机器人柔性搬运系统的规划与应用

白建文

约克广州空调冷冻设备有限公司，广东清远，511685

0 引言

在传统制造企业中，物料的搬运大多数是通过人工完成，对于大型的物料，需要两人或者多人协作才能完成，人工操作存在的问题主要是员工劳动强度高、效率低、存在安全风险，阻碍企业的进一步发展。现阶段，企业对机器人的运用越来越普及，尤其是工业方面，使用工业机器人的情况屡见不鲜。人力成本的快速上涨进一步推动了工业机器人产业的发展。如今，世界各国都在进行机器换人，希望把人力劳动从低端工作岗位释放出来，制造业自动化水平越来越高，工厂利用工业机器人获得了更低的成本、更高的效率和更快的生产速度。为了实现上述目的，通过对现状的分析和对机器人集成系统的学习，企业规划设计了该套智能系统，以达到更好的生产管理，降低生产成本，提升企业竞争力。

1 机器人柔性搬运系统总体设计方案

该系统由上位机系统集中控制，是一个基础性的数据管理集成平台。向下，完成与PLC系统的数据通信，以实现生产计划的实时传输；向上，为应用层或其他应用系统提供数据的操作、查询接口。控制系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 控制系统网络拓扑结构示意图

1.1 机器人系统

机器人系统通过理论计算与仿真模拟，按照额定负载能力进行设计，负载和末端夹具执行器累计产生的静力和动力应在机器人负载能力和动态响应范围内，同时在安装末端执行器后，整个运动系统在完成全套动作后不会与外围安全护栏干涉。

通过现场布置情况设计，机器人臂展应在运动区域内。其他关键项如机器人运动速度、精度、自由度等均在需求范围内，机器人配安全底座，以便于现场位置调整和安装。

经过上述评估，最终选取知名品牌KUKA KR 2700 prime机器人，该系列机器人的主要特点为：①覆盖范围大，达到了负载能力与作用范围之间的平衡，让众多应用成为可能；②作业周期短，KR QUANTEC prime以其紧固的结构而著称，但同时又非常轻巧，较高的加速度值实现了更短的节拍时间；③保养需求低，KR QUANTEC prime适合各种设计方案，只需要很小的占地面积，同时维护工作也被减少到最低限度；④可以很好地满足该项目的各类需求，包括承重大、现场空间有限、活动范围大、应用环境较为恶劣等。

1.2 人机交互系统

智能化的防错系统可防止误动作造成系统的损坏。该系统涉及物料约100种左右，为了防止错误发生，在末端夹具系统安装了感应器，在抓取物料过程中会自动判断当前物料与系统指派物料是否匹配，如果匹配则继续运行，如果不一致，则设备停止运行并自动报警，提醒操作者进行处理。

现场物料切换频繁，经常会出现同一个料盘内存放2种规格以上的物料，完成一次物料切换后，通常需要在触摸屏设定产品的型号和对应的数量，系统会根据设定好的参数自动运行，确保生产过程的顺畅性和快速切换的需求。触摸屏设置等级权限，如需新增产品则需要管理权限，不得随意操作[2]。

1.3 PLC系统

系统采用型号为欧姆龙CP1H-X40DR-A的PLC主控系统，该型号PLC其基本指令处理时间约为0.15us，应用指令为0.6us，输入输出点数512点（使用远程I/O时2048点），同时采用SFC（顺序功能图）语言，程序结构化，易编、易读、易调试，运行稳定，响应速度快，可最大限度满足系统的安全性和稳定性需求。

PLC作为系统的大脑，通过接收输入单元（主要包括人机交互、上位机或者是检测元件等）的指令，通过固化的程序运行逻辑，将运算信号传递至输出单元，进而控制设备终端（包括机器人、柔性夹具系统等），完成系统需求的动作。通过定义PLC I/O点与机器人之间的对应关系，可以实现机器人与PLC的实时通信[3]。例如：PLC输出点位OUT105.01表示允许取水盘的信号，对应机器人点位IN10，当该PLC点位 OUT105.01发出输出信号时，机器人IN10会接收到该信号，机器人会自动运行完成抓取水盘的动作。

该系统配备了UPS电源，当车间突然停电时，UPG仍然能够为PLC和各类感应器提供持续的电源，以防止设备或者产品遭受异常的损坏。

1.4 柔性夹具系统

通过对现场的分析，目前该岗位需要完成约120种金属水盘和32种木底架的搬运，涉及产品种类多、数量小，除了要满足基本的搬运需求，还要满足设备的快速切换，以满足现场的使用需求。因此柔性夹具系统的规划与设计对于项目的成败起到了非常重要的作用。

对于金属水盘的吸取，按照传统的设计思路，可以通过机械抱夹、电磁铁和真空吸盘吸取等方式实现，由于待搬运产品种类多，现场空间小，机械报夹的方式难以满足，而电磁铁吸取时必须要求电磁铁磁力线与产品平行，否则存在滑动掉落的风险。经过综合评估，选取真空吸盘的方式完成金属水盘的吸取[4]。根据产品的尺寸范围，将真空吸盘分为四组，每组四个吸盘，通过伺服电机的控制，四组吸盘可以沿着X、Y轴独立移动。当吸取大型水盘时，四组吸盘同时工作，增加吸盘与水盘的接触面，保证吸取的稳定性；当吸取小型水盘时，为避免吸盘和水盘的干涉，其中两组吸盘自动移动避位，保留两组吸盘即可。上述的吸取过程可通过三维建模完成夹具的设计，但是每种类型的产品均需现场演示并反复确认后才能投入使用，以确保设备的稳定性和可靠性。系统自动运行时，机器人根据PLC的指令运行至指定位置，传感器自动感应水盘的位置，并将信号返回至PLC系统，以判断该位置的水盘与设定的水盘型号是否一致，如果一致，则机器人动作将真空吸盘与水盘表面紧密接触，同时PLC控制真空系统启动，真空吸盘与水盘表面形成负压。当真空系统的真空度压力传感器达到设定值后，PLC控制机器人动作，将水盘由原位置搬运至指定的位置；如果在设定时间内（如3S内）真空度压力传感器未达到设定值，则程序判定为系统异常，设备暂停报警，需员工确认后复位才能继续动作。

对于木底架的吸取，采用气动海绵吸盘完成。海绵吸盘具备吸力大、覆盖面积大、对木板表面粗糙度要求不高等的特点，可有效满足该需求。海绵吸盘由带导杆气缸驱动完成升降功能，当吸取水盘时，气缸自动上升避位，当吸取木底架时，气缸自动下降，当行程开关接触到木底架时，PLC控制海绵吸盘自动动作，完成吸取，当真空度压力传感器表达到设定值后，PLC控制机器人动作，将木底架由原位置搬运至指定的位置。如果在设定时间内（如3S内）真空度压力传感器未达到设定值，则程序判定为系统异常，设备暂停报警，需要员工确认后复位才能继续动作。

与NS协议相比，THNS协议将消息(2)中的B产生的随机数RB、时间戳TB与A产生的随机数以及A的身份信息用EB_S进行加密，消息(1),(3)和(4)与原协议相同。文献[11]基于SPASS特定条件下证明了THNS的安全属性，本文给出基于PCL的THNS协议描述，假设THNS协议具有安全性，应至少满足：

如上动作均为在完成后即完成一次动作循环，待上料位的产品清空后，系统才会再次自动启动。如果料盘内的物料超过最小设定数量（一般设定为3件），指示灯会自动闪烁，提醒员工提前备料，以防止因缺料导致设备停机。

1.5 安全防护系统

工业机器人在应用中需特别考虑其运行的安全性及其应急处理办法。机器人系统在应用中应考虑万一某个元器件发生不可预见的失效时，安全功能应不受影响。

在整个设备的周围设置固定防护装置，能经受预定操作的和环境的作用力。将整个机器人工作站区域进行360°机械安全防护；安全防护无锐边和凸起部分，其本身不会产生危险；护栏框架采用厚度为1.5m的钣金冲孔，高度2.2米，表面喷橙色油漆。防护区设置至少六处耐压有机玻璃，方便设备状态检测。在需要人员进出的位置和检修门设置安全门锁，具备光电联锁功能，以达到双重保护的目的；在物料的入口处安装安全光栅，具备智能互锁结构。

机器人系统操作站设置便捷的急停装置，急停后，重启机器人系统时，手动操作和复位应在限定空间外进行；机器人与外部急停装置、安全防护装置相连接的措施与急停电路联锁[5]。在机器人启动前，必须手动复位急停电路。急停电路自动复位时，任何运动部件均不会启动。由于急停或者动力源故障引起逻辑判断错误或存储状态丢失，则必须在逻辑或存储复位后再开始操作。

2 工业机器人系统的编程及控制逻辑概述

工业机器人作为该系统的主体，与柔性夹具系统共同作用，完成了整体的动作逻辑。因此，机器人运行的逻辑性、稳定性、运行轨迹等在项目的实施中起到了极其重要的作用。

KUKA机器人编程模块应始终保存在文件夹“Program”（程序）中。 也可建立新的文件夹并将程序模块存放在那里，模块用字母“M” 表示。一个模块中可以加入注释，此类注释中可包含程序的简短功能说明。模块由两部分组成，分别为源代码和数据列表。

机器人系统的编程逻辑为按照机器人停止的点位和运行的逻辑分别建立子程序，各子程序之间可以单独调用，子程序和PLC系统可以单独调用。机器人程序包括：主程序、机器人原点、取木底架、放木底架、木底架回原点、取水盘、放水盘、水盘回原点等。

其中主程序用于定义机器人抓取/放置木底架和水盘的条件，即根据PLC传输的不同的条件，机器人会做出不同的动作，在KUKA的系统内，通常该类程序的命令为：

IF(Pn=20) or (Pn=40) then

Pro=45

Else

Pro=65

Endif

设置机器人原点程序，即在发生异常时，不管在任何情况下，均可手动运行该程序回到机器人原点位置，但是在运行该程序时需确保机器人不会与其他部件发生碰撞干涉，如有干涉点，需要手动将机器人移动至安全的位置再进行自动回原点操作。另外常用的机器人编程功能包括逼近、插补、循环、变量代换等，在此系统中均得到了充分的应用。

3 结语

通过机器人柔性搬运系统的规划和应用，通过上位机、人机交互系统、PLC、机器人及柔性夹具系统等，实现了大型物料的自动搬运和快速切换。该自动化集成系统通过机器人替换原有繁重的人工搬运劳动，将员工从繁重的劳动中解放出来，转型为机器人、自动化应用维护的高技能人才，为企业的进一步自动化、智能化升级改造积累了经验，储备了人才。