基于Motoman-Mpl100的全自動(dòng)飼料碼垛系統(tǒng)研究

柳國(guó)光，陳 暉，王 濤，趙劍波，劉麗敏

（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華 321017）

0 引 言

我國(guó)飼料加工行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，利潤(rùn)率低，企業(yè)通常依靠高產(chǎn)量來(lái)生存發(fā)展，單線產(chǎn)能大、柔性化要求高。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)飼料廠家在生產(chǎn)線末端的成品碼垛工作依靠人工來(lái)完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣。隨著我國(guó)人口紅利的逐漸消失，勞動(dòng)成本快速上升，飼料加工企業(yè)招工日益困難，人員流動(dòng)加快，嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常運(yùn)行。因此，提高企業(yè)自動(dòng)化程度已成為飼料加工企業(yè)擺脫行業(yè)困境、提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的唯一途徑。傳統(tǒng)橋式碼垛設(shè)備具備一定的自動(dòng)化程度和兼容性，但設(shè)備占用空間大、碼垛速度慢、垛型不規(guī)整，而機(jī)械式碼垛設(shè)備盡管占地較小，并且在碼垛速度和質(zhì)量上都有了一定的提高，但通用性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已逐步被市場(chǎng)所淘汰。機(jī)器人碼垛系統(tǒng)憑借其高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)特性以及優(yōu)越的制造柔性在各行業(yè)迅猛發(fā)展［1-4］。

本研究主要介紹基于歐姆龍PLC和安川Moto?man-Mpl100工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)飼料碼垛系統(tǒng)的研制及其在生產(chǎn)中的實(shí)際運(yùn)行情況。

1 總體布局及工作流程

系統(tǒng)采用雙線雙托式布局，總體布局如圖1所示。覆蓋生產(chǎn)車間兩條飼料生產(chǎn)線的飼料碼垛工作，系統(tǒng)采用機(jī)器人完成飼料由上料位到碼垛位的搬運(yùn)及起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，采用PLC控制氣動(dòng)機(jī)械抓手完成飼料的抓取和碼垛工作。其工作流程為:袋裝飼料從兩條生產(chǎn)線上陸續(xù)傳來(lái)，到達(dá)上料位后觸發(fā)檢測(cè)傳感器，PLC根據(jù)傳感器信號(hào)設(shè)置相應(yīng)外部狀態(tài)標(biāo)志位，并通過I/O板卡將外部狀態(tài)信息傳給機(jī)器人控制器，機(jī)器人控制器根據(jù)物料到位情況以及各碼垛位狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的程序完成一次碼垛工作。機(jī)器人一次碼垛過程:機(jī)器人到達(dá)指定取料位，將“可以取料”信息傳給PLC，PLC獲取信息后通過電磁閥控制安有汽缸的機(jī)械抓手抓取飼料，并通過汽缸磁性開關(guān)將“完成取料”信息傳給機(jī)器人控制器，機(jī)器人再將飼料快速搬運(yùn)到碼垛位并將“可以碼垛”信息傳給PLC，由PLC通過汽缸完成碼垛工作。

圖1 總體布局

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，機(jī)器人先將飼料運(yùn)往碼垛位1碼垛，之后將根據(jù)實(shí)際情況選擇碼垛位，當(dāng)其中一個(gè)碼垛位碼垛完畢后，可以由叉車直接取走成跺飼料并更換空托板，機(jī)器人則自動(dòng)往另一碼垛位碼垛，保證碼垛系統(tǒng)無(wú)間斷工作，實(shí)現(xiàn)效率最大化。

2 碼垛系統(tǒng)

碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣控制設(shè)計(jì)兩部分，碼垛系統(tǒng)的大部分動(dòng)作由機(jī)器人完成，運(yùn)動(dòng)部件少，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。電氣控制設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)，涉及硬件系統(tǒng)、觸摸屏、PLC和機(jī)器人控制器等多個(gè)方面，是碼垛系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，進(jìn)行碼垛系統(tǒng)的整體控制［5-9］。觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備與PLC連接，以完成人機(jī)交互相關(guān)功能，而機(jī)器人控制器（DX100）作為軌跡運(yùn)動(dòng)專用控制器完成飼料搬移工作的空間軌跡控制，該控制器通過專用I/O卡和數(shù)據(jù)通訊線與PLC相連，在獲得外部狀態(tài)信息的同時(shí)向PLC傳遞機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模塊和外圍模塊的協(xié)調(diào)工作。其他檢測(cè)控制器件直接與PLC連接，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，整個(gè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。

圖2 硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)碼垛系統(tǒng)功能模塊的劃分，軟件系統(tǒng)相應(yīng)分為觸摸屏程序、PLC控制程序和機(jī)器人控制程序3個(gè)部分，PLC程序作為主控制程序完成整個(gè)流程的控制功能，觸摸屏程序完成人機(jī)交互功能，機(jī)器人控制程序完成運(yùn)動(dòng)軌跡控制功能。

2.2.1 總體控制流程

碼垛系統(tǒng)整體控制流程如圖3所示，PLC根據(jù)外部傳感器采集的上料位狀態(tài)數(shù)據(jù)，將不同的狀態(tài)位置“1”并通過I/O卡傳給機(jī)器人控制器（DX100），機(jī)器人控制器根據(jù)外部狀態(tài)位狀態(tài)及內(nèi)部碼垛位狀態(tài)確定取料位及碼垛位置，然后調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行飼料的抓取、搬運(yùn)及碼垛工作，完成一次碼垛操作后，機(jī)器人控制器通過I/O卡將完成信息傳給PLC以開始新的一次碼垛作業(yè)。

2.2.2 機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人編程如圖4所示，本研究首先對(duì)全自動(dòng)飼料碼垛系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，然后使用安川MotoSim仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并輸出相應(yīng)的機(jī)器人程序［10-12］。再通過示教器在搭建好的碼垛系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵位置點(diǎn)的校驗(yàn)及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在手動(dòng)模式下的取料、搬運(yùn)及碼垛動(dòng)作。最后，與PLC進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，并根據(jù)系統(tǒng)的使用要求完善機(jī)器人程序。

2.2.3 人機(jī)交互軟件及PLC控制程序

圖3 碼垛系統(tǒng)控制流程

人機(jī)交互軟件通過使用觸摸屏自帶的ScrEdit軟件進(jìn)行編寫，主要包括設(shè)備初始化、參數(shù)設(shè)置、模式選擇和系統(tǒng)管理4個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其界面通俗易懂、操作簡(jiǎn)單，適合工廠環(huán)境。PLC控制程序采用歐姆龍CX-P軟件進(jìn)行編寫，主要包括手動(dòng)控制模塊、輸入輸出模塊、監(jiān)測(cè)模塊和主控制模塊4個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)控制、原點(diǎn)搜索、位置控制、信息通訊和報(bào)警提示等功能。

3 碼垛系統(tǒng)的使用情況

基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)碼垛系統(tǒng)占地面積小，對(duì)生產(chǎn)車間的物料運(yùn)轉(zhuǎn)和人員流動(dòng)基本沒有影響，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，工人經(jīng)過一定的培訓(xùn)即可掌握使用方法。該系統(tǒng)在某飼料生產(chǎn)廠家的實(shí)際使用情況如表1所示，相對(duì)于人工碼垛，基于安川Motoman-Mpl100機(jī)器人的全自動(dòng)碼垛系統(tǒng)生產(chǎn)效率高，能保證24 h不間斷的碼垛作業(yè)、最快碼垛操作節(jié)拍達(dá)到1 800次/h循環(huán)，實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)500 t，達(dá)到實(shí)際產(chǎn)能的3倍。工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，基本無(wú)工傷、職業(yè)病等情況出現(xiàn)，碼垛系統(tǒng)維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定，大大減少了人為因素導(dǎo)致的減產(chǎn)、停產(chǎn)等突發(fā)狀況，碼垛整齊一致，沒有人工碼垛中出現(xiàn)的坍塌現(xiàn)象。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，碼垛工作無(wú)需人員干預(yù)，能替代8～12名熟練碼垛工人，每年可降低20萬(wàn)～40萬(wàn)運(yùn)營(yíng)成本。

圖4 機(jī)器人編程

表1 碼垛系統(tǒng)與人工碼垛比較結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究研制的基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)飼料碼垛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，人機(jī)交互性能突出，適合絕大多數(shù)飼料企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，通過對(duì)機(jī)器人程序和夾具的簡(jiǎn)單調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)袋裝、箱裝、桶裝等各種包裝類型的碼垛作業(yè)，具備極好的制造柔性，能滿足產(chǎn)品多樣化的需求。同時(shí)該系統(tǒng)還具備高度的自動(dòng)化水平，能大幅降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而其較低的資金投入需求以及顯著的效益提升，符合國(guó)內(nèi)飼料廠家的實(shí)際需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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