基于工業(yè)機(jī)器人的立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉華鋒，葉桂鑫，姚堅(jiān)濤，彭寶裕

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)以其存儲(chǔ)量大、空間利用率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各類倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的立體倉(cāng)庫(kù)主要由立體貨架和碼垛機(jī)組成，立體貨架用于存放物料，碼垛機(jī)用于搬運(yùn)物料，碼垛機(jī)需要做行列識(shí)別與判斷才能取到對(duì)應(yīng)的貨物。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也開始應(yīng)用于立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)上，可以提升系統(tǒng)的空間利用率，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)仿真圖如圖1 所示。系統(tǒng)主要由存儲(chǔ)單元、執(zhí)行單元、工具單元以及主控單元組成。

圖1 系統(tǒng)仿真圖

1.1 存儲(chǔ)單元

存儲(chǔ)單元是用來(lái)存放物料的。存儲(chǔ)單元由貨架、氣動(dòng)托盤、漫射式傳感器、磁性開關(guān)以及指示燈組成。貨架共6 個(gè)倉(cāng)位，上下各3 個(gè)，每個(gè)倉(cāng)位的底板都是氣動(dòng)托盤，用于托放物料，當(dāng)氣動(dòng)托盤伸出倉(cāng)位的時(shí)候，物料也隨之伸出倉(cāng)位。漫射式傳感器用于檢測(cè)每個(gè)倉(cāng)位有沒有存放物料，磁性開關(guān)用于檢測(cè)氣動(dòng)托盤伸出是否到位，指示燈用于指示每個(gè)倉(cāng)位的存儲(chǔ)狀況，當(dāng)對(duì)應(yīng)倉(cāng)位有物料的時(shí)候，綠色指示燈亮，當(dāng)對(duì)應(yīng)倉(cāng)位沒有物料時(shí)，紅色指示燈亮。

1.2 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元是用來(lái)拖動(dòng)工業(yè)機(jī)器人完成工具拾取和物料取放的。執(zhí)行單元由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、絲桿滑臺(tái)裝置、三個(gè)對(duì)射式光電傳感器以及工業(yè)機(jī)器人組成。工業(yè)機(jī)器人安裝在絲桿滑臺(tái)裝置上，伺服電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于拖動(dòng)絲桿滑臺(tái)裝置，三個(gè)對(duì)射式光電傳感器用于定位控制，分別安裝在絲桿滑臺(tái)裝置的正極限、負(fù)極線以及原點(diǎn)位置上。

1.3 工具單元

工具單元是用來(lái)存放各種氣爪的。為方便工業(yè)機(jī)器人拾取物料，在工業(yè)機(jī)器人的6 軸上安裝有氣動(dòng)快換插頭，氣動(dòng)快換接頭一般是氣路的末端。氣動(dòng)快換接頭內(nèi)部有多條氣體通路，切換氣動(dòng)快換接頭電磁閥的控制狀態(tài)便可以安裝和取下快換氣爪，切換快換氣爪電磁閥的控制狀態(tài)便可以?shī)A緊和松開氣爪。

1.4 主控單元

主控單元由西門子PLC、觸摸屏以及按鈕組成，用來(lái)啟停系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及指定倉(cāng)位取放物料的。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備組態(tài)

為保證硬件系統(tǒng)能夠安全、可靠并且能夠按照生產(chǎn)工藝流程運(yùn)行，系統(tǒng)采用西門子S7-1212（DC/DC/DC）型PLC 作為系統(tǒng)的主控制器。S7 1200型PLC 因其功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。該P(yáng)LC 有Profinet 接口，可以用于與觸摸屏、編程計(jì)算機(jī)及其他帶以太網(wǎng)接口的設(shè)備通信。在本系統(tǒng)中，PLC 通過(guò)FR8210 Profinet 適配器遠(yuǎn)程模塊控制執(zhí)行單元和立體倉(cāng)庫(kù)，并與觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)取放物料命令的發(fā)送及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

2.2 取料工藝流程

立體貨架采用工業(yè)機(jī)器人取料比較方便快捷，可以通過(guò)觸摸屏指定取料，也可以讓立體貨架依次自動(dòng)推送工件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料。取料流程圖如圖3所示。通過(guò)主控單元上的按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)先判斷有沒有通過(guò)觸摸屏發(fā)送指定取料的命令，若指定了倉(cāng)位，則對(duì)應(yīng)倉(cāng)位的氣動(dòng)托盤依次伸出貨架，工業(yè)機(jī)器人接收到對(duì)應(yīng)倉(cāng)位伸出到位的信號(hào)后，開始運(yùn)動(dòng)至工具單元前，取下對(duì)應(yīng)的氣爪后，再運(yùn)動(dòng)至貨架伸出的氣動(dòng)托盤前，取下物料再運(yùn)動(dòng)至下一站點(diǎn)（放置物料處），當(dāng)工業(yè)機(jī)器人從伸出的氣動(dòng)托盤上取走物料并放置好后，工業(yè)機(jī)器人發(fā)送取料完成信號(hào)給PLC，PLC 接收到信號(hào)后，將氣動(dòng)托盤縮回原位。若系統(tǒng)判斷沒有通過(guò)觸摸屏指定庫(kù)位，貨架會(huì)按照從左至右、從上至下的順序自動(dòng)推料，再下發(fā)取料信號(hào)給工業(yè)機(jī)器人。

圖3 系統(tǒng)取料流程圖

指定取料優(yōu)先于自動(dòng)取料，當(dāng)設(shè)定了指定取料后，系統(tǒng)會(huì)先執(zhí)行指定取料的任務(wù)，待指定取料任務(wù)完成后，再自動(dòng)取料。對(duì)于已經(jīng)執(zhí)行過(guò)指定取料的倉(cāng)位，在執(zhí)行自動(dòng)取料任務(wù)時(shí)，即使該倉(cāng)位有料，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳過(guò)該倉(cāng)位，去取下個(gè)未執(zhí)行指定取料任務(wù)倉(cāng)位上的物料。此處可建立“取料選擇”一維數(shù)組，數(shù)據(jù)內(nèi)含6 個(gè)元素，用于標(biāo)記該料倉(cāng)是否被取過(guò)物料，當(dāng)料倉(cāng)被取過(guò)物料則標(biāo)記為1，料倉(cāng)為被取過(guò)則標(biāo)記為0，標(biāo)記為1 的料倉(cāng)位在后續(xù)取料時(shí)會(huì)被直接跳過(guò)。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 庫(kù)位存儲(chǔ)狀態(tài)讀取

PLC 在推送物料前需要先判斷各倉(cāng)位上是否有物料，因此，需要先讀取貨架上各倉(cāng)位的存儲(chǔ)狀態(tài)信息。在每個(gè)倉(cāng)位下都安裝有一個(gè)漫射式光電傳感器，當(dāng)對(duì)應(yīng)的倉(cāng)位上有物料時(shí)，傳感器的輸出狀態(tài)為1，當(dāng)對(duì)應(yīng)倉(cāng)位上沒有存放物料時(shí)，傳感器的輸出狀態(tài)為0。可以采用PEEK_BOOL 指令讀取存儲(chǔ)地址指令來(lái)讀取各倉(cāng)位上存儲(chǔ)信息。PEEK_BOOL 讀取存儲(chǔ)地址指令的使用說(shuō)明如圖4 所示。

圖4 PEEK_BOOL 指令參數(shù)說(shuō)明

庫(kù)位的存儲(chǔ)信息是通過(guò)安裝在庫(kù)位下方的傳感器檢測(cè)信號(hào)來(lái)判斷的，此處的AREA 選擇的區(qū)域應(yīng)該為16#81，DBNUMBER 應(yīng)該為0，BYTEOFFSET 為待讀取的地址，物料存儲(chǔ)檢知傳感器在PLC 中的分配地址為I4.0-I4.5，此處BYTEOFFSET 填寫的地址應(yīng)該為4，BITOFFSET 為待讀取的位，此處需要讀取I4.0-I4.5 這6 個(gè)地址的信息，故此處引入臨時(shí)變量“倉(cāng)位號(hào)”，循環(huán)判斷6 次后，即可讀取6 個(gè)庫(kù)位的存儲(chǔ)信息。

3.2 料倉(cāng)推料寫入

料倉(cāng)推料分為兩種情況，第一種情況是在觸摸屏上指定了取料位，取料位上有料且指定取料位允許取料，這時(shí)料倉(cāng)便將指定的倉(cāng)位推出。第二種情況是沒有在觸摸屏上指定取料位，這時(shí)，料倉(cāng)便按照從左往右、從上往下的順序依次將存有物料的倉(cāng)位推出。可以選用POKE_BOOL 寫入存儲(chǔ)位指令推料，POKE_BOOL 寫入存儲(chǔ)位指令使用方法如圖5 所示。

圖5 PEKE_BOOL 指令參數(shù)說(shuō)明

料倉(cāng)推料屬于輸出信號(hào)，此處的AREA 選擇的區(qū)域應(yīng)該為16#82，DBNUMBER 應(yīng)該為0，BYTEOFFSET 為待讀取的地址，料倉(cāng)推料的電磁閥在PLC中的分配地址為Q6.0-Q6.5，此處BYTEOFFSET 填寫的地址應(yīng)該為6，BITOFFSET 為待寫入的位，此處需要寫入Q6.0-Q6.5 這6 個(gè)地址的信息，故此處引入臨時(shí)變量“倉(cāng)位號(hào)”，VALUE 為待寫入的值，要推出料倉(cāng)的話，需要將對(duì)應(yīng)料倉(cāng)氣動(dòng)托盤的值修改為1，此處應(yīng)該為1。這樣循環(huán)判斷6 次后，即可推出6個(gè)料倉(cāng)。如圖6 所示。

圖6 料倉(cāng)物料識(shí)別樣例程序

3.3 料倉(cāng)伸出信息傳遞

料倉(cāng)被推出后，需要發(fā)取料信號(hào)給工業(yè)機(jī)器人。當(dāng)1 號(hào)料倉(cāng)的氣動(dòng)托盤被推出后，氣缸伸出到位信號(hào)I5.0 便會(huì)檢測(cè)到該伸出信號(hào)，PLC 接收到該倉(cāng)位伸出信號(hào)后，再通過(guò)組輸出信號(hào)通知工業(yè)機(jī)器人過(guò)來(lái)取1 號(hào)倉(cāng)位的物料。其余的5 個(gè)料倉(cāng)取料過(guò)程與此類似。為節(jié)省PLC 與工業(yè)機(jī)器人的通信端口，此處采用組信號(hào)通信。6 個(gè)料倉(cāng)伸出到位信號(hào)需要3 個(gè)PLC 輸出端口。具體對(duì)應(yīng)表如表1 所示。

3.4 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ABB IRB120 型機(jī)器人來(lái)執(zhí)行物料的拾取和放置。該工業(yè)機(jī)器人具有DeviceNet 協(xié)議接口。DeviceNet 是一種基于CAN 總線技術(shù)的開放型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它能夠?qū)LC、編程計(jì)算機(jī)、傳感器等工業(yè)設(shè)備接入總線網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)提供一個(gè)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人在DeviceNet接口上通過(guò)CAN 電纜連接遠(yuǎn)端模塊FR8030 適配器，再利用遠(yuǎn)端模塊FR8030 適配器上的輸入輸出端口與西門子PLC 的遠(yuǎn)端模塊FR8210 適配器上的輸入輸出端口對(duì)連，這樣，機(jī)器人控制信號(hào)便可以通過(guò)總線適配器在DeviceNet 總線通信的I/O 端口上傳輸，且在傳輸至PLC 遠(yuǎn)端模塊上的I/O 端口上仍保留完整的DeviceNet 協(xié)議。

工業(yè)機(jī)器人的取料位信息由PLC 通過(guò)組輸入輸出信號(hào)傳遞。當(dāng)貨架的氣動(dòng)托盤伸出到位后，會(huì)反饋一個(gè)信號(hào)給PLC，PLC 接收到此信號(hào)后，便通過(guò)與工業(yè)機(jī)器人對(duì)接的端口發(fā)送倉(cāng)位號(hào)信息，工業(yè)機(jī)器人接收到信號(hào)后，便夾取對(duì)應(yīng)倉(cāng)位上的物料。物料取走后，發(fā)取料完成信號(hào)給PLC 便準(zhǔn)備取下一個(gè)物料了。

以1 號(hào)倉(cāng)位取料為例說(shuō)明工業(yè)機(jī)器人取料的完整過(guò)程。當(dāng)1 號(hào)料倉(cāng)的氣動(dòng)托盤伸出貨架后，PLC 的I5.0 端口會(huì)檢測(cè)到氣動(dòng)托盤伸出到位信號(hào)，PLC 的組輸出信號(hào)I16.0 置位，I16.1 和I16.2 復(fù)位，輸出值為二進(jìn)制的001，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制即為1。工業(yè)機(jī)器人FR1108 模塊接收到此信號(hào)后，di0=1，di1=0，di2=0，工業(yè)機(jī)器人做信號(hào)識(shí)別，如果工業(yè)機(jī)器人接收到的數(shù)字為1，工業(yè)機(jī)器人滑行至工具單元，取完工具后再滑行至貨架前取1 號(hào)料倉(cāng)的物料。取走物料并放到指定位置后再發(fā)取料完成信號(hào)給PLC，讓PLC 復(fù)位1 號(hào)料倉(cāng)的氣動(dòng)托盤。1 號(hào)料倉(cāng)氣動(dòng)托盤復(fù)位后，2號(hào)料倉(cāng)的氣動(dòng)托盤伸出貨架，如此循環(huán)，直至取完所有物料。

3.5 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可視化管理，實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的存儲(chǔ)情況，并能實(shí)現(xiàn)指定取料功能，在系統(tǒng)中引入了觸摸屏。觸摸屏采用了西門子公司生產(chǎn)的KTP900 BASIC 觸摸屏，該觸摸屏提供一個(gè)PROFINET 接口，可以輕松實(shí)現(xiàn)與西門子系列PLC通信。觸摸屏畫面設(shè)計(jì)的很簡(jiǎn)單，通過(guò)物料狀態(tài)欄可以清楚的觀測(cè)到存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀況，通過(guò)取料選擇欄可以指定取料位。請(qǐng)求取料為系統(tǒng)取料開始按鈕，按下此按鈕，系統(tǒng)便開始取料。如圖7 所示。

圖7 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

4 調(diào)試與總結(jié)

以西門子S7-1200 型PLC 作為系統(tǒng)的主控制器，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化監(jiān)控與管理，將工業(yè)機(jī)器人安裝在絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)上，利用伺服電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)拖動(dòng)絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而來(lái)控制工業(yè)機(jī)器人的行程，以便于工業(yè)機(jī)器人在貨架、工具單元以及物料放置處往復(fù)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)指定取料和自動(dòng)取料。本系統(tǒng)可以提升立體倉(cāng)庫(kù)的空間利用率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。