)?；?、集團化的趨勢發(fā)展。大型企業(yè)資金雄厚、技術(shù)力量強，有能力進行自動化改造從而減少工人的使用，使生產(chǎn)成本不斷降低；而大部分的中小企業(yè)由于沒有資金引進新的生產(chǎn)線，在生產(chǎn)中仍采用人工進行裝袋、封口、碼垛，生產(chǎn)效能低下，由于工人工資上漲很快，中小企業(yè)生產(chǎn)成本逐漸增大。不論大中小飼料加工企業(yè)中，從事碼垛的工人逐漸減少，且容易出現(xiàn)安全事故、效率低、工作質(zhì)量差。大型的飼料加工業(yè)采用碼垛機器人來代替人工碼垛，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

和人工碼垛相比，基于PLC的全自動飼料碼垛機器人生產(chǎn)效率高，可以24 h內(nèi)不間斷的碼垛、碼垛操作節(jié)拍最快可達到1 800次/h循環(huán)，可實現(xiàn)日碼垛500 t。1條飼料成品包裝生產(chǎn)線，每1班(8 h)需2名碼垛工人，人工碼垛效率為400包/h(50 kg/包)，機器人的碼垛效率可達1 000包/h。碼垛機器人運行穩(wěn)定，減少人為因素產(chǎn)生的減產(chǎn)、停產(chǎn)等情況，碼垛整齊，合格率高。一臺碼垛機器人的效率至少相當于8～12位碼垛工人，以每位碼垛工人工資按3 000元/月計算，每年可減少20～40萬元的成本支出。如表1所示。

表1 碼垛機器人與人工碼垛比較

人工成本不包括由企業(yè)負擔的各種保險、福利、管理成本，也不包括勞動力上漲及工傷事故等費用。每臺碼垛機器人大約40萬，工作壽命20年，每年折舊費約2萬元，碼垛機器人功率3.5 kw/h，每天工作24 h計算，電費約21 000元/年，維修費約3 000元/年，每臺碼垛機器人使用費用約4.4萬元/年，和1個碼垛工人的年工資相當，可以節(jié)省大量費用。

7 小結(jié)

隨著我國飼料加工企業(yè)越來越規(guī)模化，產(chǎn)品碼垛過程向少人化至無人化方向發(fā)展。碼垛機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、適用性強、能耗低、操作簡單、費用低、示教易學、可量身定制、生產(chǎn)速度快、質(zhì)量高等特點。碼垛機器高度自動化、智能化、人性化和人工碼垛相比具有很強的優(yōu)勢，碼垛機器人將越來越廣泛的應用于我國飼料加工企業(yè)。