一種快遞分揀機器人工作站的控制系統設計*

畢 思 ，張 沖

（武昌工學院，湖北 武漢 430000）

機器人工作站快遞分揀與人工快遞分揀有著很大的不同，其工作的完成完全憑借機器人工作站中的示教指令和控制系統中寫入的指令，自動化程度很高，幾乎不需要人為的參與，不僅能獨立完成分揀工作，而且分揀效率高，極大地降低了對人力的需求[1-2]。基于此，為實現對快遞的高效、快速分揀，課題組設計了一款快遞分揀控制系統，主要介紹了該控制系統的軟件與硬件組成、功能以及控制系統的整體調試[3]。

1 控制系統設計

1.1 控制系統工作原理

分揀的快遞分為小件、中件和大件三種。該控制系統設計的工作原理：傳送帶起始處掃描到快遞后立即開始運作，并在經過傳送帶1/3長度的地方時，到達第一個篩選口，長度或寬度小于20 cm的快遞將掉落至小件專用傳送帶上；經過傳送帶2/3長度的地方時，到達第二個篩選口，長度或寬度為20 cm～35 cm的快遞將掉落至中件專用傳送帶上；在到達傳送帶終點時，長度或寬度大于35 cm的大件快遞將運輸至存放大件快遞的容器內；當傳送帶末端的傳感器檢測到快遞的10 s后，傳送帶停止工作[4-5]。三種快遞的容器依次按傳送帶的三等分長度擺放，并按照小、中、大的順序依次擺放。

1.2 控制系統設計

在傳送帶起始處，傳感器檢測到快遞后傳送帶開始工作，將從傳送帶上的快遞運輸至傳送帶末端，在傳送帶末端的傳感器檢測到快遞后，傳送帶停止工作。

分揀程序流程圖，如圖1所示。開始分揀作業后，貨架上的傳感器開始檢測貨架上是否存在貨物，若某點位上存在貨物，則不進行搬運；若不存在貨物，則執行快遞搬運命令，執行機器人工作站快遞搬運示教命令。但實際的程序編程邏輯與該流程邏輯有所不同，程序編程中的邏輯是在開始分揀快遞工作后直接給予工作站快遞分揀信號，在檢測到某點位上存在貨物時，將原本執行的該點位搬運指令置位不執行；而在該流程邏輯中，傳感器先檢測是否有貨物存在于點位上，再決定是否執行分揀命令，在執行順序上與程序編程邏輯存在些許差距[6-9]。

圖1 分揀程序流程圖

1.3 控制系統硬件選型

1.3.1 PLC控制器選型

PLC控制器：西門子SIMATIC S7-1200、CPU 1214C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7-214-1AG40-0XB0）。

西門子SIMATIC S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC控制器[10]。其使用靈活，易于設計及實施，可以用于控制各類型設備，滿足不同的自動化需求，并出色地完成各種高度精確的自動化任務，同時還具備支持小型運動控制系統、過程控制系統的高級應用功能。

1.3.2 機器人本體選型

機器人工作站：ABB機器人IRB 1410型機床上下料機器人。

IRB 1410型機床上下料機器人以其堅固可靠的結構而著稱，同時具有噪聲水平低、例行維護間隔時間長、使用壽命長等優勢。該機器人工作范圍大、到達距離長（最長為1.44 m），承重能力為5 kg，上臂可承受18 kg的附加載荷。機器人本體堅固，配備快速精確的IRC5控制器，可有效縮短工作周期，提高生產率。

1.3.3 編碼器選型

2500線編碼器分辨率可達10 000 P/R，最高轉速可達3 000 r/min。輸出轉矩大，速度在1 000 r/min以下為恒轉矩輸出。57步進電機發熱小、振動噪聲小。高速停止時可以做到平穩快速，無零速振蕩時可以做到運行平穩，且響應速度快，適合頻繁啟停的場合。

1.3.4 光電傳感器選型

光電傳感器：E3F1-DS8P1傳感器。

光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化從而實現控制效果的。一般情況下，由發送器、接收器和檢測電路三部分構成。課題組根據需要選擇了E3F1-DS8P1型光電傳感器。傳送帶電機為三相步進電機，其特征參數有：電機功率為1.1 kW；電壓為380 V；轉速為2 800 r/min，且價格相對便宜。此外，還包括小型、中型、大型快遞擺放貨架各1個。

1.4 控制系統程序設計

根據控制系統的控制要求以及控制流程圖，完成機器人末端的I/O通信和地址分配，如表1所示；外部控制按鈕與傳感器I/O信號分配，如表2所示。

表1 PLC與機器人I/O地址分配表

表2 外部按鈕與傳感器I/O信號分配表

小、中、大三種快遞搬運程序類似，以小件快遞為例，快遞搬運程序段1（小件貨物開始搬運）的程序設計，如圖2所示。即常開觸點M1.6接通信號后，經過常閉觸點M0.3后給M0.3常閉觸點置位信號，使常閉觸點M0.3保持斷開狀態，常開觸點M1.6無法再給信號到后續程序，常開觸點Q0.0（小件貨物點位1搬運）、Q0.1（小件貨物點位2搬運）、Q0.2（小件貨物點位3搬運）收到置位信號。

圖2 快遞搬運程序段1（小件貨物開始搬運）程序設計圖

程序段2-3（小件快遞點位1傳感器）的程序設計，如圖3所示。程序段2-3代表了光電傳感器檢測到物體后，無法再繼續分揀快遞至點位1，于是就給予程序一個啟動信號（M0.1傳感器檢測到物體信號），常閉觸點M0.0與常閉觸點M0.0復位指令形成了一個使傳感器不能再左右程序的功能，并給予常開觸點M0.2信號，繼續執行程序段3，信號經過常開觸點I0.0并執行常開觸點Q0.0（小件貨物點位1搬運）復位指令，使程序段不執行小件快遞點位1的搬運指令。

圖3 程序段2-3（小件快遞點位1傳感器）程序設計圖

1.5 控制系統調試

利用博途V14調試并檢測控制系統PLC程序是否出錯，進行仿真實驗。鼠標右鍵點擊“小件貨物搬運啟動按鈕”，將信號修改為1，即模擬開始搬運快遞，程序正常運作。啟動按鈕，點位1、2開始貨物搬運，如圖4所示。

圖4 源程序調試圖

2 結語

課題組設計的快遞分揀工作站的控制系統結合了工業機器人碼垛技術、光電傳感器檢測技術、PLC控制技術等內容，以西門子PLC作為控制器，以工業機器人的碼垛編程作為動作指令，光電傳感器作為指令判斷，將三者結合，高效地完成了快遞分揀的工作。該工作站控制系統程序簡單，只需要稍加修改就能完成其他類型物品的搬運，具有很強的適應性，可以很好地完成各種不同尺寸貨物的分揀工作。