基于顏色識(shí)別的分類碼垛機(jī)系統(tǒng)集成

霍天龍　張博

摘要：實(shí)際生產(chǎn)中由于某些產(chǎn)品生產(chǎn)效率低下，導(dǎo)致機(jī)器人不能完全發(fā)揮作用。為有效利用設(shè)備和節(jié)約成本，提出了一種基于顏色識(shí)別的分類碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)使用1臺(tái)機(jī)器人對(duì)2種物品進(jìn)行分類碼垛，通過顏色識(shí)別傳感器識(shí)別出物品的種類，PLC接收種類信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部程序處理后，再把信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人對(duì)物品進(jìn)行分類碼垛。系統(tǒng)仿真和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：顏色識(shí)別;機(jī)器人;系統(tǒng)集成;分類碼垛

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0135—04

0引言

機(jī)器人憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作快速靈活、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在搬運(yùn)碼垛領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。實(shí)際生產(chǎn)中，大部分機(jī)器人碼垛機(jī)都是針對(duì)一種物品進(jìn)行堆疊碼垛。然而有些產(chǎn)品生產(chǎn)效率低下，機(jī)器人不能完全發(fā)揮作用，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)器人等物料的情況，不僅犧牲了設(shè)備的有效生產(chǎn)率，而且浪費(fèi)了能源。針對(duì)此問題，本文把兩條生產(chǎn)線的物料匯集在同一條生產(chǎn)線上，以物品不同顏色為分類特征，使用一臺(tái)機(jī)器人對(duì)物品進(jìn)行分類碼垛，提出了一種新型的機(jī)器人碼垛機(jī)控制系統(tǒng)集成方法。

1機(jī)器人碼垛機(jī)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本文以料袋碼垛機(jī)為例，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。二分類機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線的核心設(shè)備主要由料袋輸送機(jī)、取袋輸送機(jī)、碼垛機(jī)器人、料袋夾具、位于機(jī)器人兩側(cè)的托盤輸送機(jī)和垛盤輸送機(jī)等組成。兩條生產(chǎn)線產(chǎn)出的成品料袋被匯集在一條生產(chǎn)線，經(jīng)由料袋輸送機(jī)到達(dá)取袋輸送機(jī)位置，等待機(jī)器人碼垛下線。料袋輸送機(jī)處顏色識(shí)別傳感器、光電傳感器的位置關(guān)系及料袋、料袋自身特征顏色區(qū)等如圖2所示，圖中箭頭方向?yàn)榱洗斔头较颉?/p>

1.2系統(tǒng)控制方案

本控制系統(tǒng)是以PLC和工業(yè)機(jī)器人為控制核心，搭配觸摸屏、顏色識(shí)別傳感器、交流接觸器、變頻器、光電檢測(cè)開關(guān)、交流異步電機(jī)、中間繼電器、電磁閥等構(gòu)成。系統(tǒng)集成框圖如圖3所示。

為提高機(jī)器人碼垛機(jī)操控便捷性，觸摸屏常常被用來和PLC通信，完成現(xiàn)場(chǎng)信息的獲取、處理、編程作業(yè)、控制、規(guī)劃和整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理等功能。本文采用西門子型號(hào)為MP277的觸摸屏與313C-2DP型號(hào)的PLC通過MPI協(xié)議進(jìn)行通信。

機(jī)器人與PLC的系統(tǒng)集成通信方式主要通過I/O板卡或總線進(jìn)行，I/O板卡只能與PLC進(jìn)行數(shù)字量信號(hào)通信，當(dāng)需要通信的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，該方案不可行。為盡量減少現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作機(jī)器人示教器，要求PLC和機(jī)器人之間有大量數(shù)據(jù)通信，故應(yīng)采用總線通信，常見的總線主要有Profibus、Devi-eeNet、ProfiNet或Ethernet等。由于本文采用西門子品牌PLC，采用Profibus總線進(jìn)行通信。

顏色識(shí)別傳感器的功能是識(shí)別料袋的特征顏色后把信號(hào)反饋給PLC，本系統(tǒng)采用基恩士CZ-V21色標(biāo)識(shí)別傳感器。該傳感器具有3種檢測(cè)模式：（1）C模式，根據(jù)色彩成分（紅、綠、藍(lán)）檢測(cè)標(biāo)的物;（2）C+I模式，根據(jù)色彩成分（紅、綠、藍(lán)）和光強(qiáng)度（接收到的光的數(shù)量）檢測(cè)標(biāo)的物;（3）Super Ⅰ模式，根據(jù)光強(qiáng)度（接收到的光的數(shù)量）檢測(cè)標(biāo)的物。輸出信號(hào)為24V開關(guān)量信號(hào)，檢測(cè)距離為50～95 mm。本文采用以C模式檢測(cè)料袋顏色。

2系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)系統(tǒng)電氣原理部分接線如圖4所示。觸摸屏通過總線連接器連接在PLC的MPI接口處，機(jī)器人系統(tǒng)則連接在PLC的DP接口處，分別使用MPI和Profibus通信協(xié)議。本文處理的料袋為二分類，故色標(biāo)傳感器只需要2根信號(hào)線反饋給PLC作為分類依據(jù)。圖中的光電傳感器是三線制，黑色線是信號(hào)反饋線。鑒于篇幅有限，本文不再贅述完整的系統(tǒng)接線圖。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

打開西門子SIMATIC Manager軟件，插入SIMATIC 300station站點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際PLC組成分別插入對(duì)應(yīng)的CPU和I/O模塊，在硬件窗口下點(diǎn)擊選項(xiàng)按鈕安裝ABB機(jī)器人GSD文件，安裝完成后將Anybus-CC PROFIBUS DP-V1掛接在DP總線上。配置機(jī)器人DP地址為10，通信波特率為500 k，機(jī)器人和PLC的輸入輸出信號(hào)的起始和終止地址分別為48和111，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64 byte。硬件系統(tǒng)配置如圖5所示。

打開ABB Robotstudio仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人側(cè)通信參數(shù)配置，選擇660型號(hào)機(jī)器人創(chuàng)建系統(tǒng)，打開虛擬示教器，進(jìn)入控制面板中的配置系統(tǒng)參數(shù)，在Unit Type中添加DP_SLAVE配置，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，配置總線類型為Profibus，輸入輸出信號(hào)長(zhǎng)度均為64 byte，如圖6所示。在Unit中添加Profi-bus_DP，Type of Unit為DP_SLAVE，Profibus Address為10。如圖7所示。上述過程已完成了機(jī)器人和PLC之間的基本通信配置，連接好通信電纜后，機(jī)器人和PLC之間即可進(jìn)行總線通信。由于篇幅有限，按照工程需求配置需要通信的參數(shù)在此不做詳述。

參考基恩士CZ-V21色標(biāo)識(shí)別傳感器技術(shù)手冊(cè)，使用顏色傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)料袋特征顏色訓(xùn)練識(shí)別模型，定義顏色傳感器對(duì)2個(gè)種類的料袋信號(hào)輸出如表1所示。

由于色標(biāo)識(shí)別傳感器是實(shí)時(shí)檢測(cè)和響應(yīng)的，實(shí)際應(yīng)用中料袋上存在其他較多干擾顏色的可能性，如不在程序中做進(jìn)一步處理，會(huì)給識(shí)別結(jié)果造成很大影響，使得識(shí)別成功率大幅度下降。基于此問題，本文在色標(biāo)識(shí)別傳感器前面增加了一個(gè)光電傳感器，當(dāng)料袋被輸送至光電傳感器時(shí)觸發(fā)其輸出信號(hào)給PLC，PLC響應(yīng)該信號(hào)后經(jīng)過一定延時(shí)后再接收色標(biāo)傳感器的顏色識(shí)別信號(hào)，由此保證了顏色傳感器能夠識(shí)別到料袋特征顏色區(qū)。PLC程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。料袋識(shí)別成功后，機(jī)器人接收料袋種類信號(hào)進(jìn)行分類碼垛。識(shí)別失敗時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警停車，等待人工處理。

李亞軍等提出的方法設(shè)計(jì)機(jī)器人程序，在原程序的基礎(chǔ)上增加另外一側(cè)的程序編寫，根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)從PLC收到的分類信號(hào)選擇不同的方向碼垛。

4系統(tǒng)仿真與工程應(yīng)用

4.1系統(tǒng)仿真

使用RobotStudio軟件創(chuàng)建IRB660機(jī)器人、取袋輸送機(jī)、料袋、兩側(cè)的垛盤輸送機(jī)等，如圖9所示。

按照上節(jié)介紹的方法通過離線編程方式編寫ABB機(jī)器人程序并加載到控制器中，示教機(jī)器人料袋抓取位置，碼垛位置后并執(zhí)行數(shù)據(jù)保存。運(yùn)行機(jī)器人程序，使用軟件模擬仿真接收PLC發(fā)出的料袋分類信號(hào)，機(jī)器人可以根據(jù)收到不同的碼垛信號(hào)進(jìn)行左右分類碼垛。設(shè)定夾具抓取料袋時(shí)間為0.1s，放下料袋時(shí)間為0.1s。垛型按照一層3袋，共10層設(shè)定，通過仿真測(cè)得機(jī)器人1h內(nèi)左右側(cè)方向同時(shí)碼垛可完成1026次循環(huán)。

4.2實(shí)際工程應(yīng)用

仿真測(cè)試結(jié)果初步驗(yàn)證了系統(tǒng)集成方法的可行性。為進(jìn)一步探究其實(shí)際工程應(yīng)用效果，把本文研究方法應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。如圖10所示，由于該案例尚處在實(shí)驗(yàn)階段，故省去了機(jī)器人左右側(cè)的跺盤輸送機(jī)。按照前文介紹的方法分別編寫PLC程序、機(jī)器人程序，觸摸屏程序，使用料袋訓(xùn)練色標(biāo)傳感器分類模型。調(diào)試好機(jī)器人及周邊設(shè)備后運(yùn)行系統(tǒng)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終測(cè)得機(jī)器人運(yùn)行速度為每小時(shí)993次循環(huán)，分類碼垛正確率為99.874%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人運(yùn)行速度基本滿足生產(chǎn)要求，但分類準(zhǔn)確率未達(dá)到100%，反復(fù)實(shí)驗(yàn)查找原因發(fā)現(xiàn)，有個(gè)別料袋特征顏色區(qū)有一定破損或有其他顏色污染。更換一批全新料袋后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，除個(gè)別料袋輸送姿態(tài)原因外，其余料袋均能被正確分類碼垛，最終測(cè)得分類準(zhǔn)確率為99.998%。

5結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合企業(yè)機(jī)器人碼垛機(jī)實(shí)際使用情況，應(yīng)用基恩士色標(biāo)傳感器、西門子PLC、ABB機(jī)器人等提出了一種基于色帶識(shí)別的二分類機(jī)器人碼垛機(jī)系統(tǒng)集成方法。該方法在物料生產(chǎn)效率低下情況下，把2種物料匯集到一條生產(chǎn)線，提高機(jī)器人的使用效率，節(jié)約了企業(yè)設(shè)備成本。還可根據(jù)實(shí)際使用情況增加顏色識(shí)別傳感器的分類樣本到3種，只需編寫PLC相關(guān)程序以及機(jī)器人第三個(gè)方向的碼垛程序即可。仿真結(jié)果和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)均表明本方法能夠滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)。