基于机器人群控技术的码垛生产线控制系统

腰晓凯

摘要：以某药业车间一层自动包装系统及码垛线设备项目为背景，针对多品种、小批量的生产模式，对码垛生产线控制系统进行研究设计。引入机器人群控技术，设计并实现了使用三台工业机器人对应四个码垛工位的码垛生产线。利用西门子S7-300 PLC对机器人及其外围设备进行控制，采用优先级的方式避免了机器人的冲突并节省了机器人的等待时间，利用工业计算机和力控软件设计了远程监控系统，可以实现远程操作。

关键词：码垛；工业机器人；机器人群控；远程监控

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）22-0236-03

Abstract： This is designed for a pharmaceutical workshop layer of automatic packing and palletizing line system equipment ，in view of the many varieties but small batch production mode. It is designed with three Industrial robots work for four palletizing workstations with multi-robot cooperation technology. Using the Siemens S7-300 PLC to control the robots and peripheral equipments， using the method of priority to avoid the conflict of the robots and save the waiting time.Whats more the remote monitoring system can be realized by using the industrial computer and the force control software.

Key words： pallet； industrial robot； multi-robot cooperation； remote monitoring

据调查， 在商品的整个生产过程中，大约仅有5%的时间用于加工和制造，而大量的时间用于包装、检测、存储和运输。劳动成本仅占中成本的10%左右，而存储和运输等费用接近一半[1]。这是因为，当前我国的许多企业还处于人力搬运的落后阶段，有些公司虽然部分实现了自动化，但其自动化程度还不够高，传统的物流仓储模式极大地占用了生产运输时间和商品成本[2]。由此可以看出通过码垛机器人技术的运用来降低生产运输过程中的时间和经济成本是极为必要的，该技术在提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力。

1 系统要求

对码垛工业机器人程序主要有两个方面的要求[3]：一方面，不同大小的物件机器人执行进的距离不同；另一方面，不同物件的放置位置不同。以往，为了满足上述要求，每当物件改变一次，就需对程序进行一次修改。对于某些品种多、生产批量小的企业，需要频繁的修改，显然不够便捷且不易管理。因此，文中对控制系统的要求为：系统集中管理，具有便捷的人机交互；工业机器人能根据预设值或传感器检测值控制执行器的行进距离，完成对不同大小物件的抓取及放置动作；工业机器人能根据预设自动分配位置，将物件进行堆垛。

码垛生产线的工作流程可分为成品输送分流，空托盘输出供应和成品垛输出三部分。成品箱输送分流是指产品经过包装成为密封完好的成品箱之后输送至码垛工位的过程，首先成品箱经过扫码区，读取到产品信息之后根据产品信息由分流机构对纸箱进行分流使其进入不同的工位。当出现重码、条码不能识别等情况时，则进行人工处理。空托盘输出供应是指托盘从托盘库输送到码垛工位的过程，为了便于管理托盘出库后首先进行扫描记录，每个托盘都有一个唯一的识别码，当码垛作业完成时会释放一个码垛完成的信号，此时成品垛从作业位置移出并将空托盘输送到对应位置。成品垛输出部分是指成品垛输送线及升降设备将成品垛输送至仓库的过程。工艺流程如图1所示。

2 系统控制原理

本设计以西门子S7-300 PLC为主控制器，机器人及其外围设备为执行机构，工业计算机为上位机，实现车间码垛线上多台机器人的远程监控。系统框图如图2所示。

码垛工作由3台工业机器人完成。机器人经Profibus总线与主电柜PLC进行通讯[4]。主PLC向机器人发出相应的码垛指令，码垛机器人将动作的执行情况向PLC进行回馈。上位机不直接与机器人进行通讯，而是通过与PLC的通讯读取机器人信息。上位机采集到输送设备以及机器人的信号和数据，再通过PLC对其进行相应控制。在上位机读取信息后，可以对机器人的手动/自动状态、启停状态进行切换，对码垛速度和动作编号等变量进行读取和设定。

机器人之间采用集中式控制方式：使用一台机器人作为主站，另外两台作为从站，构成了一个相互干涉的控制网络[5]。每个机器人都将各自的动作路径和码垛情况上传到网络中，另外还接收其临近机器人的动作路径和码垛情况，通过相应的逻辑运行来判断此时应该是执行码垛指令还是等待命令。

3 多机协作控制算法

3.1 空间布局

图3是码垛生产线的空间布局图，本系统中使用三台机器人对应四个码垛工位。这个是针对产品分类较多而且出料不甚密集的生产线的设计，减少了机器人的等待时间同时也降低了成本。

这一过程可通过精确数学位置计算和计算机辅助仿真来实现：

产品输送线之间的距离S

输送线最大来箱速度

由于系统中使用三台机器人对应了四条输送线，其中2号输送线和3号输送线是有两台机器人对其进行作业，而1号输送线和4号输送线是一台机器人对其进行作业，因此，各输送线所能承受的最大来箱速度是不同的。设一台机器人码一箱的时间为t，则：

在分箱机制可承受范围内，总输送线的最大来箱速度

在附近输送线停止来包的情况下，1，4号输送线最大来箱速度

2，3号输送线最大来箱速度

在生产中可根据各产品的生产速度对输送线进行分配。

完成空间位置精确布局后，各机器人之间的干涉区域就得到确定。在机器人码垛示教的过程中，就要注意进行分段或分区域示教，以保证各机器人在其安全区域内高效工作。

3.2 机器人群控任务分配算法

多机器人多生产线码垛时，各机器人均受中央控制器控制，根据生产线上的信号状态来接受任务、产生对应动作。中央控制器首先要读取每条生产上的产品预约信号，根据预约信号指令对应机器人做好码垛准备，当产品准备信号发送至控制器时，指令相应机器人抓取码垛。具体信号规则对应如下：

（1）当预约信号检测到输送线来箱时，向指定机器人发送预约信号，预约机器人前来取箱；

（2）当纸箱继续前行，触发准备就绪信号，机器人对该箱进行码垛操作；

（3）机器人优先对其对应的优先码垛位进行码垛作业，以1号机器人为例，当产品输送线1、2同时有料时，1号机器人抓取输送线1上的产品进行码垛；当输送线1无料、输送线2有料、而2号机器人正处于工作状态时，1号机器人抓取输送线2上的产品进行码垛。

（4）当输送线对应的机器人全部处于工作状态时，纸箱在等待区等待，各输送线都由多段滚筒组成，建立了积放系统，最大限度的增强了系统适应性。

4 监控系统的设计及实现

系统采用北京三维力控公司的ForceControl（力控）软件在实现对生产车间码垛线的实时监控，该监控系统主要由用户登录和退出系统、监控界面、设备操作、网络状态、报警信息等区域组成。

其中，用户登录和退出系统是为了保证系统的安全性，系统设定了拥有不同操作权限的用户组，只有正确登录后才可以进行相应的操作；监控界面包括控制主画面、机器人工作状态画面、气路画面、工作台画面、故障诊断画面等，将现场设备的布局和工艺流程真实的模拟出来，可以实时的监测现场的工作情况和数据；设备操作是设置了专门的操作界面，主要是对码垛机器人的操作和对普通设备（如传送带、升降机等）信息以及各个码垛工位箱型的查询和设定；网络状态是对各设备之间网络是否连通进行监控，通过设备的颜色对其网络的状态进行直观的判断；报警信息主要包括故障时间、类型、位置和原因四个方面，在上位机上可以直接读取报警历史记录，便于设备维护和改进。

5结束语

经过研究，本文将机器人群控技术应用到码垛生产线中，实现了一条由三台机器人为四个码垛工位码垛的自动化码垛生产线，能够快速精确地对多种成品件进行码垛处理，具有操作方便、结构合理、生产效率高、稳定性强、便于维护等优点。目前已经应用于某药厂车间，节约了成品入库的时间和成本，对于提高生产效率和质量效果显著。

参考文献：

[1] 陈汉超. 码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策[J].科技与企业，2015（13）：230.

[2] Mahalik N P.Processing and packaging automation systems： a review.[J]. Sensing and Instrumentation for Food Quality and Safety，2009，3（1）：12-25.

[3] Lu Dunmin，Tian Ye，Gao Daoxiang，Li Qiongyan School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China. Analysis of Universal Control System of Manipulating Industrial Robot[A]. IEEE.Proceedings of 2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology（ICCSIT 2011） VOL07[C].IEEE：，2011：4.

[4] 魏志丽. 基于Profibus_DP的工业机器人在自动生产线中的循环操作控制[J].机电工程技术，2013（6）：25-27+64.

[5] 乔正. 码垛机器人运动控制方法及多机协作策略研究[D].上海交通大学，2014：67-78.