基于顏色識別的分類碼垛機系統集成

霍天龍　張博

摘要：實際生產中由于某些產品生產效率低下，導致機器人不能完全發揮作用。為有效利用設備和節約成本，提出了一種基于顏色識別的分類碼垛系統設計方法。該系統使用1臺機器人對2種物品進行分類碼垛，通過顏色識別傳感器識別出物品的種類，PLC接收種類信號進行內部程序處理后，再把信號發送給機器人，機器人對物品進行分類碼垛。系統仿真和應用實驗結果驗證了該方法的有效性和可行性。

關鍵詞：顏色識別;機器人;系統集成;分類碼垛

中圖分類號：TP242.2 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0135—04

0引言

機器人憑借其結構簡單、動作快速靈活、故障率低等優點，在搬運碼垛領域應用日趨廣泛。實際生產中，大部分機器人碼垛機都是針對一種物品進行堆疊碼垛。然而有些產品生產效率低下，機器人不能完全發揮作用，經常出現機器人等物料的情況，不僅犧牲了設備的有效生產率，而且浪費了能源。針對此問題，本文把兩條生產線的物料匯集在同一條生產線上，以物品不同顏色為分類特征，使用一臺機器人對物品進行分類碼垛，提出了一種新型的機器人碼垛機控制系統集成方法。

1機器人碼垛機系統

1.1系統結構組成

本文以料袋碼垛機為例，系統組成結構如圖1所示。二分類機器人碼垛生產線的核心設備主要由料袋輸送機、取袋輸送機、碼垛機器人、料袋夾具、位于機器人兩側的托盤輸送機和垛盤輸送機等組成。兩條生產線產出的成品料袋被匯集在一條生產線，經由料袋輸送機到達取袋輸送機位置，等待機器人碼垛下線。料袋輸送機處顏色識別傳感器、光電傳感器的位置關系及料袋、料袋自身特征顏色區等如圖2所示，圖中箭頭方向為料袋輸送方向。

1.2系統控制方案

本控制系統是以PLC和工業機器人為控制核心，搭配觸摸屏、顏色識別傳感器、交流接觸器、變頻器、光電檢測開關、交流異步電機、中間繼電器、電磁閥等構成。系統集成框圖如圖3所示。

為提高機器人碼垛機操控便捷性，觸摸屏常常被用來和PLC通信，完成現場信息的獲取、處理、編程作業、控制、規劃和整個機器人系統的統籌管理等功能。本文采用西門子型號為MP277的觸摸屏與313C-2DP型號的PLC通過MPI協議進行通信。

機器人與PLC的系統集成通信方式主要通過I/O板卡或總線進行，I/O板卡只能與PLC進行數字量信號通信，當需要通信的數據量較大時，該方案不可行。為盡量減少現場工作人員操作機器人示教器，要求PLC和機器人之間有大量數據通信，故應采用總線通信，常見的總線主要有Profibus、Devi-eeNet、ProfiNet或Ethernet等。由于本文采用西門子品牌PLC，采用Profibus總線進行通信。

顏色識別傳感器的功能是識別料袋的特征顏色后把信號反饋給PLC，本系統采用基恩士CZ-V21色標識別傳感器。該傳感器具有3種檢測模式：（1）C模式，根據色彩成分（紅、綠、藍）檢測標的物;（2）C+I模式，根據色彩成分（紅、綠、藍）和光強度（接收到的光的數量）檢測標的物;（3）Super Ⅰ模式，根據光強度（接收到的光的數量）檢測標的物。輸出信號為24V開關量信號，檢測距離為50～95 mm。本文采用以C模式檢測料袋顏色。

2系統電氣原理圖設計

根據控制系統集成結構圖，設計系統電氣原理部分接線如圖4所示。觸摸屏通過總線連接器連接在PLC的MPI接口處，機器人系統則連接在PLC的DP接口處，分別使用MPI和Profibus通信協議。本文處理的料袋為二分類，故色標傳感器只需要2根信號線反饋給PLC作為分類依據。圖中的光電傳感器是三線制，黑色線是信號反饋線。鑒于篇幅有限，本文不再贅述完整的系統接線圖。

3系統軟件設計

打開西門子SIMATIC Manager軟件，插入SIMATIC 300station站點，根據實際PLC組成分別插入對應的CPU和I/O模塊，在硬件窗口下點擊選項按鈕安裝ABB機器人GSD文件，安裝完成后將Anybus-CC PROFIBUS DP-V1掛接在DP總線上。配置機器人DP地址為10，通信波特率為500 k，機器人和PLC的輸入輸出信號的起始和終止地址分別為48和111，數據長度為64 byte。硬件系統配置如圖5所示。

打開ABB Robotstudio仿真軟件進行機器人側通信參數配置，選擇660型號機器人創建系統，打開虛擬示教器，進入控制面板中的配置系統參數，在Unit Type中添加DP_SLAVE配置，并對其參數進行設定，配置總線類型為Profibus，輸入輸出信號長度均為64 byte，如圖6所示。在Unit中添加Profi-bus_DP，Type of Unit為DP_SLAVE，Profibus Address為10。如圖7所示。上述過程已完成了機器人和PLC之間的基本通信配置，連接好通信電纜后，機器人和PLC之間即可進行總線通信。由于篇幅有限，按照工程需求配置需要通信的參數在此不做詳述。

參考基恩士CZ-V21色標識別傳感器技術手冊，使用顏色傳感器探頭對準料袋特征顏色訓練識別模型，定義顏色傳感器對2個種類的料袋信號輸出如表1所示。

由于色標識別傳感器是實時檢測和響應的，實際應用中料袋上存在其他較多干擾顏色的可能性，如不在程序中做進一步處理，會給識別結果造成很大影響，使得識別成功率大幅度下降。基于此問題，本文在色標識別傳感器前面增加了一個光電傳感器，當料袋被輸送至光電傳感器時觸發其輸出信號給PLC，PLC響應該信號后經過一定延時后再接收色標傳感器的顏色識別信號，由此保證了顏色傳感器能夠識別到料袋特征顏色區。PLC程序設計流程如圖8所示。料袋識別成功后，機器人接收料袋種類信號進行分類碼垛。識別失敗時，系統報警停車，等待人工處理。

李亞軍等提出的方法設計機器人程序，在原程序的基礎上增加另外一側的程序編寫，根據機器人系統從PLC收到的分類信號選擇不同的方向碼垛。

4系統仿真與工程應用

4.1系統仿真

使用RobotStudio軟件創建IRB660機器人、取袋輸送機、料袋、兩側的垛盤輸送機等，如圖9所示。

按照上節介紹的方法通過離線編程方式編寫ABB機器人程序并加載到控制器中，示教機器人料袋抓取位置，碼垛位置后并執行數據保存。運行機器人程序，使用軟件模擬仿真接收PLC發出的料袋分類信號，機器人可以根據收到不同的碼垛信號進行左右分類碼垛。設定夾具抓取料袋時間為0.1s，放下料袋時間為0.1s。垛型按照一層3袋，共10層設定，通過仿真測得機器人1h內左右側方向同時碼垛可完成1026次循環。

4.2實際工程應用

仿真測試結果初步驗證了系統集成方法的可行性。為進一步探究其實際工程應用效果，把本文研究方法應用到生產實際中。如圖10所示，由于該案例尚處在實驗階段，故省去了機器人左右側的跺盤輸送機。按照前文介紹的方法分別編寫PLC程序、機器人程序，觸摸屏程序，使用料袋訓練色標傳感器分類模型。調試好機器人及周邊設備后運行系統并記錄實驗數據，最終測得機器人運行速度為每小時993次循環，分類碼垛正確率為99.874%。

實驗結果表明，機器人運行速度基本滿足生產要求，但分類準確率未達到100%，反復實驗查找原因發現，有個別料袋特征顏色區有一定破損或有其他顏色污染。更換一批全新料袋后再次進行實驗，除個別料袋輸送姿態原因外，其余料袋均能被正確分類碼垛，最終測得分類準確率為99.998%。

5結束語

本文結合企業機器人碼垛機實際使用情況，應用基恩士色標傳感器、西門子PLC、ABB機器人等提出了一種基于色帶識別的二分類機器人碼垛機系統集成方法。該方法在物料生產效率低下情況下，把2種物料匯集到一條生產線，提高機器人的使用效率，節約了企業設備成本。還可根據實際使用情況增加顏色識別傳感器的分類樣本到3種，只需編寫PLC相關程序以及機器人第三個方向的碼垛程序即可。仿真結果和應用實驗均表明本方法能夠滿足企業實際生產。