基于PLC 的自动拆码垛装置设计与研究

马仲能,吴志刚,马志刚,李春晖,周松涛,张谢许

(广东电网有限责任公司广州供电局,广东 广州 510620)

0 引言

自动拆码垛装置是物流自动化系统中不可缺少的设备[1]。 自动拆码垛装置在物流工程中具有较大的应用潜力,本文通过拆码垛装置将周转箱按照一定顺序摆放到栈板小车上,进而实现对物品的搬运与传输。在实际应用中,货物的摆放方式是多种多样的,货物的尺寸、形状都会影响到垛型的设置和码垛的方式。 从某种意义上来说,机器人产业是衡量国家工业化发展程度的标识,也是推动国家经济变革的重要技术。

工业机器人技术在科学技术水平迅速发展的大环境的影响下,在医疗、食品加工、农业生产等社会生产及生活方面应用越来越多,极大地提高了社会的生产效率。 这就意味原有依靠人工对产品进行分类和放置的工作已不能满足自动化生产模式的需求,寻求高效的、精确的物料检测和分类放置系统变得非常必要。以新型的产业、技术、生产模式为代表的新型科技经济蓬勃发展的同时,工业机器人和人工智能技术的研发则作为国家长期发展的重中之重,是推进国家工业建设和发展的重要组成部分。 各个国家不断在机器人的研发与制造方面加大力度,机器人领域的竞争日益激烈,而国内的经济飞速发展,对工业机器人的需求量不断增加。

我国工业机器人因起步较晚、发展较慢等原因,技术落后于一些发达国家。 随着国家对机器人产业前景的重视,工业机器人的发展也越来越多地出现在国家的战略目标中。 相较于国外,国内的工业机器人技术是从1970 年才开始引入的。 虽然时间上晚于国外,但是在受国内科技发展形势速度飞快及工业机器人的需求量激增这两大主要因素的刺激下,国内工业机器人产业迅速发展起来,特别是在焊接工业、汽车制造业、自动喷涂、加工等领域有了很大的发展及应用。 国家“中国制造2025”战略对工业机器人提出的要求是尽快建立更加完善的体系结构来促进具有智能的高科技的工业机器人的发展。 这需要开展速度高、精确度高、智能化程度高的工业机器人技术研究,与此同时还要开展运行速度快、准确度高的控制方法并研制功能强、性能好的控制器为高科技工业机器人技术提供支持,才能够使工业机器人完成工作任务精确程度更高、速度更快。

PLC 作为常用的以电气与计算机控制技术为基础的专用型工业控制器。 自20 世纪60 年代末第一台可编程控制器问世后,经过不断的发展,PLC 技术已经被广泛地应用工业生产的各个领域中。 PLC 作为控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、硬件类型多样、使用简单、可以满足多种的控制要求、适应性极好、编程简单、容易掌握、安装简单、维修工作量小、维护方便、体积小、能耗低的优点。

尽管我国近些年码垛机器人的研发水平和相关技术都有了巨大的进步,自主研发也取得了很大的成果,但还是存在着一些问题需要进行改进,存在着一些技术壁垒需要突破。 由于我国自动拆码垛装置的研究还存在着一定的不足,其自动拆垛与码垛操作还不能满足自动化仓库物流对安全性与效率的要求,随着物流出入库量的不断加大,自动拆码垛装置也迎来了新的挑战,为提高拆码垛装置的自动化程度,满足拆码垛工作的要求,防止装置在拆码垛过程中出现故障,影响工作效率[2]。 引入PLC 与工业机器人到传统的生产线,实现生产线全自动化的现代化改造,保证高效、稳定的生产,减少人力成本的投入。 要较好地实现对生产线的自动控制,则对相应的设备电气控制就提出了较高的、较新的控制要求。 码垛机器人的运动控制可分为机器人位姿与轨迹控制、末端执行机构抓取控制两大类常规运动控制方法的运动控制精度低、受环境影响大、抗干扰能力弱,已经不能满足智能控制要求。 为解决这一问题,本文研发一种用于栈板小车和周转箱的自动拆码垛装置,以期为今后自动化拆码垛装置的研究提供一定参考。

1 一种用于栈板小车和周转箱的自动拆码垛装置的研发

1.1 设计装置机械结构

工业机器人的选择是需要考虑多种因素,一般情况下根据系统的设计要求选择技术成熟、操作比较简单、安全可靠程度高、具有实用程度高的工业机器人。总的来说,系统所需的用于完成物料分类放置的工业机器人需要具有成熟的技术是为工业机器人运行的稳定性、便于技术人员操作、方便维修等提供支持。 基于PLC 控制构建标准化体系是非常重要的,做到零部件和机器的标准化通用化,模块化,大力发展多功能码垛机器人,只有这样才能降低码垛机器人的生产成本有利于码垛机器人行业发展,也能降低后期维护和修理成本码垛机器人制造企业行业也应该信息共享,共同制定行业标准和规范实现行业的规范化,便于行业管理,便于完善售后体系。 现有的拆码垛机器人装置的机械结构一般常如图1—2 所示。

图1 现有常用拆码垛装置结构类型1

图2 现有常用拆码垛装置结构类型2

而本文研发的用于栈板小车和周转箱的自动拆码垛装置的机械结构主要由机械传动装置,控制系统,检测装置,驱动电机、限位器、调节装置、码垛架等组成[3],如图3 所示。

机器人控制器是专用型控制器,只负责协调机器人各轴的运动控制、机器人与PLC 之间的信息交互保证机器人运行的精确、高效。 机器人的控制具有精度高、运动复杂、运算量大,运算速度高的特点,因此对控制器稳定性、运算速度都有很高的要求。 由图3 可知,该装置在制作控制中要求整机自动运行,并根据栈板小车与周转箱具体长度,自动调节抓取与运送数量,设定拆码垛装置的设定拆码垛装置的摆臂及拆码与码放速度,配合生产线传输带的传输速度,拆码垛装置的预设以速度、长度实测值、拆码垛数量等情况为依据,实时显示,使摆臂输送松紧度能够实时调整,通过人机交互界面观测设定参数,控制设备并监视装置的运行状态及整体生产线的运行情况。

图3 自动拆码垛装置结构设计

1.2 规划装置拖拉栈板小车空间路径

轨迹规划可以在关节空间中进行,即计算关节的位置、速度和加速度:也可以在笛卡尔空间进行即计算末端执行器的位置、方向和其对时间的微分。 运动规划是在给定的位置之间为机器人找到一条符合约束条件的路径,是机器人学的一个重要研究领域。 单机器人的路径规划是单机器人运动规划的主要研究内容之一路径指的是连接起 点位置和终点位置形成的序列点或曲线,而构成路径的策略与方法则称之为路径规划。目前单个机器人的路径规划方法可以归纳为五种:基于能量最优的路径规划、基于时间最优的路径规划、基于最小冲击的路径规划、基于路径最优的路径规划或者将它们组合起来为主要方法来进行路径优化。 这几种目标规划的方法主要还是通过优化算法进行优化计算得到最优解和最优参数。 码垛机器人的运动规划按照规划类型可以分为路径规划和轨迹规划,避障问题作为特殊的路径规划问题。 本文以自动拆码垛装置从加载到货物卸载中,拖拉栈板小车的单程路径进行规划,描述关节空间[4]。 构建运动轨迹加减速段五次多项式插值方程,其匀速段的线性方程式为:

式中:α1为加速段,α2为匀速段,α3为减速段,v0为前一段路径结束角度,v1为前一段路径结束角速度。根据空间不共线三点坐标,插补圆弧位置及数量与方向,最后进行直线插补,利用最后替换点为终止点,确保插补点位置信息处于规划空间范围内,运动轨迹与设定相符合。

1.3 配置PLC 自动控制拆码周转箱运动

PLC 技术主要的工作任务是进行数据信息分析和存储,在遇到相关性问题之后,可以及时通过系统来获取到所需要的相关信息,从而起到辅助工程顺利推进的作用。 在运动控制模块驱动4 个伺服电机转动,驱动拆码垛装置运动[5]。 由拆码垛装置的末端位解算对应的关节运动量,其拆码垛装置运动学正解映射T0,一个期望位姿Ts,公式如下:

式中:α为装置关节角度,选取合适的初值对上式进行求解,将运动模型应用在装置中,对装置中如多轴交点等特殊点进行控制,消除对应变化的矩阵,使拆码垛装置完成拆码动作。

2 实验论证分析

在完成对自动拆码垛装置的结构设计及运动控制和路径规划后,去现场进行装置的调试。 设定生产线速度为60 m/min,周转箱的输送线应保证输送周转箱速度为15 m/min,经过调试,本文装置能够在60 m/min 的运行速率下使周转箱排列整齐,位置固定,且没有出现堆积状况,整体装置动作协调,能够达到两个拆码垛位置的周转箱能够及时地输出与供给,保证了拆码垛作业的连贯性,减少了本文装置的等待时间。 对调试时所出现的问题进行记录,并提出解决方法,调试后效果明显,具体情况如表1 所示。

由表1 可知,拆码垛生产线中自动拆码垛装置速度节拍与其他各部分相匹配,避免了周转箱堆积及损坏情况,在加快了生产速度的同时,提高了运行的稳定性。

表1 自动拆码垛装置运行情况

3 结语

自动拆码垛装置在物流工程中具有较大的应用潜力,本文研究开发了一种用于栈板小车和周转箱的自动拆码垛装置,通过设计自动拆码垛装置机械结构,配置PLC 控制系统,规划装置拖拉栈板小车的路径轨迹,实现拆码垛装置的动作操作控制,取得了一定的研究成果。 完成了对自动拆码垛装置的结构设计及运动控制和路径规划并通过现场进行了装置的调试。 分析现场运行结果可以得出,拆码垛生产线中自动拆码垛装置速度节拍与其他各部分相匹配,避免了周转箱堆积及损坏情况,在加快了生产速度的同时,提高了运行的稳定性。 但由于时间和条件的限制,本文研究还存在着诸多不足,有待于在后续研究中进一步探讨。