基于PLC的生产物流系统码垛机器人控制研究_机器人论文

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       1 引言

       在企业整个产品的生产制造过程中，生产物流发挥着重要的作用。生产物流涉及从原材料、燃料和外购零部件等投入生产系统后，在不同生产单位或者不同节点之间，按照一定的生产工艺过程所进行的加工、储存、搬运等一系列作业流程，最终产出成品并将成品入库的整个生产作业过程。在生产物流流程的包装、码垛、存储和运输等环节中，码垛操作是一项发生频率较高的活动，按照现代物流的要求，码垛应依据单元化的要求，对物料或者成品箱按照特定的模式堆码成垛，实现物料或成品箱在存储、搬运以及运输等环节中的单元化状态。码垛效果的好坏直接影响到整个生产物流系统的作业效率以及存储空间的利用率。

       随着现代机器人技术的不断成熟和其在物流系统的广泛应用，柔性化、智能化的码垛机器人逐渐成为生产车间和成品仓库中较为常见的自动化码垛设备。尤其是在处理多品种、小批量码垛作业中，传统的后处理码垛机不能适应客户多品种产品共用同一托盘的混合码垛作业特点，在这种情况下，码垛机器人凸显出高度柔性及智能化优势。

       2 基于码垛机器人的生产物流码垛系统

       人工码垛作业中对码垛对象以及堆码速度均有一定限制，且工人劳动强度大，码垛作业效率低。为了提高生产物流系统中码垛作业的效率和质量，可借助控制器、机电控制技术等先进的科学技术手段，引入码垛机器人，构建柔性化、智能化的生产物流码垛系统。

       2.1 码垛物流系统功能要求

       鉴于在多品种、小批量生产系统中，码垛机器人能够充分发挥其柔性化、智能化优势，在此以医药产品生产系统为例，通过对其生产物流系统流程的分析，进一步对码垛区码垛物流系统的功能进行分析。

       医药产品生产物流系统中的码垛区可视为一个输入输出系统，系统输入端主要输入医药产品成品箱以及托盘，在系统输出端则主要输出成品垛。如图1所示为某医药产品生产物流系统总体流程图。

       由图1可知，软袋在输入系统后经装载设备按排装入灭菌托盘，经灭菌设备灭菌后由卸载装备将其移至自动输送装置并输送至灯检套袋区，软袋经灯检套袋后被输送至装箱生产线完成如装箱、封箱等系列操作形成软袋成品箱，软袋成品箱经输送装置输送至码垛区。在码垛区，软袋成品箱将会被按类别分类进行堆码，形成成品垛，最后，利用自动输送装置将成品垛输送至立体仓库储存。而对于玻瓶生产线，利用玻瓶装箱设备对玻瓶进行装箱后，采用独立的玻瓶成品箱输送线将玻瓶成品箱输送至码垛区进行码垛。

      

       图1 某医药产品生产物流系统总体流程示意图

       2.2 生产物流系统码垛生产线总体布局方案设计

       生产物流系统中，自动码垛物流生产线的主要功能模块包括：①成品箱转向装置；②托盘供给装置；③托盘输送装置；④托盘转向装置；⑤成品垛转向装置；⑥码垛机器人；⑦成品垛输送装置；⑧空气压缩机以及驱动装置等。在实现自动码垛物流操作过程中，自动码垛生产线的动作顺序较为复杂，尤其对于大规模生产系统或储存系统来说，可能涉及到昼夜连续作业，作业强度大，因此对于自动码垛生产设备的工作可靠性要求较高。针对此特点，可在传统的码垛生产线中引入可编程控制器以及机电控制技术，结合光电检测技术共同实现成品箱的智能化、柔性化堆码。

       根据上述多品种、小批量生产系统对码垛机器人生产线的总体功能要求，首先利用条形码技术和成品箱分流系统将输入码垛物流系统中的混合成品箱进行分类，并将不同类别的成品箱分别输送至对应工位，在各个工位处设置若干码垛机器人等待对成品箱进行抓取作业。

       托盘的输送机构需要根据各个码垛生产线的托盘需求将空托盘输出，并进行分流。在码垛作业过程中，托盘输送机构将根据码垛机器人完成码垛作业后所发出的指令，将空托盘输出，并经分流输送至指定工位。为了减少在此过程中的码垛机器人码垛等待时间，一般在码垛工位前设置一个空托盘等待工位用于在码垛机器人作业时接受空托盘，在码垛机器人完成托盘码垛后直接从等待工位抓取空托盘，这样就大大提高了作业效率，减少了设备闲置时间。

       综上所述，码垛机器人码垛生产线作业流程示意图如图2所示。

       由图2可知，码垛机器人码垛生产线主要由三个部分构成，即①成品箱输送分流部分；②空托盘输出供应部分；③成品垛输出部分。

       (1)成品箱输送分流部分。产品经装箱机装箱形成成品箱后，成品箱由主输送线输送至码垛区工位，在码垛区入口位置配备有视觉系统和条形码扫描系统，对等待入区的成品箱进行扫描识别，以获取产品类别信息。根据产品条码信息，分流装置会将不同的成品箱分流至不同工位，再由码垛机器人进行码垛。成品箱输送分流装置如图3所示。

       (2)空托盘输出供应部分。托盘机为码垛生产线托盘主要供应装置，在接收到空托盘发送指令后，托盘机释放托盘，经输送线分别输送至不同的码垛工位。各工位对应位置一般备有一处于等待状态的空托盘。在码垛机器人完成一托盘的码垛作业并输出成品垛后，将自动从空托盘等待位置取出托盘进行堆码作业，而此时处于传送带的空托盘将自动补入工位前对应位置。空托盘输出供给流程如图4所示。

       托盘供给输出部分主要包括一条空托盘输送线和若干条空托盘分流线两部分，在分流输送线和主空托盘输送线交汇处由托盘转向装置将托盘推入分流线。当出现托盘工位空缺，托盘机会根据指令释放空托盘到托盘主输送线上，根据传感装置和托盘转向装置能够实现智能化供给。

      

       图2 码垛机器人码垛生产线作业流程示意图

      

       图3 成品箱分流输送作业流程示意图

       (3)成品垛输出部分。成品垛汇流输出部分包括成品垛排出输送线和成品垛输送主线以及用于成品垛搬运的升降机构。在完成码垛后，成品垛经成品垛排出输送线汇流到成品垛输送线输送至立体仓库。成品垛输出作业流程如图5所示。

       3 基于PLC的码垛机器人物流控制系统实现

       3.1 基于PLC的码垛机器人物流控制系统硬件设计

       一般情况下，物流系统是否先进可以通过其软硬件设备系统的水平来进行判断，高度机械化、自动化的码垛设备能够提高码垛生产线的先进性和作业效率。对码垛生产线的码垛机器人而言，可采用可编程控制器(PLC)对其物流控制系统进行控制。可编程控制器按照一定的算法实现信息的输入和输出控制，并借助一定的硬件设施加以实现。从系统内部结构来看，PLC系统主要包括中央处理元、存储器、电源以及输入输出接口电路四个部分。基于PLC的码垛机器人物流控制系统设计流程如图6所示。

       根据对码垛生产线中码垛机器人物流的生产工艺流程以及对码垛机器人工作原理的分析，基于PLC的码垛机器人物流控制系统主要包括：①可编程逻辑控制器；②光电传感器；③气缸；④电机；⑤控制柜；⑥触摸屏。其中，可编程逻辑控制器(PLC)和各个码垛区的码垛机器人以及码垛区现场其他设备之间通过远程I/O模块实现连接，并向码垛机器人发出作业指令，控制码垛机器人和其他设备的动作，且通过远程I/O模块能够实时将码垛机器人的作业状态回传至可编程逻辑控制器。码垛机器人在现场的码垛作业主要由IPC和运动控制卡进行控制。码垛物流生产线硬件控制系统如图7所示。

       码垛物流生产线控制系统在实际作业时需要借助人机交互界面实现PLC和系统操作人员之间的交互和沟通。在生产物流系统中，多数受控的设备要求控制系统具有很强的人机界面交互功能，以确保操作人员和控制系统之间能够进行对话和信息沟通。人机交互界面要能够清楚显示PLC的I/O状态以及现场作业的各种系统信息，并能够方便地接收来自系统操作员的各种指令以及参数设置。

       除此之外，系统采用光电传感器进行信息识别和读取，光电传感器具有结构简单、检测精度高等特点，在现代物流信息系统中应用越来越普遍。

      

       图4 空托盘输出供给流程示意图

      

       图5 成品垛输出作业流程

      

       图6 基于PLC的码垛机器人物流控制系统设计流程

      

       图7 码垛物流生产线硬件控制系统示意图

       3.2 基于PLC的码垛机器人物流控制系统软件设计

       复杂的控制系统需要借助实用的控制程序和软件系统来提高系统的可靠性和灵活性，以适应不断变化的市场需求。对于码垛物流生产线软件控制系统而言，可在PLC工作原理基础上利用编程软件FPWINGR进行设计和实现。

       (1)系统控制软件规划。在进行PLC程序设计和编程时最有效的方法就是采用模块化的程序设计。在进行设计时，围绕系统主要功能，将系统全部程序划分成若干模块。针对上述码垛机器人物流控制系统，可将其分成如下功能模块：①开机处理模块；②手动运行模块；③自动运行模块；④故障诊断以及报警模块；⑤系统演示模块。在对整个码垛生产线控制系统功能模块进行划分的基础上，需要对系统总流程进行总体规划，基于PLC的码垛机器人物流控制系统软件总体规划如图8所示。

      

       图8 基于PLC的码垛机器人物流控制系统软件总体规划

       (2)开机处理模块设计。在全部软件控制程序的最开始为开机处理程序，包括硬件初始复位操作和指针赋值指令操作。开机时，在硬件初始复位程序中，将所有挡块设置在最顶点，将托盘机托盘设置在初始位置，为了避免输送线上空托盘剩余，将托盘输送带带电运行5秒钟，送出多余空托盘。此外，在进行系统初始化时，将数据区记录数据全部清零，复位计数/计时器，将各个输出单元全部调至初始状态。

       (3)手动运行模块。手动运行模块主要用于控制现场设备按照操作者意志在作业区域范围内任意移动。手动运行操作一般发生在系统调试和故障维修时，在进行实际操作时，一般通过触摸屏上的按钮对执行部件进行设置和操作。操作者在启动手动程序时，要防止手动程序和自动程序同时启动，在进行程序设计时，手动程序主要是为了方便对各种设备进行维修所设置的“微调”程序。

       (4)自动运行模块设计。码垛生产线物流系统的主要动作模式是通过自动运行实现的，设置为自动运行模式后，系统整个运动过程都是在PLC的运算控制程序控制下执行，相对于手动控制程序，自动控制模块中的状态检测程序以及逻辑运算程序等更为复杂。自动运行模块中的主要功能包括两部分：①接收外部输入指令以及状态信号；②对接收信息和指令进行分析和处理，并根据判断调用正确的子程序，确保指令所需实现的目的能够按照程序得以实现。

       (5)故障诊断以及报警模块设计。码垛生产线系统在运行时会出现系统故障，一旦故障发生，可调用故障诊断以及报警模块，利用PLC和触摸屏的数据显示和处理功能对故障进行在线诊断和处理。一般情况下。基于PLC的码垛生产线系统常见的故障主要包括：①气缸、电机、电磁阀等硬件类故障；②成品箱或者托盘输送过程中被卡主；③码垛错位等。在系统运行过程中，故障诊断以及报警程序能够根据故障出现之前的征兆确定故障发生源，及时通过触摸屏向操作者发出报警信号。对于简单故障，诊断程序能够自动进行排除，复杂问题或者处理程序比较麻烦的故障，系统将自动报警，由操作者手动排除故障。在系统排除故障后，故障诊断及报警模块将自动建立故障库，在今后的系统运行中，当相同故障再次出现时，系统通过自动扫描故障信息对故障诊断，并和故障库中的故障信息进行匹配，根据故障类型确定由系统自动排出还是需要人工进行干预。在故障排除后，可通过触摸屏上的“故障复位”按键，对系统进行自动恢复。

       (6)系统自动演示模块设计。为了能够让操作者和系统调试维修人员能够直观掌握和了解系统功能，码垛生产线物流控制系统需要具备系统演示功能。在进行演示模块程序设计时，需要设置定时器对系统工作演示的时间设置间隔点，并且在演示过程中，如果输入端发生变化，则系统需要马上进入到正常工作状态。以托盘机手动演示模块为例，在进行托盘机手动演示过程中，托盘机输送线停止运行，在此过程中不发生空托盘输送，一旦托盘机接收到发送托盘的指令或者托盘机中有空托盘时，系统将发出报警信号，禁止演示或者退出演示过程，开始正常工作程序。托盘机手动演示模块流程如图9所示。

      

       图9 托盘机手动演示程序设计流程

       4 结束语

       为了适应生产系统中多品种、小批量产品的特点，提高对于多品种产品的物流处理能力，成品箱的码垛设备必须具备混合码垛的能力。码垛机器人凭借高度自动化、柔性化和智能化特点，满足了生产系统的这一新要求，在提高码垛作业效率、降低工人劳动强度方面效果显著，成为企业优化生产物流管理的主要手段和工具。

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