集中分拣式机器人码垛系统设计

发表时间：2020-12-08T02:19:12.414Z 来源：《中国科技人才》2020年第23期 作者： 周冀凰

[导读] 为了提高烟草仓储中心分拣效率，本文提出了一种集中分拣式机器人码垛系统设计方案，在对改系统功能需求和总体方案设计方案进行分析的基础之上，构建了PLC控制网络，并且对成品箱分拣单元、机器人码垛单元、有轨穿梭单元等主要子单元控制系统进行了设计，本文的研究为提高烟草仓储中心分拣码垛的效率具有重要的作用。上海海烟物流发展有限公司 上海 200335

摘要：为了提高烟草仓储中心分拣效率，本文提出了一种集中分拣式机器人码垛系统设计方案，在对改系统功能需求和总体方案设计方案进行分析的基础之上，构建了PLC控制网络，并且对成品箱分拣单元、机器人码垛单元、有轨穿梭单元等主要子单元控制系统进行了设计，本文的研究为提高烟草仓储中心分拣码垛的效率具有重要的作用。 关键词：集中分拣；机器人码垛；系统设计 引言

近几年，随着烟草仓储管理的不断完善，对企业的包装生产线尤其是后段码垛机工作能力的要求都在不断提高，促使传统在线式码垛机向高速化智能化发展；另一方面产品升级换代快，新的产品包装设计形式不断推出以促进商品销售和增强市场竞争力。同时要求仓储后段处理设备也必须具有同时处理多种产品的柔性化生产能力，且能够实现车间级智能的自动化物流生产线整体规划和布局设计。以上这些需求都为机器人码垛机的普及和应用提供了很多机会[1]。

码垛简单说就是将单个的物料按照特定的规则堆码成垛[2]，实现产品快速抓取，搬运，装箱，堆垛，拆垛等作业[3]。与传统的机械式码垛和人工码垛相比，机器人码垛机优势更明显，它的柔性工作能力强，占地面积小，受到广大客户的喜爱。可灵活规划机器人的安装位置，一台机器人还可同时处理多条产品线，工作效率高。对于不同的产品，也只需要变更一下机器人的控制参数，就可以满足不同产品的作业要求[4]。

基于码垛机器人的高度灵活，集中分拣式机器人码垛生产线可以实现工厂包装线后段的柔性化码垛和智能物流，满足多品种、多批次、小批量的生产和物流要求，相比于传统在线式码垛机，集中分拣式码垛可以优化仓储布局，节省占地面积，企业设备投资成本可大幅降低，集中分拣式码垛管理提高了处理速度，降低工人的劳动强度，企业提高了生产效率，降低了生产成本，促进了经济效益的增长。对国内包装码垛生产线向高度自动化和智能化方向发展具有指导意义。 1.集中分拣式机器人码垛系统功能要求

根据烟草仓储的实际要求，规划设计一条自动码垛系统能提高劳动力，减低劳动力成本，使工作环境更安全，并能使多种产品线实现多功能化，提高生产线自动化水平。该自动码垛生产线系统建成后须满足以下要求：（1）实现自动化、柔性化码垛。可处理6条生产线，19个SKU的码垛作业平均吞吐量15箱/分钟，并预留一定的能力余量。（2）实现将已汇流输送的成品箱分拣至对应码垛产品线上。（3）实现将空托盘自动输送至码垛工位。（4）实现将成品垛稳定输送到待存放区域。（5）自动码垛的垛型图与人工码垛图样保持一致。（6）系统需要良好的人机界面，可以对设备进行手动和自动操作及设置，并可以实现对设备状态和一般生产数据的记录。（7）生产线上需要留出人工码垛的位置，在设备故障时可以人工搬运。（8）可以实现对设备状态和一般生产数据的记录。（9）满足规定生产速度，单机运行效率大于98%。

2.集中分拣式机器人码垛系统总体方案

根据所述自动码垛系统生产线总体功能要求，在生产车间内，6条包装线末端与中心输送线接驳，经过装箱机完成的成品箱分别从6条分支输送线排出，待中心输送线上箱窗口可用时，纸箱将会输送至中心输送线，在保证纸箱间距的同时，实现产品的汇流。中心输送线持续运行，在汇合6条分支输送线送入的产品后，形成连续的产品队列。首先将6条包装生产线产出的混在一起的成品箱区分开，这就需要一个成品箱集中分拣系统，此分拣系统将成品箱分拣后输送至码垛机的入口传送带，再经过纸箱转向、整理机构输送至待抓取等待工位，等待机器人的抓取，完成一系列码垛动作。由于每个成品箱的底部均印刷有按照一定的编码规则（码制）编制成的条形码，因此可采集纸箱的条码作为输入信息，在经过条码读码器对条形码识别判断后，将读出的条码信息传输给控制器，由判断的结果决定输出端向电气器件发出指定信号，从而驱动机械装置完成自动分拣成品箱的任务。

空托盘的输送也是机器人码垛系统中重要的一部分[6]，此项目中空托盘的日常整理堆放都是在仓库区域内进行，码垛区域和仓库区域相距较远，如果通过配置托盘库将卸下来的新托盘输送至码垛工位将会花费大量时间，这段时间里机器人都在等待，这将大大降低机器人的利用率和码垛速度。因此结合常规的两种设计，在仓库区域，操作人员使用叉车将10个空托盘放置在传送带上，再经传送带输送至码垛工位，由机器人取走，此机器人的抓手需要配置可抓取空托盘的机构。当机器人将10个空托盘消耗掉后，为了能立刻补充空托盘，在码垛工位前增加一个空托盘栈等待工位，这样机器人可以连续地处理20个空托盘，不仅减少了码垛工位等待的时间，也提高了工作效率。

对于将码完的成品垛移走，减少系统对人工依赖的方法就是利用传送带。根据此项目物流路线要求，成品垛需要运送至仓库区域，考虑到码垛区域和仓库区域还有一段距离，如果直接由多个码垛工位输送到仓库需要多条很长的传送带。考虑到成本问题，将多个成品垛汇流到一条托盘传送带上，再由这条传送带将成品垛输送至仓库。往复式有轨穿梭车具有动态移载的特点，可以使货物在多个不同工位之间传送，不仅可以使输送线布局更加紧凑，也能提高货物的输送效率，使得输送系统节省大量的传送带，适用于场地狭小的场合[7]。综合以上分析，确定如图1所示的自动化码垛系统流程总体架构图如下：

图1 自动化码垛系统流程总体架构图 3.系统PLC控制网络建立

综合以上分析，采用PLC分布式网络控制架构，即1个成品箱输送与分拣控制单元、2个机器人码垛控制单元、1个有轨穿梭车控制单元，每个控制单元均配置一套PLC系统，每个控制单元PLC控制器对不依赖于其他控制单元的内部逻辑进行独立运行和I/O控制，任意一个控制单元出现故障或者停止运行都不致于影响其他控制单元的正常运行。这4个控制控制通过各自的网络适配器构成星型拓扑结构的PLC网络。通过PLC网络交换指定的必要的数据和信号，完成对整个系统的协调和控制，各控制单元PLC所承受的负荷只是整个系统的一部分，因此扫描周期缩短。这种分布式PLC控制网络能提高控制系统的可靠性和灵敏性，提高系统运行效率[8]。

本控制系统PLC选用的是西门子较新型的CPU1512SP-1PN控制器，它既有S7-1500的突出性能，又如ET200SPI/O一样简单易用，适用于独立生产技术领域中对处理性能和响应速度具有中等要求的应用。CPU1512SP-1PN可被用作ProfinetIO控制器或分布智能系统（Profinet智能设备）。从资源上来说，S7-1500系列PLC比S7-300的各项指标都高出许多，运算处理时间典型值为10ns一位操作指令，浮点数运算处理时间为64ns。通信方式上来说，本系统选用Profinet通信，与以往的DP通信相比无论反应时间还是系统响应速度都有明显的提升，最小循环时间为250μs。

该系统是由4个控制单元组成，每台设备（每个控制单元）配置一台型号为CPU1512SP-1PN的西门子S7-1500PLC，分别独立完成各工作单元内的顺序流程控制，通过接收来自HMI操作屏的执行信号以及不同的传感器检测或到位信号，控制程序产生指令输出将会发送到对应的气缸电磁阀线圈、电机驱动器的控制端子，驱动电机和气缸动作。4个控制单元的PLC控制独立工作，分别地自主地完成输入输出信号处理、HMI操作和HMI监视等任务，并且具有自动模式、手动模式操作方式，并各配置一个电控柜。不同控制单元PLC之间采用以太网通信的方式传输数据信息，相互通信的PLC均接到路由器上，通过固定发送方和接收方的PLCIP地址实现信息的点对点传输，构成了完整的自动化控制系统。

图2 集中分拣式机器人码垛PLC控制系统网络拓扑图 4. 各子单元控制系统设计 4.1 成品箱分拣单元

条码扫描前端：从生产车间码垛区域第一节传送带到条码读码器前的传送带，共计有6台电机（双线）。控制要点：接受上游输送过来的成品箱，缓冲流量，防止堆积，尽量避免成品箱条码破损，向条码读码器均匀喂送成品箱。

产品线1和产品线2成品箱供给的快慢是由电机CA1M和PE1M配合运行，电机CA2M和PE2M配合运行来实现的。传送带CA1M和CA2M以低速运行，这两节传送带控制整个分拣单元的节拍，然后经过以更高速度运行的传送带PE1M和PE2M，以使成品箱之间距离加大，使得两列成品箱可以在CRM传送带上合并为一列并且靠左边对齐输送。

条码扫描后端：从模块分拣带到末端人工码垛缓存传送带C007M。共计有2台电机。控制要点：实时正确地读出纸箱条码，根据读出的信息精确控制分拣作业，在进入码垛单元前缓存纸箱。条码读码器选用康耐视DATAMAN262QL基于图像的固定式读码器，具有出色的性能、灵活性和易用性，能够读取条形码、二维码、以及DPM码。当成品箱输送至光电传感器C006PC1时，LCAB1康耐视读码器被触发执行扫码，完成对纸箱底部条形码的读取。识别后，纸箱分拣处理大致有5种可能的情况：（1）无条形码读取。纸箱送入至人工码垛缓存传送带C007M。（2）该规格纸箱未分配给机器人。纸箱不被移栽，继续输送至人工码垛缓存传送带C007M。（3）该规格纸箱已分配，码垛区产品传送带不可用（如：故障，堆满）。纸箱不被移栽，继续输送至人工码垛缓存传送带C007M。（4）该规格纸箱已分配，码垛区产品传送带可用（如：正常运行）。纸箱利用英特乐传送带电机尾端编码器的脉冲量来准确地确定被90°移栽的入口位置值，实现无接触式的移栽传送。（5）产品排空检测。如果码垛单元执行了产品排空操作想结束当前批次生产。纸箱也会被送入人工码垛缓存传送带C007M。 4.2 机器人码垛单元

从控制系统划分上，机器人码垛单元大致分为三个子控制部分：

图3 机器人码垛单元各部分组成

产品传送带：用于向码垛机内部输送纸箱以及检测堵塞。纸箱要经过堆积、拉距、转向、整理4个环节完整纸箱列的成形，一旦发现有纸箱堵塞情况，整个码垛单元和产品线传送带停止工作，HMI会显示故障信息[9]。控制要点：需要缓冲流量，防止纸箱堆积，保证纸箱转向的可靠性，纸箱列整理的时间尽可能短，成形质量要好。

码垛机器人：当第一个纸箱达到其中一条产品线上时，机器人从空托盘栈工位（502A）抓取一个空托盘放置在码垛工位上，然后码垛机器人从整理传送带（131A/132A/133A）取走纸箱列，将其码放在码垛工位的托盘上。每个码垛工位都与产品线关联（产品线1对应码垛工位1，产品线2对应，产品线3对应码垛工位3）。控制要点：1）机器人运动时应设计一个初始安全点位作为原点位置，处在这一位置与其它设备和人没有干涉，不影响整个系统运行，机器人从原点出发完成一个动作循环后又回到原点或者某一指定位置等待下一个动作循环。2）码垛作业动作尽可能连贯、省时，从纸箱列上方到纸箱列的动作采用直线插补动作，目的是抓取更加准确，动作轨迹易于控制，不会发生碰撞。其余动作采用关节插补动作，因为这些动作所处空间较大，不用考虑动作干涉的问题，而且关节补偿动作更流畅，速度更快；3）一个机器人同时处理3条线的码垛作业，需要做优先级管理。4）避免机器人末端执行器的纸箱夹紧夹板打开时与已码放的纸箱发生碰撞。 托盘传送带：托盘传送带用于将成品垛依次输送至下游传送带。控制要点：变频器的加减速时间设置合理，传送带启停平稳，不倒垛。

4.3 有轨穿梭车单元

此方案中，穿梭车有4种功能：（1）分配空托盘到码垛机。（2）从码垛机排出满垛到仓库满垛出口。（3）从码垛机排出空托盘（更改格式时）。（4）在安全出口排出托盘或者将托盘重新引导入工位。为方便穿梭车控制管理，将托盘传送带进行位置编号，如图4所示。

图4 有轨穿梭车托盘传送带 总结

本文针对烟草仓储的实际需求，提出提出并设计了集中分拣式机器人码垛系统，与前端生产线直接对接，根据线上成品箱的种类，实现高度智能化分拣和码垛，实现了全流程自动化，目前已在该企业得到成功的应用。本文分别从总体方案、集中分拣单元、机器人码垛单元、有轨穿梭车单元等方面进行了详细研究和设计。 参考文献：

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