基于PLC 的自動拆碼垛裝置設(shè)計與研究

馬仲能,吳志剛,馬志剛,李春暉,周松濤,張謝許

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣東 廣州 510620)

0 引言

自動拆碼垛裝置是物流自動化系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備[1]。 自動拆碼垛裝置在物流工程中具有較大的應(yīng)用潛力,本文通過拆碼垛裝置將周轉(zhuǎn)箱按照一定順序擺放到棧板小車上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對物品的搬運(yùn)與傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中,貨物的擺放方式是多種多樣的,貨物的尺寸、形狀都會影響到垛型的設(shè)置和碼垛的方式。 從某種意義上來說,機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是衡量國家工業(yè)化發(fā)展程度的標(biāo)識,也是推動國家經(jīng)濟(jì)變革的重要技術(shù)。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在科學(xué)技術(shù)水平迅速發(fā)展的大環(huán)境的影響下,在醫(yī)療、食品加工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等社會生產(chǎn)及生活方面應(yīng)用越來越多,極大地提高了社會的生產(chǎn)效率。 這就意味原有依靠人工對產(chǎn)品進(jìn)行分類和放置的工作已不能滿足自動化生產(chǎn)模式的需求,尋求高效的、精確的物料檢測和分類放置系統(tǒng)變得非常必要。以新型的產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、生產(chǎn)模式為代表的新型科技經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的同時,工業(yè)機(jī)器人和人工智能技術(shù)的研發(fā)則作為國家長期發(fā)展的重中之重,是推進(jìn)國家工業(yè)建設(shè)和發(fā)展的重要組成部分。 各個國家不斷在機(jī)器人的研發(fā)與制造方面加大力度,機(jī)器人領(lǐng)域的競爭日益激烈,而國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,對工業(yè)機(jī)器人的需求量不斷增加。

我國工業(yè)機(jī)器人因起步較晚、發(fā)展較慢等原因,技術(shù)落后于一些發(fā)達(dá)國家。 隨著國家對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)前景的重視,工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也越來越多地出現(xiàn)在國家的戰(zhàn)略目標(biāo)中。 相較于國外,國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是從1970 年才開始引入的。 雖然時間上晚于國外,但是在受國內(nèi)科技發(fā)展形勢速度飛快及工業(yè)機(jī)器人的需求量激增這兩大主要因素的刺激下,國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來,特別是在焊接工業(yè)、汽車制造業(yè)、自動噴涂、加工等領(lǐng)域有了很大的發(fā)展及應(yīng)用。 國家“中國制造2025”戰(zhàn)略對工業(yè)機(jī)器人提出的要求是盡快建立更加完善的體系結(jié)構(gòu)來促進(jìn)具有智能的高科技的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。 這需要開展速度高、精確度高、智能化程度高的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究,與此同時還要開展運(yùn)行速度快、準(zhǔn)確度高的控制方法并研制功能強(qiáng)、性能好的控制器為高科技工業(yè)機(jī)器人技術(shù)提供支持,才能夠使工業(yè)機(jī)器人完成工作任務(wù)精確程度更高、速度更快。

PLC 作為常用的以電氣與計算機(jī)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的專用型工業(yè)控制器。 自20 世紀(jì)60 年代末第一臺可編程控制器問世后,經(jīng)過不斷的發(fā)展,PLC 技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中。 PLC 作為控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)、硬件類型多樣、使用簡單、可以滿足多種的控制要求、適應(yīng)性極好、編程簡單、容易掌握、安裝簡單、維修工作量小、維護(hù)方便、體積小、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

盡管我國近些年碼垛機(jī)器人的研發(fā)水平和相關(guān)技術(shù)都有了巨大的進(jìn)步,自主研發(fā)也取得了很大的成果,但還是存在著一些問題需要進(jìn)行改進(jìn),存在著一些技術(shù)壁壘需要突破。 由于我國自動拆碼垛裝置的研究還存在著一定的不足,其自動拆垛與碼垛操作還不能滿足自動化倉庫物流對安全性與效率的要求,隨著物流出入庫量的不斷加大,自動拆碼垛裝置也迎來了新的挑戰(zhàn),為提高拆碼垛裝置的自動化程度,滿足拆碼垛工作的要求,防止裝置在拆碼垛過程中出現(xiàn)故障,影響工作效率[2]。 引入PLC 與工業(yè)機(jī)器人到傳統(tǒng)的生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全自動化的現(xiàn)代化改造,保證高效、穩(wěn)定的生產(chǎn),減少人力成本的投入。 要較好地實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動控制,則對相應(yīng)的設(shè)備電氣控制就提出了較高的、較新的控制要求。 碼垛機(jī)器人的運(yùn)動控制可分為機(jī)器人位姿與軌跡控制、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取控制兩大類常規(guī)運(yùn)動控制方法的運(yùn)動控制精度低、受環(huán)境影響大、抗干擾能力弱,已經(jīng)不能滿足智能控制要求。 為解決這一問題,本文研發(fā)一種用于棧板小車和周轉(zhuǎn)箱的自動拆碼垛裝置,以期為今后自動化拆碼垛裝置的研究提供一定參考。

1 一種用于棧板小車和周轉(zhuǎn)箱的自動拆碼垛裝置的研發(fā)

1.1 設(shè)計裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人的選擇是需要考慮多種因素,一般情況下根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求選擇技術(shù)成熟、操作比較簡單、安全可靠程度高、具有實(shí)用程度高的工業(yè)機(jī)器人?？偟膩碚f,系統(tǒng)所需的用于完成物料分類放置的工業(yè)機(jī)器人需要具有成熟的技術(shù)是為工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性、便于技術(shù)人員操作、方便維修等提供支持。 基于PLC 控制構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化體系是非常重要的,做到零部件和機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)化通用化,模塊化,大力發(fā)展多功能碼垛機(jī)器人,只有這樣才能降低碼垛機(jī)器人的生產(chǎn)成本有利于碼垛機(jī)器人行業(yè)發(fā)展,也能降低后期維護(hù)和修理成本碼垛機(jī)器人制造企業(yè)行業(yè)也應(yīng)該信息共享,共同制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范實(shí)現(xiàn)行業(yè)的規(guī)范化,便于行業(yè)管理,便于完善售后體系。 現(xiàn)有的拆碼垛機(jī)器人裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)一般常如圖1—2 所示。

圖1 現(xiàn)有常用拆碼垛裝置結(jié)構(gòu)類型1

圖2 現(xiàn)有常用拆碼垛裝置結(jié)構(gòu)類型2

而本文研發(fā)的用于棧板小車和周轉(zhuǎn)箱的自動拆碼垛裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械傳動裝置,控制系統(tǒng),檢測裝置,驅(qū)動電機(jī)、限位器、調(diào)節(jié)裝置、碼垛架等組成[3],如圖3 所示。

機(jī)器人控制器是專用型控制器,只負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)機(jī)器人各軸的運(yùn)動控制、機(jī)器人與PLC 之間的信息交互保證機(jī)器人運(yùn)行的精確、高效。 機(jī)器人的控制具有精度高、運(yùn)動復(fù)雜、運(yùn)算量大,運(yùn)算速度高的特點(diǎn),因此對控制器穩(wěn)定性、運(yùn)算速度都有很高的要求。 由圖3 可知,該裝置在制作控制中要求整機(jī)自動運(yùn)行,并根據(jù)棧板小車與周轉(zhuǎn)箱具體長度,自動調(diào)節(jié)抓取與運(yùn)送數(shù)量,設(shè)定拆碼垛裝置的設(shè)定拆碼垛裝置的擺臂及拆碼與碼放速度,配合生產(chǎn)線傳輸帶的傳輸速度,拆碼垛裝置的預(yù)設(shè)以速度、長度實(shí)測值、拆碼垛數(shù)量等情況為依據(jù),實(shí)時顯示,使擺臂輸送松緊度能夠?qū)崟r調(diào)整,通過人機(jī)交互界面觀測設(shè)定參數(shù),控制設(shè)備并監(jiān)視裝置的運(yùn)行狀態(tài)及整體生產(chǎn)線的運(yùn)行情況。

圖3 自動拆碼垛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 規(guī)劃裝置拖拉棧板小車空間路徑

軌跡規(guī)劃可以在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行,即計算關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度:也可以在笛卡爾空間進(jìn)行即計算末端執(zhí)行器的位置、方向和其對時間的微分。 運(yùn)動規(guī)劃是在給定的位置之間為機(jī)器人找到一條符合約束條件的路徑,是機(jī)器人學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。 單機(jī)器人的路徑規(guī)劃是單機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的主要研究內(nèi)容之一路徑指的是連接起 點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置形成的序列點(diǎn)或曲線,而構(gòu)成路徑的策略與方法則稱之為路徑規(guī)劃。目前單個機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法可以歸納為五種:基于能量最優(yōu)的路徑規(guī)劃、基于時間最優(yōu)的路徑規(guī)劃、基于最小沖擊的路徑規(guī)劃、基于路徑最優(yōu)的路徑規(guī)劃或者將它們組合起來為主要方法來進(jìn)行路徑優(yōu)化。 這幾種目標(biāo)規(guī)劃的方法主要還是通過優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計算得到最優(yōu)解和最優(yōu)參數(shù)。 碼垛機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃按照規(guī)劃類型可以分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃,避障問題作為特殊的路徑規(guī)劃問題。 本文以自動拆碼垛裝置從加載到貨物卸載中,拖拉棧板小車的單程路徑進(jìn)行規(guī)劃,描述關(guān)節(jié)空間[4]。 構(gòu)建運(yùn)動軌跡加減速段五次多項(xiàng)式插值方程,其勻速段的線性方程式為:

式中:α1為加速段,α2為勻速段,α3為減速段,v0為前一段路徑結(jié)束角度,v1為前一段路徑結(jié)束角速度。根據(jù)空間不共線三點(diǎn)坐標(biāo),插補(bǔ)圓弧位置及數(shù)量與方向,最后進(jìn)行直線插補(bǔ),利用最后替換點(diǎn)為終止點(diǎn),確保插補(bǔ)點(diǎn)位置信息處于規(guī)劃空間范圍內(nèi),運(yùn)動軌跡與設(shè)定相符合。

1.3 配置PLC 自動控制拆碼周轉(zhuǎn)箱運(yùn)動

PLC 技術(shù)主要的工作任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息分析和存儲,在遇到相關(guān)性問題之后,可以及時通過系統(tǒng)來獲取到所需要的相關(guān)信息,從而起到輔助工程順利推進(jìn)的作用。 在運(yùn)動控制模塊驅(qū)動4 個伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動,驅(qū)動拆碼垛裝置運(yùn)動[5]。 由拆碼垛裝置的末端位解算對應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動量,其拆碼垛裝置運(yùn)動學(xué)正解映射T0,一個期望位姿Ts,公式如下:

式中:α為裝置關(guān)節(jié)角度,選取合適的初值對上式進(jìn)行求解,將運(yùn)動模型應(yīng)用在裝置中,對裝置中如多軸交點(diǎn)等特殊點(diǎn)進(jìn)行控制,消除對應(yīng)變化的矩陣,使拆碼垛裝置完成拆碼動作。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

在完成對自動拆碼垛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動控制和路徑規(guī)劃后,去現(xiàn)場進(jìn)行裝置的調(diào)試。 設(shè)定生產(chǎn)線速度為60 m/min,周轉(zhuǎn)箱的輸送線應(yīng)保證輸送周轉(zhuǎn)箱速度為15 m/min,經(jīng)過調(diào)試,本文裝置能夠在60 m/min 的運(yùn)行速率下使周轉(zhuǎn)箱排列整齊,位置固定,且沒有出現(xiàn)堆積狀況,整體裝置動作協(xié)調(diào),能夠達(dá)到兩個拆碼垛位置的周轉(zhuǎn)箱能夠及時地輸出與供給,保證了拆碼垛作業(yè)的連貫性,減少了本文裝置的等待時間。 對調(diào)試時所出現(xiàn)的問題進(jìn)行記錄,并提出解決方法,調(diào)試后效果明顯,具體情況如表1 所示。

由表1 可知,拆碼垛生產(chǎn)線中自動拆碼垛裝置速度節(jié)拍與其他各部分相匹配,避免了周轉(zhuǎn)箱堆積及損壞情況,在加快了生產(chǎn)速度的同時,提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。

表1 自動拆碼垛裝置運(yùn)行情況

3 結(jié)語

自動拆碼垛裝置在物流工程中具有較大的應(yīng)用潛力,本文研究開發(fā)了一種用于棧板小車和周轉(zhuǎn)箱的自動拆碼垛裝置,通過設(shè)計自動拆碼垛裝置機(jī)械結(jié)構(gòu),配置PLC 控制系統(tǒng),規(guī)劃裝置拖拉棧板小車的路徑軌跡,實(shí)現(xiàn)拆碼垛裝置的動作操作控制,取得了一定的研究成果。 完成了對自動拆碼垛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動控制和路徑規(guī)劃并通過現(xiàn)場進(jìn)行了裝置的調(diào)試。 分析現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果可以得出,拆碼垛生產(chǎn)線中自動拆碼垛裝置速度節(jié)拍與其他各部分相匹配,避免了周轉(zhuǎn)箱堆積及損壞情況,在加快了生產(chǎn)速度的同時,提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。 但由于時間和條件的限制,本文研究還存在著諸多不足,有待于在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討。