基于SIMOTION的机器人装箱工艺包的开发

（杭州娃哈哈集团有限公司 机电研究院，杭州 310018）

0 引言

目前，饮料生产线，无论是前道的灌装、贴标，还是后道的装箱和码垛，自动化程度逐年提高。在礼盒包装的八宝生产线中，为了避免包装的破损和运输方便，会把日常商超中见到的礼盒装产品装到一个大箱中，然后在进行大箱的封箱，码垛，入库，发货等工作。

文献中的装箱设备大多针对并联机器人，其具有精度高，速度快，响应快等特点，但是由于其机械结构限制，所以工作空间较小，一般用于响应速度快，工作空间小的工况下[1-3]。而我司八宝小箱装大箱工作站，对占地空间要求比较大，较适合于串联机器人，因此本装箱工作站采用的是我司自主研发的100 kg四轴串联机器人[4]。装箱生产中包含位置数据，装箱速度，装箱模式等关键参数，这些关键参数如出现错误轻则导致达不到预期的生产节拍，重则可能会造成生产事故。由于设备的操作者是一线操作工人，如这些参数由其手动输入，不仅繁琐且易出错。本装箱工作站采用 Simotion D425 作为主控器[5]，配置一块电源模块，两块双轴电机模块完成机器人的控制，同时采用西门子ET200M模块进行IO点数的扩展。目前基于Simotion机器人工作站控制的研究虽多，但由于Simotion运动控制系统并不集成装箱工艺包，且有关工艺包的开发却暂无资料可借鉴[6-10]，因此本文依靠Simotion的高度开放性进行了装箱工艺包的自主开发，使这些关键参数由专业技术人员维护，操作工人只需一键调取。

1 装箱工艺分析

本文的研究基于海宁公司八宝小箱装大箱装箱工作站，整个工作站分为整列部分，装箱部分和装箱机器人三部分。其中，整列部分主要是将整列输送带的小箱按照一定规则完成小箱的整理并等待机器人抓取；机器人本体主要是将整列部分等待区的小箱通过真空吸盘吸取后，放置到装箱输送带部分已就绪的大箱中，由4个伺服电机驱动；装箱部分实现大箱供给、定位和输出三个功能。此小箱装大箱工作站由于小箱和大箱都有多种不同的箱型，为了保证完美的装箱和生产节拍，会预先根据小箱大箱尺寸设计好大箱的装箱规则，根据装箱规则的不同在整列输送带部分会产生不同的整列方式。

2 工艺包开发

工艺包开发包括程序开发、HMI画面开发两部分。其中程序开发采用模块化的编程思想[11]，按工艺分为装箱机器人程序、大箱控制程序、产品整列程序三个子块，每个子块均留有与外部调用的接口，此种编程方式具有代码易读、方便移植的优点。

2.1 程序开发

2.1.1 机器人程序

机器人程序的功能是机器人把预先整列好的小箱八宝产品吸取并放入到已就绪的大箱中，然后返回装箱原点等待吸取产品进行下一次装箱。整个过程循环往复。根据装箱工艺，每个循环可分为抓取，放置，返回三个步骤。同时，为了方便验证工艺包数据的正确性，机器人运行模式分为自动模式，测试模式及步进模式。自动模式即连线生产时，机器人抓取产品进行装箱。测试模式是为了测试工艺包机器人位置数据的正确性，可在不抓取产品的情况下，完成整个大箱产品的装箱工作。步进模式即每点击一次启动按钮，只完成一个步骤，默认情况下，第一次点击执行抓取步骤，根据实际情况操作者也可在HMI画面上指定将执行的步骤，此种步进模式避开了成熟工艺包点击一次启动按钮只运行一条指令的弊端。这种三种模式结合三个步骤的开发模式，使得操作者可轻松完成装箱工艺包数据正确性的测试工作。同时，模块化的程序开发模式可以使机器人程序兼容码垛及装箱两种工艺场景，也可根据不同抓手及不同启动条件，预留出互联的接口，例如，抓取之前需判断机器人状态、整列状态，放置之前需判断大箱状态等，使得程序具有灵活性、安全性。程序流程见图1。

2.1.2 大箱控制程序

大箱控制部分一次可同时完成三大箱产品的装箱工作。此程序可分为大箱等待，就绪和装箱完成送出等三个步骤。大箱等待即等待空的大箱进入装箱段。大箱就绪即空的大箱已经输送到位，此时预留状态，可进行导向等操作。大箱装箱完成即机器人已装箱完毕，把大箱送出，此时可预留出箱方式选择，即可出大箱同时进大箱又可等大箱出完再进新的大箱。大箱控制部分经过这样三个连续的过程，可根据不同装箱规格以及方式灵活切换，满足不同装箱需求。

2.1.3 产品整列程序

（1）多层结构体嵌套。整列部分的参数储存采用的基本原理是自定义一个大的产品结构体，此结构体下包含产品名称，ID号，长宽高等参数及一个层结构体，层结构体下又包含抓取次数及一个抓取结构体，依此类推，嵌套下去。这种嵌套结构体使得层数，抓取，放置之间的关联简单明了，且参数是一一对应的关系，不会出现参数错落的现象。

在此原理下，参数保存到结构体，既可通过实时读取位置坐标进行赋值的方法，又可通过坐标手动修改的方式进行微调。保存的参数调出是通过将结构体的坐标值赋值到临时存储变量进行显示的。

（2）参数自动计算。在装箱工作站设计时，已预先确定好装箱规则，装箱规则有一次一箱，一次两箱等多种。参数自动计算即根据参数层的参数可一键计算出整个大箱的装箱参数，程序流程图如图2所示。

基本方法是：

（1）确定参数层的装箱参数，一般为第一层，首个小箱的参数由示教获得，第一层的其它参数既可通过偏移计算得出，也可通过手动示教获得。

（2）根据小箱产品的长宽高及待计算层与参数层的层高差依次自动计算出所有其它层的参数。

（3）对所有参数包括手动示教及自动计算的参数进行正确性校验。

参数自动计算功能减少了参数示教的麻烦，最理想状态只需示教一个抓取点，一个放置点这样一组参数，其他位置点均可通过装箱规则和大箱、小箱的箱型自动计算得到，此种方式不但省时省力也更为精准。

（3）参数的保存与载入。在2.1.3（1）节所述的嵌套结构体模式下，参数可在整个装箱循环的参数设定完后一次性进行参数的保存操作，也可方便进行参数的载入及删除操作。参数的保存，载入，删除操作分别由Simotion中的系 统 函 数 _saveUnitDataSet，_loadUnitDataSet，_deleteUnitDataSet完成。通过此方式保存的参数可以选择存储在存储卡中，数据掉电不丢失且方便进行数据的备份和恢复。

2.2 画面开发

人机交互界面的开发原则是操作简洁，参数读取写入方便[12]。此装箱工艺包主要设计了“参数”和“产品”两个界面，在“参数”画面中，可方便实现装箱参数的设置及显示，点击“自动生成全部”按钮可计算出整个大箱装箱的所有工艺参数。“产品”界面功能简洁明了，对于“保存”和“删除”功能分配了管理者权限，“载入”功能分配了操作者权限。由于管理者权限高于操作者权限，保证了操作者不能随意修改和删除工艺包的参数，从而避免生产事故的发生。

3 结语

本文针对八宝四轴串联机器人装箱工作站，开发了基于Simotion的装箱工艺包。整个开发分为机器人部分、整列部分和大箱控制三部分。工艺包程序开发采用了模块化的编程方式，三部分通过预留互联接口，使其又合为一个整体，且更易于集成到码垛工艺包中。机器人程序开发采用的三种模式和三个步骤的开发思路源于成熟机器人厂商内置工艺包又优于它们，使得操作更简洁实用。整列部分采用的内嵌结构体数据存储及参数自动计算功能，减小了工艺包数据出错的概率。此工艺包经过海宁八宝产线验证，操作简单，运行可靠，不会出现参数的丢失及误操作，值得推广。