码垛机器人生产线控制系统的设计与实现

码垛是依照集成单元化的思想而发展起来的一项高新技术，其本质思想是将一件件物品按照规定好的模式把物品从传送带上放到托盘上堆码成垛，从而能够让单元化的物品存放、搬运、取出更方便。这样，既可以大大提高物品搬运和码垛的效率，也可以清晰的统计数量[1]。现如今，码垛机器人作为重要的搬运工具，正在被广泛地应用在不同的领域，诸如生活、教育、食品、医药等。在之前，我国机器人的技术发展还不太成熟，它的码垛工作都是通过工人来实现的，之后随着一些企业对码垛速度和质量要求的不断提升，一些传统的人工码垛方式也难以达到企业的生产要求。因此，用码垛机器人替代人工码垛的方式，提高了生产效率和经济效益，也保障了物品码垛的质量和工人的健康安全，同时减少了工人劳动力和人工费用，码垛机器人的优势越来越清晰的显现出来。

1 码垛机器人

码垛机器人，作为机械与计算机程序有机结合的产物，大大提高了生产效率。它以占地面积小、节省空间、适用性强和更加快速高效的优势，被广泛应用在搬运码垛技术上。

码垛机器人的机械结构示意图，如图1所示，它的关键结构包括底座、腰部、臀部、腕部和末端执行机构等，这些有效地满足了对码垛机器人生产线的设计要求，提高了整体的结构性能。机器人腰部的回转和机械臂的运动，均选用了伺服电机驱动的方式，并且机械臂的上下或水平方向的运动得需两个伺服电机旋转才能完成。

图1 码垛机器人机械结构

码垛机器人的工艺流程，如图2所示，首先码垛机器人的末端执行器抓取物品，物品夹紧令手臂举升使机器人腰部及物品旋转，到达堆垛位置令手臂下移，下移到合适位置使末端执行器放下物品，之后为了避免对物品堆垛的干涉应先上升一段距离，再回到初始位置。值得注意的是，当手臂举起时这一命令要在机器人腰部旋转之前进行，这样不会因干涉到其他东西而致使造成一些不必要的破坏。

图2 码垛机器人的工艺流程图

2 系统总体设计

本课题设计的码垛生产线的物品规格为550mm*360*mm*220mm，以这种规格的物品作为分析对象，来对码垛机器人生产线进行研究与实现。码垛机器人的任务是为了把抓取的物品放在托盘上，同时方便统计物品箱的数量。物品的堆垛示意图，如图3所示，它以每层横两箱加竖三箱的形式，共摆放五箱。奇数层和偶数层码垛的摆放方式不同，偶数层在奇数层的基础上旋转180度，形成横竖交错、相互堆叠的方式，加强码垛的稳固性，以防不稳固倾斜损坏物品。根据物品的高度设计了每个托盘上码垛为8层，一层五箱，每垛为40箱，这样设计的目的是为了码垛稳固不易倒，并且便于统计数据[2]。

图3 堆垛示意图

码垛机器人生产线控制系统具有结构简单、运行速度快、稳定高和扩展性强等优点，比较适用于码垛机器人生产线所处的工作环境条件。根据生产线的工艺流程，本课题采用了“HMI+PLC”的控制模式。其中控制系统设计图，如图4所示，以触摸屏作为上位机，主要进行了物品规格的输入，并且接收实时采集的数据，下位机是PLC可编程控制器，完成对码垛机器人的控制任务[3]。

图4 控制系统设计图

3 系统的硬件设计

PLC控制系统作为码垛生产线控制的核心部分，具有高的可靠性、稳定性、抗干扰能力，它使用方便，编程相对简单，在码垛生产线自动化中广泛使用。本课题设计的码垛生产线需18点数字量的输入，包括按钮、限位开关和机械手爪等，需16点数字量的输出，包括指示灯、电磁阀等[4]。需选用主控部件的模块为西门子S7-1200 CPU1214C型，其数字量为14点输入/10点输出。选用的扩展模块SM1223型，其数字量的输入输出为8×24VDC输入/8×24VDC输出。根据码垛机器人生产线的控制要求，定义了输入输出的分配情况。PLC数字量输入设计，如表1所示。PLC数字量输出设计，如表2所示。

表1 PLC数字量输入设计

表2 PLC数字量输出设计

4 系统的软件设计

4.1 下位机控制程序设计

PLC的选型和硬件分配情况已知，码垛机器人生产线主要有2种模式，分别为自动模式和手动模式。码垛生产线工作流程，如图5所示。

(1)自动模式

当传送带上有物品，传送带运动，当检测到光电传感器有信号后，传送带停止运动，抓手是否移动到达抓取点，若没有，机械臂电机继续转动，直到抓手到达抓取点，抓手闭合抓取物品，然后把物品摆放到设置好的位置码垛起来，再返回到初始的位置，之后重复循环这一动作。

(2)手动模式

通过在触摸屏上点动按钮控制码垛机器人旋转和移动方向，然后抓取物品并进行码垛工作[5]。

图5 码垛生产线工作流程

4.2 上位机设计

该控制系统的上位机监控组态以WinCC建立HMI画面，这样更加形象直观和方便操作。本系统的人机界面较为简单，主要包括主控界面、手动控制界面以及自动控制界面三大部分[6]。监控系统画面，如图6所示，监控功能是监测码垛机器人的工作情况，并显示出当前码垛机器人的工作状态。在主控制界面中，主要进行产品规格的参数设置，并实时显示当前的箱数和已抓箱数等，如图6(a)所示。在手动控制界面中，主要通过点动触摸屏上的按钮与下位机传递数据，实时的发送操作指令，进行码垛机器人的码垛任务，如图6(b)所示。在自动控制界面，主要通过按动触摸屏上的启动按钮，使码垛机器人自动进行码垛任务，从而完成对物品的搬运码垛任务，如图6(c)所示。

图6 监控系统画面

5 结束语

本文以码垛生产线为研究对象，以S7-1200PLC为核心控制器，设计出了一套码垛机器人生产线控制系统，可通过人机交互界面，更加直观的监控码垛生产线的运行状态。该系统具有功能完善、性能稳定、实时性强等优势，有效降低了工人劳动强度和企业成本，提升了工作效率和企业效益，为大中型码垛机器人生产线控制系统提供了成功经验，具有广阔的工业应用前景。