高職院校工業(yè)機器人技術應用大賽策略研究

凌旭 陳立 戴俊良

摘要：全國職業(yè)院校高職組工業(yè)機器人技術應用競賽以工業(yè)機器人倉儲分揀生產線實訓平臺為基礎，通過自動化立體倉庫和堆垛機單元、AGV運輸機器人搬運單元、工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)單元、自動化輸送線單元、步進電機裝配單元、工業(yè)機器人搬運裝配單元等六大單元的相互配合，完成零件出庫、識別、裝配以及返庫等全部流程。本研究通過對最新的大賽試題進行研究分析，通過改變編程思路，使得工業(yè)機器人在裝配流水線上的極限裝配位置都能順利完成比賽的要求、縮短比賽時間，有利于幫助學生在賽場上發(fā)揮優(yōu)異成績。

關鍵詞：倉儲分揀;工業(yè)機器人;技能大賽;視覺檢測

中圖分類號：G4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0230-02

0 ?引言

教育部主辦的全國職業(yè)院校技能大賽高職組“工業(yè)機器人技術應用”賽項，自2015年舉辦至今，每年的題目難度越來越大，對學生的要求越來越高[1-2]。該賽項設備模擬倉儲分揀生產線系統(tǒng)實訓設備的相互配合來完成機器人關節(jié)零件模型的出庫、搬運、識別、裝備以及返回倉庫的過程。本文的研究對象主要以工業(yè)機器人在倉儲分揀生產線上進行極限位置裝備為研究，設計一套能夠覆蓋盡可能多的極限裝配位的程序，最終完成對整個工件進行組裝及返回倉庫，大大節(jié)省比賽時間，為學生在競賽中指明方向。

1 ?倉儲分揀生產線工作原理

倉儲分揀生產線系統(tǒng)包括：自動化立體倉庫和堆垛機單元、AGV運輸機器人搬運單元、工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)單元、自動化輸送線單元、步進電機裝配單元、工業(yè)機器人搬運裝配單元等。倉儲分揀以工件為研究對象，系統(tǒng)流程以運輸工件和組裝工件為核心展開。根據工件類型，組裝成品的方法有很多;工件編號的最后一位數(shù)字不相同就可以組裝一套成品，其中次品C-1和D-1是不能組裝的，直接中途返庫;工件組裝成品的裝配流水線，共有14個位置，分為G7成品庫，G8裝配工位，G9備品庫。如圖1所示。

工作原理：工件擺放在立體倉庫上，堆垛機依次從下到上從右到左出庫，工件運輸?shù)匠鰝}位置，放入AGV上，滿足三個后AGV離開立體庫，運輸工件到自動化輸送線上，工件進入視覺拍照區(qū)域，拍照完成后進入抓取工位，機器人抓取工件放入裝配流水線上。根據工件類型，出庫順序和裝配流水線位置限制，整個流程中最需要考慮的是如何在有限的裝配位中，找到極限裝配位，在什么樣的情況下會出現(xiàn)裝配流水的裝配工位已經全部滿，無法進行下一步裝配等。

如表1所示，以下10種方案均認為是系統(tǒng)裝配的極限情況作為研究。

2 ?倉儲分揀生產線硬件

自動化立體倉庫與堆垛機：主要是由立體倉庫、堆垛機組成。立體倉庫總長約2800mm，高度約1900mm，共有28個倉位，倉位上的傳感器采用BPS8系列傳感器定位系統(tǒng)，測量精度±2mm，最大線速度為4m/s;堆垛機由三個軸組成，前后運行的為X軸，采用渦輪減速裝置;左右運行的為Y軸，采用的是雙齒條行程倍增機構;上下運行的為Z軸，采用的是鏈條提升機構;G120變頻器控制碼垛機速度，最大速度16#4000（轉化為十進制16384）。

AGV運輸機器人：AGV機器人是由車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統(tǒng)、驅動裝置、轉向裝置、精確定位裝置、移載機構、通信單元和導引系統(tǒng)和HMI觸摸屏，三色燈等組成。

工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)：為信捷SV4-30ML型智能相機，內含有數(shù)字圖像處理（DSP）芯片，能夠與PC機脫離，單獨的進行圖像運算處理。相機與 PLC 之間采用 Modbus/TCP協(xié)議通信。

自動化輸送線：主要由驅動裝置、 傳動裝置以及張緊裝置組成。選用三相220V，變頻器驅動齒輪電機，齒輪傳動比1：300。

步進電機裝配：以步進電機為動力，采用雷賽的86電機，步進電機是將電脈沖轉化為角位移執(zhí)行機構，通常步進角是15°，最大速度600～1200rpm，加速時間0.1～1s。

工業(yè)機器人：為匯博HR20-1700-C10型工業(yè)機器人，其負載為 20kg工業(yè)機器人，其最大展開半徑為1722mm，共有六個自由度。

工業(yè)機器人與 PLC 之間采用Modbus/TCP 協(xié)議通信，其中工業(yè)機器人是服務器端，PLC為客戶端，所以PLC是主動讀取和寫入數(shù)據。

3 ?倉儲分揀生產線軟件

3.1 HMI觸摸屏設計 ?HMI觸摸屏設計，倉庫操作界面包括每個倉位有無貨物的顯示狀態(tài)、各限位傳感器的運行狀態(tài)、每個軸的運動出倉順序、堆垛機的停止、暫停、復位、數(shù)據清除等功能，以及顯示堆垛機的當前位置、工件出入庫的順序等。AGV運輸機器人HMI觸摸屏包括出庫模式和入庫模式兩種模式、接收或發(fā)送信號狀態(tài)顯示、載運托盤個數(shù)顯示、運行方向控制、運行速度控制、循跡參數(shù)設計、運行方向手動控制。

3.2 自動化立體倉庫和AGV運輸機器人設計 ?自動化立體倉庫和AGV機器人是運輸工件為主，出庫主要過程：選倉，然后點擊啟動按鈕，堆垛機就會自動的進行抓取，前往出倉位，把工件放置到AGV上，當滿足三個的時候發(fā)送信號給AGV離開立體庫，把工件送往流水線;入庫主要過程：選倉，堆垛機前往出倉位，到AGV運輸機器人上取回工件，在放入立體倉庫上，最后自動回原點。

3.3 PLC的通信設計 ?視覺相機和工業(yè)機器人與 PLC 之間采用Modbus/TCP 協(xié)議通信，其中工業(yè)機器人是服務器端，PLC 為客戶端，所以PLC是 主動讀取和寫入。PLC與機器人，相機Modbus/TCP通信應調用通訊模塊“MB_CLIENT”。

工件運輸?shù)捷斔玩溕?，首先會進入相機拍照工位，相機拍照通過與PLC通信把圖片的數(shù)據發(fā)送給PLC，經過PLC內部的數(shù)據轉化，在與機器人進行通信把數(shù)據發(fā)送給機器人，機器人完成一個任務后反饋一個信號給PLC完成抓取，把工件放置到裝配到流水線上。

3.4 系統(tǒng)編程程序思路 ?系統(tǒng)的整個流程，需要從自動化立體倉庫和堆垛機把工件出庫，通過AGV運輸機器人把托盤運輸?shù)搅魉€上，進入視覺相機拍照工位，拍照完成把數(shù)據傳輸?shù)絇LC中，經過數(shù)據處理把數(shù)據傳輸給機器人，工業(yè)機器人通過已經示教好的點位與PLC通信來做出對工件的抓取或放置在裝配流水線上，在裝配流水線上進行組裝，最后在以成品的方式返庫。

裝配流水線一共只有14位置，必須要留一個位置出來進行裝配定位;按照表1出倉順序，以前是無法完成任務。因此，采用坐標的方法，根據G7，G8，G9每個裝配位的大小，距離和形狀，在PLC中的DB數(shù)據塊把每一個位置建立一個虛擬的坐標，通過相機與PLC通信，把工件類型、大小、角度發(fā)送給PLC，找到適合放置的位置，儲存到DB數(shù)據塊中。其中G9工位3，4只能放A-3，B-3號類型工件1，2只能放A-2，B-2類型的工件。

由于工件從立體倉庫來的順序比較隨機，所以必須要考慮裝配的極限情況，根據裝配流水線的位置限制，極限工件是第13個，必須要留出1個位置出來裝配進行定位。根據裝配限制，自動化立體倉庫出完13個的時候會自動停止出庫，AGV小車停止在流水線旁邊，等待返庫。

如何做到第13個來的時候不會出錯。根據裝配流水線的14個裝配位置，按照名字可分為G7成品庫，G8為裝配位，G9為備件庫。

如何判斷裝配位是否為空：根據裝配位之間的距離會把每一個位置都設計一個坐標值，同時也會在PLC程序里面建立一個DB數(shù)據塊，來類似于裝配流水線的工位。相機拍照采集工件的信息，利用通信發(fā)送給PLC，通過SCL語言轉化，發(fā)送給機器人進行放置，工件數(shù)據計入到DB數(shù)據塊中，這個DB數(shù)據塊是與裝配流水線的G9，G8，G7的位置是一一對應的。當?shù)?3個工件進來后，裝配流水線上可以組裝一套成品，通過搜索DB數(shù)據塊，并把數(shù)據通過通信發(fā)送給機器人，機器人去組裝成品，放入G7成品工位，然后在HMI上面先點擊立體庫入庫的位置，選擇要返庫的成品，不能裝配的次品都會返庫回去。立體倉庫會根據選擇的指定位置進行中途返庫，入庫完成后堆垛機會自動復位，回到原點位置。數(shù)據重新清理一次，立刻自動重新出庫，剛剛入庫回來的工件不再次出庫，立體庫自動選擇的時候，會調用另一個SCL語言程序塊，這里面的數(shù)據不會把剛剛返庫回來的數(shù)據計入進來。最后把以前沒有出庫的工件全部出庫。只要出庫的工件可以與裝配流水線上的工件組成一套就會優(yōu)先組裝一套，組裝完成后，放置在G7成品工位。接著把后面來的工件能夠組裝的完全組裝后，全部開始返庫。入庫完成后所有的設備都會復位到初始狀態(tài)。

4 ?總結

根據最新的職業(yè)院校高職工業(yè)機器人技術應用大賽試題進行研究分析，通過改變編程思路，使得工業(yè)機器人在裝配流水線上的極限裝配位置都能順利完成比賽的要求、且大大縮短比賽時間，有利于指導學生在賽場上發(fā)揮優(yōu)異成績，進一步達到以賽促教的成果。

參考文獻：

[1]李春玲，楊萍，鄭海霞，張淑珍.機器人技術與應用項目式教學模式探索[J].科教導刊（上旬刊），2020（09）：61-62.

[2]李金莉.技能競賽背景下工業(yè)機器人技術應用課程教學研究[J].東西南北，2019（19）：117.

[3]高健，劉青川，范蕊.基于機器視覺的工業(yè)機器人智能分揀系統(tǒng)設計研究[J].南方農機，2021，52（03）：18-19.

[4]劉華鋒.工業(yè)機器人分揀系統(tǒng)的設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2020，55（06）：69-72.

[5]單正婭，郭瓊，姚曉寧.工業(yè)機器人裝配系統(tǒng)的關鍵技術研究[J].機電工程技術，2020，49（11）：65-67，78.