工业机器人在两进两出码垛生产线中的应用

左怀山

（广东省技师学院，广东惠州516100）

0 引言

所谓“码垛”就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的产品实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。近年来，由于企业产品由卖方市场进入了买方市场，企业生产正在向着多品种、少批量的方向发展，企业不再能够承担一线一产品的代价，往往需要一线多产品的生产线，这就要求作为后处理设备的码垛机必须具备处理多种产品的能力。另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万个用户按订单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力。所有这些都为机器人码垛机的发展提供了机会，继20世纪70年代末日本将机器人技术用于码垛工艺以来，当前机器人码垛机的研究与开发获得了迅速的发展，柔性化水平、处理速度及抓取重量不断提高，价格不断下降。

1 在线式码垛机工作状况

在线式码垛机根据进料位置的高低，一般可分为高位式和低位式两种，其中高位码垛机运用比较广泛。对于高位码垛机来说，物料通过爬坡输送机提高其输入高度，编层后的物料放在滑板门上，通过层降或连续降的方式将层料叠放在托盘上或其他层料上。最显著的优点是速度，产能一般可以达到1 500包/h以上。但高位码垛占地面积较大，对厂房面积、高度等尺寸有要求，需要长宽高至少18 m×6 m×3.5 m的空间。而且高位码垛是根据具体产品尺寸、具体垛型来设计的，也不方便更改产品尺寸，仅允许很小的变化量（一般都在设计前期就要考虑到使用几种产品尺寸，几种垛型，垛型的长宽高是多少）。因此，现在大部分原使用码垛机的企业现在都面临需要增加系统柔性工作能力的问题，以满足日益增加的不同的用户需求。

2 工业机器人在码垛中的应用优势

近年来，机器人码垛技术发展甚为迅猛，这种发展趋势是和当今制造领域出现的多品种、少批量的发展趋势相适应的，机器人码垛机以其柔性工作能力和小占地面积，能够同时处理多种物料和码垛，愈来愈受到广大用户的青睐。工业机器人机身小而动作范围大，可以进行一个或几个托盘的同时码垛，能够灵活机动地对应进行多种产品生产线的工作，这种一机多线、一机多产品的特点正好符合当下企业的需求。

3 工业机器人码垛方案描述

3.1 工作逻辑

工作逻辑流程图如图1所示。

图1 工作逻辑流程图

3.2 选用设备

选用安川电机的MH系列——MH180工业机器人，负载180 kg，动态范围2 702 mm，搭配控制柜DX200。仿真图如图2所示。

图2 工业机器人仿真图

3.3 输入、输出I/O分配

机器人内部继电器编号规则如图3所示，继电器编号用五位数字表示，每个数值包含三个信息。其中组编号1为通用输入，编号2为通用输出；4和5分别代表专用输入和输出，专用信号采用系统默认配置。通用输入分配表如表1所示，通用输出分配表如表2所示。

图3 机器人内部继电器编号

表1 通用输入分配表

表2 通用输出分配表

3.4 主程序主要变量表及码垛功能解释

3.4.1 主程序变量表

实现码垛功能需要调用系统内的用户变量，以便在主程序和子程序之间进行数据交换和通信。以下列出了码垛功能中主要变量表，如表3所示。

表3 主程序变量表

以左侧码垛为例，首先需要手动示教工件两种摆放姿势的位置数据，并分别登录到用户位置型变量P010和P011，如图4所示。

图4 两种摆放姿势的位置变量

根据当前抓取的工件数累计不同，对应执行相应的计算代码，计算出当前工件的放置位置，并赋值给P016和P017，以便放置子程序PICKL调用。

3.4.2 左侧位置计算子程序详解

让工业机器人实现码垛功能，主要是让机器人能够根据当前搬运工件的序号，自己计算出正确的摆放位置，按一定的堆叠排列方式码放工件。以15件产品堆叠三层的码垛为例，三层的放置位置平面图及序号分配如图5所示。

如图5所示，在计算位置子程序COUNTL先对应不同的工件顺序应用JUMP指令和IF指令跳转到不同的程序段，分别计算出对应当前工况的放置位置，再把计算结果赋值给放置子程序要调用的位置变量，举例的左侧码垛放置调用的是P016和P017。

图5 三层堆叠平面图及序号分配

当拾取工件序号为1时，对应转跳到*01程序段：

*01

SET P016 P012

SET P017 P014

CALL JOB:PLACEL

RET

因为第一个工件放置位置正好与手动示教位置重合，则直接进行赋值，然后调用放置子程序进行放置，再返回主程序（这里是拾取子程序，拾取子程序接下来的指令是返回主程序）。

当拾取工件序号为2时，对应转跳*02程序段：

*02

ADD P012 P001

ADD P014 P001

SET P016 P012

SET P017 P014

CALL JOB:PLACEL

RET

如图5所示，*02工件相对*01工件正好是在X轴上正偏移一个工件长度的距离，这里直接用X轴上工件长度偏移P001进行相加，然后再赋值给P016和P017，调用子程序即可。其他对应序号的工件依次偏移叠加，根据不同的拾取序列分别放置不同的位置，完成码垛的堆叠。

4 码垛程序的柔性化定制

由于程序都是模块化编写，厂家可以根据不同的要求进行便利的修改。

（1）修改运行速度：当搬运的产品或工具因为重量增加或成品保护等需要降低运行速度时，可以分别在PICKL和PLACEL中的MOVE指令中修改速度标签。

（2）修改产品尺寸：当生产线产品更换时，可直接在MAIN主程序中直接修改D001、D002、D003三个数据，分别对应产品的长、宽、高，再手动示教抓取位置P006、P007和放置位置P010和P011即可。

（3）修改码垛堆叠方式：在机器人程序里，只要不超出机器人的最大动作范围，可任意修改堆叠的层数和堆叠的样式。如本文的程序要减少为只堆叠两层的话，可修改主程序中的以下两个命令行，

CALL JOB:FULLL IF I000>=15

JUMP*02 IF I000>=15

修改IF指令标签后的数据，把15改为10即可减少堆叠层数。需要增加层数的情况除了修改该数据外，还需在COUNTL中补充上增加的工件的计算程序段。还可预先编写好多种计算位置子程序，对应不同的产品，以便直接调用。在场地允许的情况下，还可改造成三进三出式码垛流水线。

5 结语

此次工业机器人的应用笔者运用了工作中积累的编程设计实践经验，参考了一些相关的书籍，认真分析了工业机器人码垛的工作过程及工作要点，经生产实践证明，达到了预期的效果。在国家大力推广和普及工业机器人的今天，人工智能技术的研究与生产应用已成为发展的核心追求，许多企业都陆陆续续把工业机器人应用到自己的生产线中，代替人力劳动，淘汰原有的设备。我们应把握机会，接受挑战，掌握新技术，推进新形势下我国工业机器人的快速发展。

[1]YASKAWA安川电机.DX200使用说明书：R-CTO-A220-C[Z].

[2]叶晖.工业机器人典型应用案例精析[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]蒋庆斌，陈小艳.工业机器人现场编程[M].北京：机械工业出版社，2014.