基于颜色识别的分类码垛机系统集成

霍天龙　张博

摘要：实际生产中由于某些产品生产效率低下，导致机器人不能完全发挥作用。为有效利用设备和节约成本，提出了一种基于颜色识别的分类码垛系统设计方法。该系统使用1台机器人对2种物品进行分类码垛，通过颜色识别传感器识别出物品的种类，PLC接收种类信号进行内部程序处理后，再把信号发送给机器人，机器人对物品进行分类码垛。系统仿真和应用实验结果验证了该方法的有效性和可行性。

关键词：颜色识别;机器人;系统集成;分类码垛

中图分类号：TP242.2 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0135—04

0引言

机器人凭借其结构简单、动作快速灵活、故障率低等优点，在搬运码垛领域应用日趋广泛。实际生产中，大部分机器人码垛机都是针对一种物品进行堆叠码垛。然而有些产品生产效率低下，机器人不能完全发挥作用，经常出现机器人等物料的情况，不仅牺牲了设备的有效生产率，而且浪费了能源。针对此问题，本文把两条生产线的物料汇集在同一条生产线上，以物品不同颜色为分类特征，使用一台机器人对物品进行分类码垛，提出了一种新型的机器人码垛机控制系统集成方法。

1机器人码垛机系统

1.1系统结构组成

本文以料袋码垛机为例，系统组成结构如图1所示。二分类机器人码垛生产线的核心设备主要由料袋输送机、取袋输送机、码垛机器人、料袋夹具、位于机器人两侧的托盘输送机和垛盘输送机等组成。两条生产线产出的成品料袋被汇集在一条生产线，经由料袋输送机到达取袋输送机位置，等待机器人码垛下线。料袋输送机处颜色识别传感器、光电传感器的位置关系及料袋、料袋自身特征颜色区等如图2所示，图中箭头方向为料袋输送方向。

1.2系统控制方案

本控制系统是以PLC和工业机器人为控制核心，搭配触摸屏、颜色识别传感器、交流接触器、变频器、光电检测开关、交流异步电机、中间继电器、电磁阀等构成。系统集成框图如图3所示。

为提高机器人码垛机操控便捷性，触摸屏常常被用来和PLC通信，完成现场信息的获取、处理、编程作业、控制、规划和整个机器人系统的统筹管理等功能。本文采用西门子型号为MP277的触摸屏与313C-2DP型号的PLC通过MPI协议进行通信。

机器人与PLC的系统集成通信方式主要通过I/O板卡或总线进行，I/O板卡只能与PLC进行数字量信号通信，当需要通信的数据量较大时，该方案不可行。为尽量减少现场工作人员操作机器人示教器，要求PLC和机器人之间有大量数据通信，故应采用总线通信，常见的总线主要有Profibus、Devi-eeNet、ProfiNet或Ethernet等。由于本文采用西门子品牌PLC，采用Profibus总线进行通信。

颜色识别传感器的功能是识别料袋的特征颜色后把信号反馈给PLC，本系统采用基恩士CZ-V21色标识别传感器。该传感器具有3种检测模式：（1）C模式，根据色彩成分（红、绿、蓝）检测标的物;（2）C+I模式，根据色彩成分（红、绿、蓝）和光强度（接收到的光的数量）检测标的物;（3）Super Ⅰ模式，根据光强度（接收到的光的数量）检测标的物。输出信号为24V开关量信号，检测距离为50～95 mm。本文采用以C模式检测料袋颜色。

2系统电气原理图设计

根据控制系统集成结构图，设计系统电气原理部分接线如图4所示。触摸屏通过总线连接器连接在PLC的MPI接口处，机器人系统则连接在PLC的DP接口处，分别使用MPI和Profibus通信协议。本文处理的料袋为二分类，故色标传感器只需要2根信号线反馈给PLC作为分类依据。图中的光电传感器是三线制，黑色线是信号反馈线。鉴于篇幅有限，本文不再赘述完整的系统接线图。

3系统软件设计

打开西门子SIMATIC Manager软件，插入SIMATIC 300station站点，根据实际PLC组成分別插入对应的CPU和I/O模块，在硬件窗口下点击选项按钮安装ABB机器人GSD文件，安装完成后将Anybus-CC PROFIBUS DP-V1挂接在DP总线上。配置机器人DP地址为10，通信波特率为500 k，机器人和PLC的输入输出信号的起始和终止地址分别为48和111，数据长度为64 byte。硬件系统配置如图5所示。

打开ABB Robotstudio仿真软件进行机器人侧通信参数配置，选择660型号机器人创建系统，打开虚拟示教器，进入控制面板中的配置系统参数，在Unit Type中添加DP_SLAVE配置，并对其参数进行设定，配置总线类型为Profibus，输入输出信号长度均为64 byte，如图6所示。在Unit中添加Profi-bus_DP，Type of Unit为DP_SLAVE，Profibus Address为10。如图7所示。上述过程已完成了机器人和PLC之间的基本通信配置，连接好通信电缆后，机器人和PLC之间即可进行总线通信。由于篇幅有限，按照工程需求配置需要通信的参数在此不做详述。

参考基恩士CZ-V21色标识别传感器技术手册，使用颜色传感器探头对准料袋特征颜色训练识别模型，定义颜色传感器对2个种类的料袋信号输出如表1所示。

由于色标识别传感器是实时检测和响应的，实际应用中料袋上存在其他较多干扰颜色的可能性，如不在程序中做进一步处理，会给识别结果造成很大影响，使得识别成功率大幅度下降。基于此问题，本文在色标识别传感器前面增加了一个光电传感器，当料袋被输送至光电传感器时触发其输出信号给PLC，PLC响应该信号后经过一定延时后再接收色标传感器的颜色识别信号，由此保证了颜色传感器能够识别到料袋特征颜色区。PLC程序设计流程如图8所示。料袋识别成功后，机器人接收料袋种类信号进行分类码垛。识别失败时，系统报警停车，等待人工处理。

李亚军等提出的方法设计机器人程序，在原程序的基础上增加另外一侧的程序编写，根据机器人系统从PLC收到的分类信号选择不同的方向码垛。

4系统仿真与工程应用

4.1系统仿真

使用RobotStudio软件创建IRB660机器人、取袋输送机、料袋、两侧的垛盘输送机等，如图9所示。

按照上节介绍的方法通过离线编程方式编写ABB机器人程序并加载到控制器中，示教机器人料袋抓取位置，码垛位置后并执行数据保存。运行机器人程序，使用软件模拟仿真接收PLC发出的料袋分类信号，机器人可以根据收到不同的码垛信号进行左右分类码垛。设定夹具抓取料袋时间为0.1s，放下料袋时间为0.1s。垛型按照一层3袋，共10层设定，通过仿真测得机器人1h内左右侧方向同时码垛可完成1026次循环。

4.2实际工程应用

仿真测试结果初步验证了系统集成方法的可行性。为进一步探究其实际工程应用效果，把本文研究方法应用到生产实际中。如图10所示，由于该案例尚处在实验阶段，故省去了机器人左右侧的跺盘输送机。按照前文介绍的方法分别编写PLC程序、机器人程序，触摸屏程序，使用料袋训练色标传感器分类模型。调试好机器人及周边设备后运行系统并记录实验数据，最终测得机器人运行速度为每小时993次循环，分类码垛正确率为99.874%。

实验结果表明，机器人运行速度基本满足生产要求，但分类准确率未达到100%，反复实验查找原因发现，有个别料袋特征颜色区有一定破损或有其他颜色污染。更换一批全新料袋后再次进行实验，除个别料袋输送姿态原因外，其余料袋均能被正确分类码垛，最终测得分类准确率为99.998%。

5结束语

本文结合企业机器人码垛机实际使用情况，应用基恩士色标传感器、西门子PLC、ABB机器人等提出了一种基于色带识别的二分类机器人码垛机系统集成方法。该方法在物料生产效率低下情况下，把2种物料汇集到一条生产线，提高机器人的使用效率，节约了企业设备成本。还可根据实际使用情况增加颜色识别传感器的分类样本到3种，只需编写PLC相关程序以及机器人第三个方向的码垛程序即可。仿真结果和应用实验均表明本方法能够满足企业实际生产。