基于SIMOTION的機(jī)器人裝箱工藝包的開發(fā)

（杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司 機(jī)電研究院，杭州 310018）

0 引言

目前，飲料生產(chǎn)線，無(wú)論是前道的灌裝、貼標(biāo)，還是后道的裝箱和碼垛，自動(dòng)化程度逐年提高。在禮盒包裝的八寶生產(chǎn)線中，為了避免包裝的破損和運(yùn)輸方便，會(huì)把日常商超中見到的禮盒裝產(chǎn)品裝到一個(gè)大箱中，然后在進(jìn)行大箱的封箱，碼垛，入庫(kù)，發(fā)貨等工作。

文獻(xiàn)中的裝箱設(shè)備大多針對(duì)并聯(lián)機(jī)器人，其具有精度高，速度快，響應(yīng)快等特點(diǎn)，但是由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，所以工作空間較小，一般用于響應(yīng)速度快，工作空間小的工況下[1-3]。而我司八寶小箱裝大箱工作站，對(duì)占地空間要求比較大，較適合于串聯(lián)機(jī)器人，因此本裝箱工作站采用的是我司自主研發(fā)的100 kg四軸串聯(lián)機(jī)器人[4]。裝箱生產(chǎn)中包含位置數(shù)據(jù)，裝箱速度，裝箱模式等關(guān)鍵參數(shù)，這些關(guān)鍵參數(shù)如出現(xiàn)錯(cuò)誤輕則導(dǎo)致達(dá)不到預(yù)期的生產(chǎn)節(jié)拍，重則可能會(huì)造成生產(chǎn)事故。由于設(shè)備的操作者是一線操作工人，如這些參數(shù)由其手動(dòng)輸入，不僅繁瑣且易出錯(cuò)。本裝箱工作站采用 Simotion D425 作為主控器[5]，配置一塊電源模塊，兩塊雙軸電機(jī)模塊完成機(jī)器人的控制，同時(shí)采用西門子ET200M模塊進(jìn)行IO點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展。目前基于Simotion機(jī)器人工作站控制的研究雖多，但由于Simotion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)并不集成裝箱工藝包，且有關(guān)工藝包的開發(fā)卻暫無(wú)資料可借鑒[6-10]，因此本文依靠Simotion的高度開放性進(jìn)行了裝箱工藝包的自主開發(fā)，使這些關(guān)鍵參數(shù)由專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)，操作工人只需一鍵調(diào)取。

1 裝箱工藝分析

本文的研究基于海寧公司八寶小箱裝大箱裝箱工作站，整個(gè)工作站分為整列部分，裝箱部分和裝箱機(jī)器人三部分。其中，整列部分主要是將整列輸送帶的小箱按照一定規(guī)則完成小箱的整理并等待機(jī)器人抓??；機(jī)器人本體主要是將整列部分等待區(qū)的小箱通過(guò)真空吸盤吸取后，放置到裝箱輸送帶部分已就緒的大箱中，由4個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；裝箱部分實(shí)現(xiàn)大箱供給、定位和輸出三個(gè)功能。此小箱裝大箱工作站由于小箱和大箱都有多種不同的箱型，為了保證完美的裝箱和生產(chǎn)節(jié)拍，會(huì)預(yù)先根據(jù)小箱大箱尺寸設(shè)計(jì)好大箱的裝箱規(guī)則，根據(jù)裝箱規(guī)則的不同在整列輸送帶部分會(huì)產(chǎn)生不同的整列方式。

2 工藝包開發(fā)

工藝包開發(fā)包括程序開發(fā)、HMI畫面開發(fā)兩部分。其中程序開發(fā)采用模塊化的編程思想[11]，按工藝分為裝箱機(jī)器人程序、大箱控制程序、產(chǎn)品整列程序三個(gè)子塊，每個(gè)子塊均留有與外部調(diào)用的接口，此種編程方式具有代碼易讀、方便移植的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 程序開發(fā)

2.1.1 機(jī)器人程序

機(jī)器人程序的功能是機(jī)器人把預(yù)先整列好的小箱八寶產(chǎn)品吸取并放入到已就緒的大箱中，然后返回裝箱原點(diǎn)等待吸取產(chǎn)品進(jìn)行下一次裝箱。整個(gè)過(guò)程循環(huán)往復(fù)。根據(jù)裝箱工藝，每個(gè)循環(huán)可分為抓取，放置，返回三個(gè)步驟。同時(shí)，為了方便驗(yàn)證工藝包數(shù)據(jù)的正確性，機(jī)器人運(yùn)行模式分為自動(dòng)模式，測(cè)試模式及步進(jìn)模式。自動(dòng)模式即連線生產(chǎn)時(shí)，機(jī)器人抓取產(chǎn)品進(jìn)行裝箱。測(cè)試模式是為了測(cè)試工藝包機(jī)器人位置數(shù)據(jù)的正確性，可在不抓取產(chǎn)品的情況下，完成整個(gè)大箱產(chǎn)品的裝箱工作。步進(jìn)模式即每點(diǎn)擊一次啟動(dòng)按鈕，只完成一個(gè)步驟，默認(rèn)情況下，第一次點(diǎn)擊執(zhí)行抓取步驟，根據(jù)實(shí)際情況操作者也可在HMI畫面上指定將執(zhí)行的步驟，此種步進(jìn)模式避開了成熟工藝包點(diǎn)擊一次啟動(dòng)按鈕只運(yùn)行一條指令的弊端。這種三種模式結(jié)合三個(gè)步驟的開發(fā)模式，使得操作者可輕松完成裝箱工藝包數(shù)據(jù)正確性的測(cè)試工作。同時(shí)，模塊化的程序開發(fā)模式可以使機(jī)器人程序兼容碼垛及裝箱兩種工藝場(chǎng)景，也可根據(jù)不同抓手及不同啟動(dòng)條件，預(yù)留出互聯(lián)的接口，例如，抓取之前需判斷機(jī)器人狀態(tài)、整列狀態(tài)，放置之前需判斷大箱狀態(tài)等，使得程序具有靈活性、安全性。程序流程見圖1。

2.1.2 大箱控制程序

大箱控制部分一次可同時(shí)完成三大箱產(chǎn)品的裝箱工作。此程序可分為大箱等待，就緒和裝箱完成送出等三個(gè)步驟。大箱等待即等待空的大箱進(jìn)入裝箱段。大箱就緒即空的大箱已經(jīng)輸送到位，此時(shí)預(yù)留狀態(tài)，可進(jìn)行導(dǎo)向等操作。大箱裝箱完成即機(jī)器人已裝箱完畢，把大箱送出，此時(shí)可預(yù)留出箱方式選擇，即可出大箱同時(shí)進(jìn)大箱又可等大箱出完再進(jìn)新的大箱。大箱控制部分經(jīng)過(guò)這樣三個(gè)連續(xù)的過(guò)程，可根據(jù)不同裝箱規(guī)格以及方式靈活切換，滿足不同裝箱需求。

2.1.3 產(chǎn)品整列程序

（1）多層結(jié)構(gòu)體嵌套。整列部分的參數(shù)儲(chǔ)存采用的基本原理是自定義一個(gè)大的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體下包含產(chǎn)品名稱，ID號(hào)，長(zhǎng)寬高等參數(shù)及一個(gè)層結(jié)構(gòu)體，層結(jié)構(gòu)體下又包含抓取次數(shù)及一個(gè)抓取結(jié)構(gòu)體，依此類推，嵌套下去。這種嵌套結(jié)構(gòu)體使得層數(shù)，抓取，放置之間的關(guān)聯(lián)簡(jiǎn)單明了，且參數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，不會(huì)出現(xiàn)參數(shù)錯(cuò)落的現(xiàn)象。

在此原理下，參數(shù)保存到結(jié)構(gòu)體，既可通過(guò)實(shí)時(shí)讀取位置坐標(biāo)進(jìn)行賦值的方法，又可通過(guò)坐標(biāo)手動(dòng)修改的方式進(jìn)行微調(diào)。保存的參數(shù)調(diào)出是通過(guò)將結(jié)構(gòu)體的坐標(biāo)值賦值到臨時(shí)存儲(chǔ)變量進(jìn)行顯示的。

（2）參數(shù)自動(dòng)計(jì)算。在裝箱工作站設(shè)計(jì)時(shí)，已預(yù)先確定好裝箱規(guī)則，裝箱規(guī)則有一次一箱，一次兩箱等多種。參數(shù)自動(dòng)計(jì)算即根據(jù)參數(shù)層的參數(shù)可一鍵計(jì)算出整個(gè)大箱的裝箱參數(shù)，程序流程圖如圖2所示。

基本方法是：

（1）確定參數(shù)層的裝箱參數(shù)，一般為第一層，首個(gè)小箱的參數(shù)由示教獲得，第一層的其它參數(shù)既可通過(guò)偏移計(jì)算得出，也可通過(guò)手動(dòng)示教獲得。

（2）根據(jù)小箱產(chǎn)品的長(zhǎng)寬高及待計(jì)算層與參數(shù)層的層高差依次自動(dòng)計(jì)算出所有其它層的參數(shù)。

（3）對(duì)所有參數(shù)包括手動(dòng)示教及自動(dòng)計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行正確性校驗(yàn)。

參數(shù)自動(dòng)計(jì)算功能減少了參數(shù)示教的麻煩，最理想狀態(tài)只需示教一個(gè)抓取點(diǎn)，一個(gè)放置點(diǎn)這樣一組參數(shù)，其他位置點(diǎn)均可通過(guò)裝箱規(guī)則和大箱、小箱的箱型自動(dòng)計(jì)算得到，此種方式不但省時(shí)省力也更為精準(zhǔn)。

（3）參數(shù)的保存與載入。在2.1.3（1）節(jié)所述的嵌套結(jié)構(gòu)體模式下，參數(shù)可在整個(gè)裝箱循環(huán)的參數(shù)設(shè)定完后一次性進(jìn)行參數(shù)的保存操作，也可方便進(jìn)行參數(shù)的載入及刪除操作。參數(shù)的保存，載入，刪除操作分別由Simotion中的系 統(tǒng) 函 數(shù) _saveUnitDataSet，_loadUnitDataSet，_deleteUnitDataSet完成。通過(guò)此方式保存的參數(shù)可以選擇存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中，數(shù)據(jù)掉電不丟失且方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。

2.2 畫面開發(fā)

人機(jī)交互界面的開發(fā)原則是操作簡(jiǎn)潔，參數(shù)讀取寫入方便[12]。此裝箱工藝包主要設(shè)計(jì)了“參數(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)界面，在“參數(shù)”畫面中，可方便實(shí)現(xiàn)裝箱參數(shù)的設(shè)置及顯示，點(diǎn)擊“自動(dòng)生成全部”按鈕可計(jì)算出整個(gè)大箱裝箱的所有工藝參數(shù)?！爱a(chǎn)品”界面功能簡(jiǎn)潔明了，對(duì)于“保存”和“刪除”功能分配了管理者權(quán)限，“載入”功能分配了操作者權(quán)限。由于管理者權(quán)限高于操作者權(quán)限，保證了操作者不能隨意修改和刪除工藝包的參數(shù)，從而避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)八寶四軸串聯(lián)機(jī)器人裝箱工作站，開發(fā)了基于Simotion的裝箱工藝包。整個(gè)開發(fā)分為機(jī)器人部分、整列部分和大箱控制三部分。工藝包程序開發(fā)采用了模塊化的編程方式，三部分通過(guò)預(yù)留互聯(lián)接口，使其又合為一個(gè)整體，且更易于集成到碼垛工藝包中。機(jī)器人程序開發(fā)采用的三種模式和三個(gè)步驟的開發(fā)思路源于成熟機(jī)器人廠商內(nèi)置工藝包又優(yōu)于它們，使得操作更簡(jiǎn)潔實(shí)用。整列部分采用的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及參數(shù)自動(dòng)計(jì)算功能，減小了工藝包數(shù)據(jù)出錯(cuò)的概率。此工藝包經(jīng)過(guò)海寧八寶產(chǎn)線驗(yàn)證，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，不會(huì)出現(xiàn)參數(shù)的丟失及誤操作，值得推廣。