高職院校工業機器人技術應用大賽策略研究

凌旭 陳立 戴俊良

摘要：全國職業院校高職組工業機器人技術應用競賽以工業機器人倉儲分揀生產線實訓平臺為基礎，通過自動化立體倉庫和堆垛機單元、AGV運輸機器人搬運單元、工業視覺檢測系統單元、自動化輸送線單元、步進電機裝配單元、工業機器人搬運裝配單元等六大單元的相互配合，完成零件出庫、識別、裝配以及返庫等全部流程。本研究通過對最新的大賽試題進行研究分析，通過改變編程思路，使得工業機器人在裝配流水線上的極限裝配位置都能順利完成比賽的要求、縮短比賽時間，有利于幫助學生在賽場上發揮優異成績。

關鍵詞：倉儲分揀;工業機器人;技能大賽;視覺檢測

中圖分類號：G4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0230-02

0 ?引言

教育部主辦的全國職業院校技能大賽高職組“工業機器人技術應用”賽項，自2015年舉辦至今，每年的題目難度越來越大，對學生的要求越來越高[1-2]。該賽項設備模擬倉儲分揀生產線系統實訓設備的相互配合來完成機器人關節零件模型的出庫、搬運、識別、裝備以及返回倉庫的過程。本文的研究對象主要以工業機器人在倉儲分揀生產線上進行極限位置裝備為研究，設計一套能夠覆蓋盡可能多的極限裝配位的程序，最終完成對整個工件進行組裝及返回倉庫，大大節省比賽時間，為學生在競賽中指明方向。

1 ?倉儲分揀生產線工作原理

倉儲分揀生產線系統包括：自動化立體倉庫和堆垛機單元、AGV運輸機器人搬運單元、工業視覺檢測系統單元、自動化輸送線單元、步進電機裝配單元、工業機器人搬運裝配單元等。倉儲分揀以工件為研究對象，系統流程以運輸工件和組裝工件為核心展開。根據工件類型，組裝成品的方法有很多;工件編號的最后一位數字不相同就可以組裝一套成品，其中次品C-1和D-1是不能組裝的，直接中途返庫;工件組裝成品的裝配流水線，共有14個位置，分為G7成品庫，G8裝配工位，G9備品庫。如圖1所示。

工作原理：工件擺放在立體倉庫上，堆垛機依次從下到上從右到左出庫，工件運輸到出倉位置，放入AGV上，滿足三個后AGV離開立體庫，運輸工件到自動化輸送線上，工件進入視覺拍照區域，拍照完成后進入抓取工位，機器人抓取工件放入裝配流水線上。根據工件類型，出庫順序和裝配流水線位置限制，整個流程中最需要考慮的是如何在有限的裝配位中，找到極限裝配位，在什么樣的情況下會出現裝配流水的裝配工位已經全部滿，無法進行下一步裝配等。

如表1所示，以下10種方案均認為是系統裝配的極限情況作為研究。

2 ?倉儲分揀生產線硬件

自動化立體倉庫與堆垛機：主要是由立體倉庫、堆垛機組成。立體倉庫總長約2800mm，高度約1900mm，共有28個倉位，倉位上的傳感器采用BPS8系列傳感器定位系統，測量精度±2mm，最大線速度為4m/s;堆垛機由三個軸組成，前后運行的為X軸，采用渦輪減速裝置;左右運行的為Y軸，采用的是雙齒條行程倍增機構;上下運行的為Z軸，采用的是鏈條提升機構;G120變頻器控制碼垛機速度，最大速度16#4000（轉化為十進制16384）。

AGV運輸機器人：AGV機器人是由車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統、驅動裝置、轉向裝置、精確定位裝置、移載機構、通信單元和導引系統和HMI觸摸屏，三色燈等組成。

工業視覺檢測系統：為信捷SV4-30ML型智能相機，內含有數字圖像處理（DSP）芯片，能夠與PC機脫離，單獨的進行圖像運算處理。相機與 PLC 之間采用 Modbus/TCP協議通信。

自動化輸送線：主要由驅動裝置、 傳動裝置以及張緊裝置組成。選用三相220V，變頻器驅動齒輪電機，齒輪傳動比1：300。

步進電機裝配：以步進電機為動力，采用雷賽的86電機，步進電機是將電脈沖轉化為角位移執行機構，通常步進角是15°，最大速度600～1200rpm，加速時間0.1～1s。

工業機器人：為匯博HR20-1700-C10型工業機器人，其負載為 20kg工業機器人，其最大展開半徑為1722mm，共有六個自由度。

工業機器人與 PLC 之間采用Modbus/TCP 協議通信，其中工業機器人是服務器端，PLC為客戶端，所以PLC是主動讀取和寫入數據。

3 ?倉儲分揀生產線軟件

3.1 HMI觸摸屏設計 ?HMI觸摸屏設計，倉庫操作界面包括每個倉位有無貨物的顯示狀態、各限位傳感器的運行狀態、每個軸的運動出倉順序、堆垛機的停止、暫停、復位、數據清除等功能，以及顯示堆垛機的當前位置、工件出入庫的順序等。AGV運輸機器人HMI觸摸屏包括出庫模式和入庫模式兩種模式、接收或發送信號狀態顯示、載運托盤個數顯示、運行方向控制、運行速度控制、循跡參數設計、運行方向手動控制。

3.2 自動化立體倉庫和AGV運輸機器人設計 ?自動化立體倉庫和AGV機器人是運輸工件為主，出庫主要過程：選倉，然后點擊啟動按鈕，堆垛機就會自動的進行抓取，前往出倉位，把工件放置到AGV上，當滿足三個的時候發送信號給AGV離開立體庫，把工件送往流水線;入庫主要過程：選倉，堆垛機前往出倉位，到AGV運輸機器人上取回工件，在放入立體倉庫上，最后自動回原點。

3.3 PLC的通信設計 ?視覺相機和工業機器人與 PLC 之間采用Modbus/TCP 協議通信，其中工業機器人是服務器端，PLC 為客戶端，所以PLC是 主動讀取和寫入。PLC與機器人，相機Modbus/TCP通信應調用通訊模塊“MB_CLIENT”。

工件運輸到輸送鏈上，首先會進入相機拍照工位，相機拍照通過與PLC通信把圖片的數據發送給PLC，經過PLC內部的數據轉化，在與機器人進行通信把數據發送給機器人，機器人完成一個任務后反饋一個信號給PLC完成抓取，把工件放置到裝配到流水線上。

3.4 系統編程程序思路 ?系統的整個流程，需要從自動化立體倉庫和堆垛機把工件出庫，通過AGV運輸機器人把托盤運輸到流水線上，進入視覺相機拍照工位，拍照完成把數據傳輸到PLC中，經過數據處理把數據傳輸給機器人，工業機器人通過已經示教好的點位與PLC通信來做出對工件的抓取或放置在裝配流水線上，在裝配流水線上進行組裝，最后在以成品的方式返庫。

裝配流水線一共只有14位置，必須要留一個位置出來進行裝配定位;按照表1出倉順序，以前是無法完成任務。因此，采用坐標的方法，根據G7，G8，G9每個裝配位的大小，距離和形狀，在PLC中的DB數據塊把每一個位置建立一個虛擬的坐標，通過相機與PLC通信，把工件類型、大小、角度發送給PLC，找到適合放置的位置，儲存到DB數據塊中。其中G9工位3，4只能放A-3，B-3號類型工件1，2只能放A-2，B-2類型的工件。

由于工件從立體倉庫來的順序比較隨機，所以必須要考慮裝配的極限情況，根據裝配流水線的位置限制，極限工件是第13個，必須要留出1個位置出來裝配進行定位。根據裝配限制，自動化立體倉庫出完13個的時候會自動停止出庫，AGV小車停止在流水線旁邊，等待返庫。

如何做到第13個來的時候不會出錯。根據裝配流水線的14個裝配位置，按照名字可分為G7成品庫，G8為裝配位，G9為備件庫。

如何判斷裝配位是否為空：根據裝配位之間的距離會把每一個位置都設計一個坐標值，同時也會在PLC程序里面建立一個DB數據塊，來類似于裝配流水線的工位。相機拍照采集工件的信息，利用通信發送給PLC，通過SCL語言轉化，發送給機器人進行放置，工件數據計入到DB數據塊中，這個DB數據塊是與裝配流水線的G9，G8，G7的位置是一一對應的。當第13個工件進來后，裝配流水線上可以組裝一套成品，通過搜索DB數據塊，并把數據通過通信發送給機器人，機器人去組裝成品，放入G7成品工位，然后在HMI上面先點擊立體庫入庫的位置，選擇要返庫的成品，不能裝配的次品都會返庫回去。立體倉庫會根據選擇的指定位置進行中途返庫，入庫完成后堆垛機會自動復位，回到原點位置。數據重新清理一次，立刻自動重新出庫，剛剛入庫回來的工件不再次出庫，立體庫自動選擇的時候，會調用另一個SCL語言程序塊，這里面的數據不會把剛剛返庫回來的數據計入進來。最后把以前沒有出庫的工件全部出庫。只要出庫的工件可以與裝配流水線上的工件組成一套就會優先組裝一套，組裝完成后，放置在G7成品工位。接著把后面來的工件能夠組裝的完全組裝后，全部開始返庫。入庫完成后所有的設備都會復位到初始狀態。

4 ?總結

根據最新的職業院校高職工業機器人技術應用大賽試題進行研究分析，通過改變編程思路，使得工業機器人在裝配流水線上的極限裝配位置都能順利完成比賽的要求、且大大縮短比賽時間，有利于指導學生在賽場上發揮優異成績，進一步達到以賽促教的成果。

參考文獻：

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