基于ABB機器人工作站的碼垛工藝實現(xiàn)方法

嵇朋朋， 陳育中， 周劉喜， 席 飛

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院 電氣工程系, 江蘇 南京 210019;2.南京信息工程技術(shù)大學(xué) 大氣物理學(xué)院， 江蘇 南京 210044)

0 引言

隨著工業(yè)4.0時代的到來,對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)提出智能化、低成本、高可靠性和易于集成控制等要求．工業(yè)機器人在包裝流水線等場合應(yīng)用廣泛,例如進行分揀、碼垛、上下料、芯片產(chǎn)品排序等作業(yè)[1-3]．文獻將機器視覺與碼垛機器人控制技術(shù)相結(jié)合,解決碼垛機器人功能單一、適應(yīng)性差的問題[4]．文獻設(shè)計了一種以不同尺寸的藥品產(chǎn)品箱為對象的全自動碼垛搬運系統(tǒng),提高了藥品擺放的自動化程度[5]．文獻分析里條煙包裝尺寸、訂單組成、垛型等因素,考慮多個約束條件,提出一種小規(guī)格分揀線自動碼垛算法[6]．文獻采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軌跡優(yōu)化算法,不僅減少了誤差,還使擬合曲線更加接近實際曲線,同時提高了運動軌跡的穩(wěn)定性、準確性[7]．為了有效提高工業(yè)機器人碼垛運行軌跡穩(wěn)定性、效率以及平滑程度,文獻對其進行軌跡控制進行了優(yōu)化,從不同程度上保證運行軌跡的最優(yōu)化[8-10]．

圖1 ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC、威綸觸摸屏通訊示意圖

本文主要研究碼垛工藝普通功能實現(xiàn)法、碼垛工藝計時功能實現(xiàn)法、碼垛工藝樣式選擇實現(xiàn)法等三類碼垛工藝實現(xiàn)方法,并通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對軌跡進行優(yōu)化,從而提高軌跡穩(wěn)定性、準確性．

ABB機器人工作站包含ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC、威綸觸摸屏等,其連接關(guān)系如圖1所示,威綸觸摸屏通過組態(tài)軟件設(shè)置虛擬按鍵并給S7-200 SmartPLC發(fā)送命令,S7-200 SmartPLC接收到命令之后通過輸出地址Q12.0～Q12.3,傳遞數(shù)據(jù)到ABB機器人控制器．如表1所示,ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC、威綸觸摸屏是通過 I/O實現(xiàn)互相通訊、傳遞數(shù)據(jù)和控制動作等功能．

表1 ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC I/O分配表

表2 ABB機器人控制器、S7-200 SmartPLC I/O分配表

1 碼垛工藝實現(xiàn)方法

1.1 碼垛工藝普通功能實現(xiàn)法

圖2 普通碼垛垛型示意圖

普通功能碼垛工藝是最簡單的碼垛工藝方法,通過預(yù)先示教,ABB機器人末端自動安裝夾爪工具,并利用安裝的夾爪工具將碼垛塊夾取-搬運-釋放等一系列簡單步驟的集合．整個過程就是將3個碼垛塊從取料平臺A搬運并堆碼至存料平臺B上,3個碼垛塊呈水平平行放置,如圖2所示,完成碼垛工藝后,將夾爪工具卸至夾爪工具架．

普通碼垛工藝有兩種方法可以實現(xiàn),一是ABB機器人在線示教、在線編程,二是ABB機器人在線示教、離線編程．兩種方法均可滿足普通碼垛工藝的需求,為了方便描述,本文主要討論第二種碼垛工藝方法．首先,通過ABB示教器獲得夾爪工具、碼垛架A、碼垛平臺B、夾取碼垛塊、放置碼垛塊、ABB機器人初始位置及安全位置等六軸數(shù)據(jù),再利用離線軟件,搭建ABB機器人工作站虛擬環(huán)境．在離線軟件界面的調(diào)試面板中對ABB機器人六軸的數(shù)值進行調(diào)整,將已經(jīng)記錄的上述數(shù)據(jù)一一確定夾爪工具、碼垛架A、碼垛平臺B、夾取碼垛塊、放置碼垛塊、ABB機器人初始狀態(tài)及安全狀態(tài)等虛擬環(huán)境位置．

普通碼垛工藝的離線編程是決定整個動作流程的關(guān)鍵,如圖3和圖4所示,分別是普通碼垛工藝離線程序編輯流程圖,普通碼垛工藝動作流程圖．

圖3 普通碼垛工藝離線程序編輯流程圖

圖4 普通碼垛工藝動作流程圖

1.2 碼垛工藝計時功能實現(xiàn)法

碼垛工藝計時功能與普通碼垛工藝流程類似,其在普通碼垛工藝基礎(chǔ)上加入計時功能模塊即可實現(xiàn)．計時功能的關(guān)鍵在于工業(yè)機器人控制器、觸摸屏、PLC三者之間的通訊,在整個過程中,首先通過觸摸屏點擊開始碼垛工藝,再通過PLC程序開始計時任務(wù),并同時通過總線發(fā)送命令給工業(yè)機器人控制器,工業(yè)機器人開始碼垛工藝的流程直至結(jié)束, 最后PLC程序設(shè)置將計時數(shù)據(jù)賦值給定時器,并在觸摸屏上顯示．創(chuàng)建的碼垛計時與拆垛計時界面,在“地址”欄中選擇計時器賦值為5,PLC程序中T5的數(shù)值就可以在觸摸屏上顯示．通過組輸出信號G-DO將工業(yè)機器人控制器指令傳送給PLC,讓計時器T5開始計時．利用觸摸屏的“數(shù)值元件”接收信號來顯示時間,最終完成帶計時功能的三花碼垛的編寫．

碼垛工藝計時功能的程序編輯、動作流程不同于普通碼垛工藝的流程,如圖5、圖6所示,碼垛工藝計時功能的設(shè)計雖然只是增加了一個計時模塊,但是需要涉及PLC編程、觸摸屏界面設(shè)置、以及普通碼垛工藝離線程序編輯等．

圖5 碼垛工藝計時功能程序編輯流程圖

圖6 碼垛工藝計時功能動作流程圖

1.3 碼垛工藝樣式選擇實現(xiàn)法

圖8 PLC與機器人控制器傳送數(shù)據(jù)程序

碼垛工藝樣式選擇功能設(shè)計思路主要是設(shè)計兩種以上碼垛樣式以供使用者選擇,樣式選擇中可以是普通功能、中斷功能或者計時功能等等．與計時功能一樣,樣式選擇功能也需要工業(yè)機器人控制器、觸摸屏、PLC三者之間的通訊．在整個操作過程中,操作人員通過觸摸屏選擇并確定碼垛工藝樣式,隨即通過PLC程序設(shè)置向工業(yè)機器人控制器發(fā)送指令,工業(yè)機器人開始執(zhí)行已經(jīng)選定的碼垛工藝樣式,直至整個碼垛工藝流程結(jié)束．碼垛工藝觸摸屏樣式選擇功能,有兩種碼垛工藝樣式可供選擇,并需確定選擇．如圖7所示,碼垛工藝樣式選擇PLC程序設(shè)置,通過判斷計數(shù)器C9的數(shù)值,將計數(shù)器C1的數(shù)值傳遞給VB3,從而確定觸摸屏選擇的是碼垛工藝樣式一或碼垛工藝樣式二．如圖8所示,PLC與工業(yè)機器人控制器傳送數(shù)據(jù)程序,此處用Q12.0～Q12.3組成4位二進制輸出,可輸出0～15等16個狀態(tài)．工業(yè)機器人控制通過判斷G-DI(組數(shù)據(jù)輸入)的數(shù)值來確定觸摸屏已經(jīng)選擇了哪一種碼垛工藝樣式．

圖7 碼垛工藝樣式選擇PLC程序

圖9 碼垛工藝樣式選擇功能程序編輯流程圖

碼垛工藝樣式選擇功能的程序編輯、動作流程是普通功能與樣式選擇碼垛工藝的集合,如圖9、圖10所示,分別是樣式選擇碼垛工藝程序編輯、工作流程圖,與計時功能碼垛工藝一樣,同樣涉及PLC編程、觸摸屏界面設(shè)置、以及不同樣式的碼垛工藝離線程序編輯等．

圖10 碼垛工藝樣式選擇功能動作流程圖

1.4 軌跡優(yōu)化及方法比較

1) 軌跡優(yōu)化

采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[7-8]對三維空間內(nèi)碼垛工藝軌跡進行優(yōu)化,通過不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,求解最優(yōu)軌跡,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如式(1)所示:

(1)

其中ωt表示基函數(shù)φi(x)的權(quán)重,φi(x)為Gauss函數(shù),如式(2)所示:

(2)

其中,‖x-xc‖表示碼垛軌跡的某個關(guān)節(jié)點到中心點的歐氏距離,σ為誤差系數(shù)．通過求解最優(yōu)的輸出響應(yīng),從而得出最佳碼垛軌跡．

碼垛工藝普通功能、計時功能、樣式選擇都是通過MoveJ、MoveL等指令循環(huán)運行實現(xiàn),因此其時間復(fù)雜度記為Ο(n),然后通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對軌跡進行優(yōu)化,因φi(x)是Gauss函數(shù),即為指數(shù)函數(shù),因此其時間復(fù)雜度記為Ο(2n)．所以利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化之后的碼垛軌跡的時間復(fù)雜度為Ο(2n)．

2) 方法比較

碼垛工藝普通功能、計時功能、樣式選擇可以基本滿足ABB工作站中不同的碼垛工藝要求．如表3所示,可以看出碼垛工藝普通功能、計時功能、樣式選擇,其實現(xiàn)方法是從簡單到復(fù)雜的遞進關(guān)系,都需要具備工業(yè)機器人編程的基本能力,現(xiàn)對其進行優(yōu)缺點對比如下:

(a) 碼垛工藝普通功能實現(xiàn)方法相比較而言,程序編輯簡單,調(diào)試方便,只涉及離線程序編輯,在離線軟件中完成仿真調(diào)試后無需修改直接ABB工作站調(diào)試．但其只能實現(xiàn)單一的碼垛功能,靈活性較差,無法完成系統(tǒng)的額外要求;

(b) 碼垛工藝計時功能實現(xiàn)方法是在普通功能的基礎(chǔ)上增加一個計時模塊,即PLC計時程序、觸摸屏顯示界面．此設(shè)計可以在觸摸屏顯示界面實時監(jiān)控碼垛工藝運行時間．但其設(shè)計離線編程、PLC程序編寫、觸摸屏界面設(shè)置,且聯(lián)機運行前需要檢驗PLC、機器人控制器、觸摸屏三者之間的數(shù)值傳送,程序編輯及聯(lián)機運行調(diào)試工作量較大;

(c) 碼垛工藝樣式選擇功能實現(xiàn)方法是普通功能和計時功能碼垛工藝方法的集合,需在離線編程中完成多種碼垛樣式供選擇,選擇樣式分為普通功能、中斷功能或者計時功能等．樣式選擇功能具有靈活性好,隨機性、適應(yīng)性強等優(yōu)點,能夠滿足較多要求的碼垛工藝設(shè)計．但由于增加了樣式選擇,離線編程工作量大大增加,與計時功能調(diào)試工作類似,需要檢驗PLC、機器人控制器、觸摸屏三者之間的數(shù)值傳送,因此調(diào)試工作也相對困難．

表3 碼垛工藝實現(xiàn)方法比較

2 總結(jié)

通過研究碼垛工藝不同的實現(xiàn)方法,即碼垛工藝普通功能實現(xiàn)法、碼垛工藝計時功能實現(xiàn)法、碼垛工藝樣式選擇功能實現(xiàn)法,并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對碼垛軌跡進行優(yōu)化,從而提高碼垛工藝軌跡的穩(wěn)定性、準確性．與普通功能碼垛實現(xiàn)方法對比，計時功能碼垛實現(xiàn)方法在樣式選擇功能、實現(xiàn)方法性能方面的魯棒性、適應(yīng)性更強．