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據(jù)調(diào)查，在商品的整個(gè)生產(chǎn)過程中，大約僅有5%的時(shí)間用于加工和制造，而大量的時(shí)間用于包裝、檢測、存儲和運(yùn)輸。勞動(dòng)成本僅占中成本的10%左右，而存儲和運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用接近一半[1]。這是因?yàn)椋?dāng)前我國的許多企業(yè)還處于人力搬運(yùn)的落后階段，有些公司雖然部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但其自動(dòng)化程度還不夠高，傳統(tǒng)的物流倉儲模式極大地占用了生產(chǎn)運(yùn)輸時(shí)間和商品成本[2]。由此可以看出通過碼垛機(jī)器人技術(shù)的運(yùn)用來降低生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本是極為必要的，該技術(shù)在提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。
1系統(tǒng)要求
對碼垛工業(yè)機(jī)器人程序主要有兩個(gè)方面的要求[3]：一方面，不同大小的物件機(jī)器人執(zhí)行進(jìn)的距離不同；另一方面，不同物件的放置位置不同。以往，為了滿足上述要求，每當(dāng)物件改變一次，就需對程序進(jìn)行一次修改。對于某些品種多、生產(chǎn)批量小的企業(yè)，需要頻繁的修改，顯然不夠便捷且不易管理。因此，文中對控制系統(tǒng)的要求為：系統(tǒng)集中管理，具有便捷的人機(jī)交互；工業(yè)機(jī)器人能根據(jù)預(yù)設(shè)值或傳感器檢測值控制執(zhí)行器的行進(jìn)距離，完成對不同大小物件的抓取及放置動(dòng)作；工業(yè)機(jī)器人能根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)分配位置，將物件進(jìn)行堆垛。
碼垛生產(chǎn)線的工作流程可分為成品輸送分流，空托盤輸出供應(yīng)和成品垛輸出三部分。成品箱輸送分流是指產(chǎn)品經(jīng)過包裝成為密封完好的成品箱之后輸送至碼垛工位的過程，首先成品箱經(jīng)過掃碼區(qū)，讀取到產(chǎn)品信息之后根據(jù)產(chǎn)品信息由分流機(jī)構(gòu)對紙箱進(jìn)行分流使其進(jìn)入不同的工位。當(dāng)出現(xiàn)重碼、條碼不能識別等情況時(shí)，則進(jìn)行人工處理。空托盤輸出供應(yīng)是指托盤從托盤庫輸送到碼垛工位的過程，為了便于管理托盤出庫后首先進(jìn)行掃描記錄，每個(gè)托盤都有一個(gè)唯一的識別碼，當(dāng)碼垛作業(yè)完成時(shí)會(huì)釋放一個(gè)碼垛完成的信號，此時(shí)成品垛從作業(yè)位置移出并將空托盤輸送到對應(yīng)位置。成品垛輸出部分是指成品垛輸送線及升降設(shè)備將成品垛輸送至倉庫的過程。工藝流程如圖1所示。

2系統(tǒng)控制原理
本設(shè)計(jì)以S7-300PLC為主控制器，機(jī)器人及其外圍設(shè)備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工業(yè)計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)車間碼垛線上多臺機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

碼垛工作由3臺工業(yè)機(jī)器人完成。機(jī)器人經(jīng)Profibus總線與主電柜PLC進(jìn)行通訊[4]。主PLC向機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的碼垛指令，碼垛機(jī)器人將動(dòng)作的執(zhí)行情況向PLC進(jìn)行回饋。上位機(jī)不直接與機(jī)器人進(jìn)行通訊，而是通過與PLC的通訊讀取機(jī)器人信息。上位機(jī)采集到輸送設(shè)備以及機(jī)器人的信號和數(shù)據(jù)，再通過PLC對其進(jìn)行相應(yīng)控制。在上位機(jī)讀取信息后，可以對機(jī)器人的手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)、啟停狀態(tài)進(jìn)行切換，對碼垛速度和動(dòng)作編號等變量進(jìn)行讀取和設(shè)定。
機(jī)器人之間采用集中式控制方式：使用一臺機(jī)器人作為主站，另外兩臺作為從站，構(gòu)成了一個(gè)相互干涉的控制網(wǎng)絡(luò)[5]。每個(gè)機(jī)器人都將各自的動(dòng)作路徑和碼垛情況上傳到網(wǎng)絡(luò)中，另外還接收其臨近機(jī)器人的動(dòng)作路徑和碼垛情況，通過相應(yīng)的邏輯運(yùn)行來判斷此時(shí)應(yīng)該是執(zhí)行碼垛指令還是等待命令。
3多機(jī)協(xié)作控制算法
3.1空間布局

圖3是碼垛生產(chǎn)線的空間布局圖，本系統(tǒng)中使用三臺機(jī)器人對應(yīng)四個(gè)碼垛工位。這個(gè)是針對產(chǎn)品分類較多而且出料不甚密集的生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，減少了機(jī)器人的等待時(shí)間同時(shí)也降低了成本。
這一過程可通過精確數(shù)學(xué)位置計(jì)算和計(jì)算機(jī)輔助仿真來實(shí)現(xiàn)：
產(chǎn)品輸送線之間的距離S
顯然，輸送線間的距離必須大于機(jī)器人的最小工作半徑（Rmin）且小于其最大工作半徑（Rmax），因此
S=mid(2Rmin,2Rmax) (1)
輸送線最大來箱速度
由于系統(tǒng)中使用三臺機(jī)器人對應(yīng)了四條輸送線，其中2號輸送線和3號輸送線是有兩臺機(jī)器人對其進(jìn)行作業(yè)，而1號輸送線和4號輸送線是一臺機(jī)器人對其進(jìn)行作業(yè)，因此，各輸送線所能承受的最大來箱速度是不同的。設(shè)一臺機(jī)器人碼一箱的時(shí)間為t，則：在分箱機(jī)制可承受范圍內(nèi)，總輸送線的最大來箱速度
Vmax=3600/(t/3)=10800/t (箱/h)  (2)
在附近輸送線停止來包的情況下，1,4號輸送線最大來箱速度
V1max=3600/t  (箱/h) (3)
2,3號輸送線最大來箱速度
V2max=3600/(t/2)=7200/t (箱/h) (4)
在生產(chǎn)中可根據(jù)各產(chǎn)品的生產(chǎn)速度對輸送線進(jìn)行分配。
完成空間位置精確布局后，各機(jī)器人之間的干涉區(qū)域就得到確定。在機(jī)器人碼垛示教的過程中，就要注意進(jìn)行分段或分區(qū)域示教，以保證各機(jī)器人在其安全區(qū)域內(nèi)高效工作。
3.2機(jī)器人群控任務(wù)分配算法
多機(jī)器人多生產(chǎn)線碼垛時(shí)，各機(jī)器人均受中央控制器控制，根據(jù)生產(chǎn)線上的信號狀態(tài)來接受任務(wù)、產(chǎn)生對應(yīng)動(dòng)作。中央控制器首先要讀取每條生產(chǎn)上的產(chǎn)品預(yù)約信號，根據(jù)預(yù)約信號指令對應(yīng)機(jī)器人做好碼垛準(zhǔn)備，當(dāng)產(chǎn)品準(zhǔn)備信號發(fā)送至控制器時(shí)，指令相應(yīng)機(jī)器人抓取碼垛。具體信號規(guī)則對應(yīng)如下:
（1）當(dāng)預(yù)約信號檢測到輸送線來箱時(shí)，向指定機(jī)器人發(fā)送預(yù)約信號，預(yù)約機(jī)器人前來取箱；
（2）當(dāng)紙箱繼續(xù)前行，觸發(fā)準(zhǔn)備就緒信號，機(jī)器人對該箱進(jìn)行碼垛操作；
（3）機(jī)器人優(yōu)先對其對應(yīng)的優(yōu)先碼垛位進(jìn)行碼垛作業(yè)，以1號機(jī)器人為例，當(dāng)產(chǎn)品輸送線1、2同時(shí)有料時(shí)，1號機(jī)器人抓取輸送線1上的產(chǎn)品進(jìn)行碼垛；當(dāng)輸送線1無料、輸送線2有料、而2號機(jī)器人正處于工作狀態(tài)時(shí)，1號機(jī)器人抓取輸送線2上的產(chǎn)品進(jìn)行碼垛。
（4）當(dāng)輸送線對應(yīng)的機(jī)器人全部處于工作狀態(tài)時(shí)，紙箱在等待區(qū)等待，各輸送線都由多段滾筒組成，建立了積放系統(tǒng)，最大限度的增強(qiáng)了系統(tǒng)適應(yīng)性。

4監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用北京某公司的ForceControl(力控)軟件在實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)車間碼垛線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶登錄和退出系統(tǒng)、監(jiān)控界面、設(shè)備操作、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、報(bào)警信息等區(qū)域組成。
其中，用戶登錄和退出系統(tǒng)是為了保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設(shè)定了擁有不同操作權(quán)限的用戶組，只有正確登錄后才可以進(jìn)行相應(yīng)的操作；監(jiān)控界面包括控制主畫面、機(jī)器人工作狀態(tài)畫面、氣路畫面、工作臺畫面、故障診斷畫面等，將現(xiàn)場設(shè)備的布局和工藝流程真實(shí)的模擬出來，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測現(xiàn)場的工作情況和數(shù)據(jù)；設(shè)備操作是設(shè)置了專門的操作界面，主要是對碼垛機(jī)器人的操作和對普通設(shè)備（如傳送帶、升降機(jī)等）信息以及各個(gè)碼垛工位箱型的查詢和設(shè)定；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是對各設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)是否連通進(jìn)行監(jiān)控，通過設(shè)備的顏色對其網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行直觀的判斷；報(bào)警信息主要包括故障時(shí)間、類型、位置和原因四個(gè)方面，在上位機(jī)上可以直接讀取報(bào)警歷史記錄，便于設(shè)備維護(hù)和改進(jìn)。

5結(jié)束語
經(jīng)過研究，本文將機(jī)器人群控技術(shù)應(yīng)用到碼垛生產(chǎn)線中，實(shí)現(xiàn)了一條由三臺機(jī)器人為四個(gè)碼垛工位碼垛的自動(dòng)化碼垛生產(chǎn)線，能夠快速精確地對多種成品件進(jìn)行碼垛處理，具有操作方便、結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)應(yīng)用于某藥廠車間，節(jié)約了成品入庫的時(shí)間和成本，對于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量效果顯著。

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