自動碼垛包裝線上機器人的應用

張 鈞 單世平

（蘭州石化公司電儀事業部 甘肅 蘭州 730060）

0 概述

目前機器人在自動碼垛包裝線上大量使用，已替代原來由人工碼垛的工作，實現了機器人自動碼垛機，減少了大量勞動力和勞動強度，大大提高了生產的效率。

1 機器人硬件組成

機器人由通用執行機構、檢測、控制系統、手持示教控制器、手爪及人機界面五大部分組成。具體如下：

1.1 執行機構

即機器人本體，其中的運動部（轉動部和移動部）稱為關節，從仿生學角度將機械人本體的有關部位分別稱為基座、平衡缸、腰部、臂部、碗部和手部。

1.2 檢測、控制系統

包括機器人控制柜，碼垛機控制柜，機器人6個軸的伺服數據采集卡、編碼器、測溫元件及限位開關組成；手爪控制部件由接近開關、光電開關、電磁閥及氣缸等組成。

機器人控制系統的核心是機器人控制柜，其硬件組成如下：計算控制單元；軸計算單元；電源模塊；整流單元；電容器儲能單元；伺服驅動單元；通訊控制單元；繼電器控制單元；串行測量電路板；后備電池及以太網通訊系統；強制風冷單元；急停開關、鑰匙開關及按鈕控制等組成。

1.3 手持示教控制器

手持示教控制器是機器人軟件設置、編輯程序、參數設置、故障診斷、零點校對、抓取膠塊點示教、膠塊卸垛點示教等。

1.4 手爪

手爪是機器人抓取膠塊的部件。包括連接閥蘭、夾板、直線導軌、電磁閥、汽缸、接近及光電開關等。

1.5 人機界面

人機界面是對碼垛機控制進行操作，是連接碼垛控制柜和機器人控制柜總線通訊，人機界面主畫面共有7個按鈕，包括“工作參數查詢”、“初始參數設定”、“I/O 點操作”、“系統故障查詢”、“手動操作”、“自動操作”、“要求回零界面”，根據需要進行相應按鈕操作實現機器人的自動碼垛等工作。

2 控制系統組成

控制器可以安裝一個或多個系統。該系統使用Robot Ware5&Robot Studio5軟件開發橡膠碼垛應用功能，應用程序用稱為RAPID編程語言的特定詞匯和語法編寫而成。這種編程語言包含了一些英文指令。指令能實現的功能很強大，可以移動機器人、配置輸出、讀取輸入。還能實現決策、重復其它指令、構造程序、與系統操作員交流等。

2.1 應用程序組件包括的內容

2.1.1 任務。包含了一個RAPID程序和系統模塊，并實現一種特定的功能。

2.1.2 任務屬性參數：設置所有任務項目的特定屬性。

2.1.3 程序：通常都包含具有不同作用的 RAPID代碼的程序模塊。所有程序必須定義可執行的錄入例行程序。

2.1.4 程序模塊：每個程序模塊都包含特定作用的數據和例行程序。每個模塊表示一種特定的機器人動作或類似動作。

2.1.5 數據：是程序或系統模塊中設定的值和定義。數據由同一模塊或若干模塊中的指令引用，其可用性取決于數據類型。

2.1.6 例行程序：包含一些指令集，指令是對特定事件的執行請求，它定義了機器人系統實際執行的任務。例行程序也包含指令需要的數據。

2.1.7 錄入例行程序：被定義為程序執行的起點。每個程序必須含有名為main的錄入例行程序，否則程序無法執行。

2.1.8 系統模塊：每個系統模塊都包含有實現特定功能的數據和例行程序。系統模塊通常由機器人制造商或生產線建立者編寫。

2.2 內存結構

2.2.1 主機RAM內存

RAM內存是主機位于計算機主板上的主要內存，內存在所有程序執行過程中通過處理器使用，該內存的內容包括：RAPID代碼；配置數據，配置文件創建后不能更改；文本；內部狀態，這些數據記錄所有機器人軸的狀態和位置、所有I/O以及與系統相連接的每一操縱器狀態等；事件日志。

2.2.2 系統硬盤/閃盤驅動

這是控制模塊的主要海量存儲單元，位于控制模塊前端。取決于控制器版本，存儲單元是硬盤驅動或閃盤驅動，而且大小也不同，啟動時，數據從硬盤驅動加載入RAM內存中。如果系統被人為關閉，或因停電而關閉，文件將保存到控制器硬盤或閃盤中。

2.2.3 SMB板（串行測量電路板）存儲器

機器人識別數據、校準數據、負荷計時器數據保存于此。

3 工作原理

碼垛機器人是整個碼垛機設備的核心部分。該碼垛機采用ABB生產IRC5系列碼垛機器人，該機器人臂展2.55米，有效負載180kg，該機器人是6軸多自由度運動系統，通過6軸的聯合運動來完成手臂水平前后運動，垂直升降運動，本體回轉運動以及手腕的旋轉運動，并保持手爪的垂直姿態。

碼垛機器人的自動動作過程是通過人為示教確定其運動起點、終點，運行軌跡由機器人通過一定算法實現最佳運行路經。碼垛機器人控制平臺本身對機器人所能達到的空間位置有限位，對機器人起限位保護的作用。在機器人手腕部分有兩個電磁閥和兩個接近開關，實現在抓取位置的抓取檢測控制和卸垛位置的卸垛檢測控制，當機器人手爪夾板關電磁閥得電并且手爪夾板關到位接近開關有信號以后，機器人認為手中已經抓住膠塊，然后才進行下一步動作，當機器人手爪夾板開電磁閥得電并且手爪夾板開到位接近開關有信號以后，機器人認為手中所抓膠塊已經放下，然后才能進行下一步動作。碼垛機器人在抓取至卸垛的碼垛過程中同時完成編組計數的控制，以滿足4/2和2/4編組的要求，編組方式為：橫袋時2袋為一組，豎袋時4袋為一組。

圖1-1 電控系統工作原理框圖

4 日常維護常見故障及原因分析

機器人常見故障有：過載、電腦主板燒壞、運行程序數據丟失、本體故障、示教點坐標數值偏差故障等。

4.1 最常見的故障是過載

過載分輕過載和重過載，發生輕過載后，機器人自動停止運行，故障復位后即可重新啟動，繼續執行未完程序。發生重過載后，機器人“回零”失敗，只有對“零位”超程的軸進行“校零點”后方可重新啟動。

原因分析：箱體變形；垛盤輸送輥磨損；箱體定位氣缸不到位；工藝原因，膠塊變厚；發生超程故障后機器人6個軸的某些軸找不到初始位而需要校準零點位置；膠塊試教點位置變動不準；由于突然停電，機器人停在某處，找不著初始位或主機數據丟失，校準零點后或恢復數據后與原來有偏差；膠塊變形；操作工參數設置不當；緩停機上的膠塊位置不正，機器人抓偏。

4.2 機器人電腦主板燒壞

機器人電腦主板燒壞主要是過電壓引起，過電壓產生是由于未按正常程序進行操作或防靜電接地不好造成。

原因分析：設備運行過程突然停電；機器人停、送電操作不當，產生過電壓（剛送電后電腦還在自檢過程突然停電；剛停電后儲能電容器電壓還較高時馬上又送電，造成控制電源過電壓）；機器人“回零”，即伺服初始化過程中操作“急停”之外的按鈕、開關；防靜電接地不可靠。

4.3 運行程序數據丟失

運行程序數據丟失是機器人的RAM內存中的內部狀態，即記錄所有機器人軸的狀態和位置、所有I/O以及與系統相連接的每一操縱器狀態等丟失，此故障通過“備啟動”，用存儲的故障前最近一次的正確內部狀態進行啟動，此時要對碼垛機控制柜人機界面中有關塊數和層數修改后再啟動。

原因分析：設備運行過程突然停電；機器人“回零”，即伺服初始化過程中操作“急停”之外的按鈕、開關；人為誤操作造成數據丟失。

4.4 機器人本體故障

機器人手爪與本體的法蘭連接臂斷裂故障。

原因分析：手爪抓膠不牢，膠塊未完全滑落，在手爪水平運動時與裝膠箱體碰撞；機器人運動速度修改得太低，導致其運動軌跡變化后與裝膠箱體碰撞；其他原因，裝箱位的箱體被抬高，手爪水平運動時與裝膠箱體碰撞。

4.5 機器人示教點坐標數值偏差故障

膠塊示教點坐標數值偏差，引起機器人過載故障。

原因分析：是機器人多次過載故障后，在校軸的“零點”時位置偏移累積量大造成膠塊位置示教點坐標數值偏差大引起擦箱和碰膠。

5 結論

通過上述分析，機器人長周期安全運行與維護是緊密相關的，我們必須做好每個環節，只有這樣才能使機器人工作在最佳的狀態，延長機器人的使用壽命。

［1］ABB機器人操作手冊[S].

［2］ABB機器人故障診斷手冊[S].