帶把手圓桶碼垛前輸送整理裝置的研發(fā)

文/楊紅亮

摘要：為解決機(jī)器人碼垛時(shí)桶把手不確定性引起的桶與桶之間摩擦問題，本文開發(fā)了一套在線轉(zhuǎn)桶定位輸送機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)桶平臺(tái)安裝在輸送鏈條之間的空檔內(nèi)，在升降氣缸的作用下升降以實(shí)現(xiàn)輸送與轉(zhuǎn)桶，通過雙行程氣缸及凸型阻擋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種桶兼容問題，采用高精度激光傳感器實(shí)現(xiàn)桶身色標(biāo)的識(shí)別，并采用一定濾波算法提高色標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率。該設(shè)備經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，定位基本一次完成，且滿足多種桶型的兼容需求，工作可靠，定位準(zhǔn)確，空間小，速度快，有效地提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)桶機(jī)構(gòu)；碼垛；色標(biāo)定位；帶把手圓桶；PLC

0 引言

碼垛是按照集成單元化思想，將物料按照一定模式堆碼成垛，以使單元化的物垛實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、搬運(yùn)、裝卸和運(yùn)輸?shù)任锪匣顒?dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有40%左右的生產(chǎn)事故發(fā)生在物料人工搬運(yùn)過程中，且采用人工搬運(yùn)產(chǎn)品時(shí)，由于人為因素而造成的產(chǎn)品磕碰問題直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，且人工成本持續(xù)上漲，物料搬運(yùn)費(fèi)用約占總費(fèi)用的20%左右，碼垛自動(dòng)化成為急需解決的問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，采用碼垛機(jī)器人代替人工碼垛在現(xiàn)代企業(yè)物流管理中的地位日益凸顯，碼垛機(jī)器人正日趨成為生產(chǎn)的主角。為了保證碼垛效率，要求產(chǎn)品進(jìn)入碼垛區(qū)域前按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列，使桶把手趨于一致避免干涉，但項(xiàng)目要求兼容多種桶形，且把手材質(zhì)也不同，這給設(shè)計(jì)增加了一定的難度。

本文在深入調(diào)查國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開發(fā)一套輸送轉(zhuǎn)桶裝置，實(shí)現(xiàn)帶把手圓桶的高速輸送和轉(zhuǎn)桶定位，輸送和轉(zhuǎn)桶均通過變頻控制，通過激光傳感器定位色標(biāo)，采用一定算法過濾干擾信號(hào)，根據(jù)桶定位色標(biāo)與桶把手之間的關(guān)系，間接實(shí)現(xiàn)桶把手一致的目的，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，定位準(zhǔn)確率高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本機(jī)主要由機(jī)架，固定橫梁，輸送裝置，擋桶裝置，升桶裝置和轉(zhuǎn)桶裝置組成，如圖1所示。進(jìn)出桶通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙排鏈條輸送，轉(zhuǎn)桶平臺(tái)和轉(zhuǎn)桶電機(jī)直連后固定在一升降架內(nèi)，通過升桶氣缸和固定在機(jī)架上的橫梁連接，且可在升降氣缸的作用下沿導(dǎo)軌升降。升降氣缸降下去時(shí)轉(zhuǎn)桶平臺(tái)低于輸送鏈條，此時(shí)鏈條實(shí)現(xiàn)輸送功能；升降氣缸升起時(shí)轉(zhuǎn)桶平臺(tái)高出輸送鏈條，此時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)桶功能。在轉(zhuǎn)桶平臺(tái)前方固定擋桶裝置以實(shí)現(xiàn)桶中心定位，由于需要兼容塑桶鐵桶兩種桶型，已知塑桶直徑為270mm，鐵桶直徑為280mm，兩種桶徑不一，因此擋桶裝置通過雙行程氣缸控制，上方配凸型擋桶機(jī)構(gòu)，凸型擋桶器的直徑差為塑桶與鐵桶的半徑差，塑桶時(shí)擋桶氣缸為大行程，此時(shí)凸型擋桶機(jī)構(gòu)下端與桶接觸，鐵桶時(shí)擋桶氣缸為小行程，此時(shí)凸型擋桶機(jī)構(gòu)上端與桶接觸，以保證桶中心與轉(zhuǎn)桶平臺(tái)中心一致。為滿足現(xiàn)場速度及碼垛工藝要求，轉(zhuǎn)桶區(qū)共有6個(gè)工位同時(shí)轉(zhuǎn)桶，在轉(zhuǎn)桶區(qū)固定有高精度激光傳感器尋標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)桶把手定位一致的功能。升降裝置均具有活動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)以便于高度及位置的調(diào)整。

1-輸送電機(jī)；2-橫梁；3-升降擋桶機(jī)構(gòu)；4-機(jī)架；5-升降裝置；6-升降架；7-轉(zhuǎn)桶裝置；8-護(hù)欄；9-輸送裝置；10-桶
圖1 轉(zhuǎn)桶輸送結(jié)構(gòu)圖

初始時(shí)，桶在輸送鏈條和擋桶裝置的配合下依次進(jìn)入各個(gè)轉(zhuǎn)桶工位，此時(shí)轉(zhuǎn)桶平臺(tái)在升桶氣缸的作用下升起，氣缸上均安裝傳感器以判斷氣缸狀態(tài)，在氣缸升到高位時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)桶電機(jī)動(dòng)作，在激光傳感器找到定位標(biāo)識(shí)后，根據(jù)桶把手與定位標(biāo)識(shí)之間的位置關(guān)系以及碼垛工藝要求，延時(shí)停止轉(zhuǎn)桶，轉(zhuǎn)桶完成后升桶氣缸下降，擋桶裝置復(fù)位，待降至低位后，在輸送鏈條的作用下將定位好的桶運(yùn)送至機(jī)器人碼垛機(jī)下待碼垛，同時(shí)進(jìn)入新桶進(jìn)行轉(zhuǎn)桶定位，依次循環(huán)。

2 色標(biāo)定位方法

2.1 桶身色標(biāo)

已知現(xiàn)場有鐵桶15L、鐵桶18L、鐵桶20L、塑桶18L 四種桶型，桶型尺寸如表1所示。每種桶色標(biāo)與桶把手之間的位置關(guān)系均相差60mm，且色標(biāo)與桶底的高度一致，因此我們考慮采用定位色標(biāo)間接定位把手的方法實(shí)現(xiàn)兼容。桶色標(biāo)主要分為2種，均為深色淺色交替條紋，如圖2所示，其中塑桶為淺底深色條紋，鐵桶為深底淺色條紋，條紋長度H為21mm，條紋寬度W為5mm，條紋之間間隔L為5mm。

表1 圓桶尺寸(mm)

（a）塑桶色標(biāo)；（b）鐵桶色標(biāo)
圖2 桶身色標(biāo)圖

2.2 色標(biāo)量化

由于色標(biāo)傳感器價(jià)格高昂且掃描距離有限，因此本文選用高精度的激光傳感器定位色標(biāo)，檢測范圍為0~300mm，響應(yīng)速度可達(dá)250μs，可以檢測到高速運(yùn)動(dòng)的物體顏色變化，且有更大的安裝范圍以便于安裝。

轉(zhuǎn)桶電機(jī)通過變頻器控制，選取電機(jī)減速比i=75，其轉(zhuǎn)桶平臺(tái)轉(zhuǎn)速ω為19r/min。已知塑桶直徑D1為270mm，鐵桶直徑D2為280mm，桶在轉(zhuǎn)桶平臺(tái)上隨轉(zhuǎn)桶平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，假想將桶側(cè)面展開成矩形，從而可求出色標(biāo)的移動(dòng)速度，如下式所示。

V=ωπD/60 （1）

從而可知塑桶色標(biāo)移動(dòng)速度為268.5mm/s，鐵桶色標(biāo)移動(dòng)速度為278.4mm/s，由式（2）求出激光傳感器走過5mm條紋所用的時(shí)間，塑桶為18.6ms，鐵桶為17.9ms。

t= 1000W/V （2）

傳感器設(shè)定為“dark”輸出，示教完成后接入PLC中斷輸入點(diǎn)，色標(biāo)掃過傳感器時(shí)其波形如圖3所示，塑桶鐵桶均為連續(xù)的幾個(gè)脈沖跳變，脈沖長度為18ms左右，圖3（a）為塑桶色標(biāo)輸出波形，圖3（b）為鐵桶色標(biāo)輸出波形。

（a）塑桶色標(biāo)波形

（b）鐵桶色標(biāo)波形
圖3 信號(hào)輸出波形圖

2.3 尋標(biāo)方法

尋標(biāo)流程如圖4所示。

圖4 尋標(biāo)流程圖

桶身表面其他地方會(huì)有字跡、焊縫及圖案顏色變化，這些均會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行干擾，但并不會(huì)行成如圖3所示的連續(xù)規(guī)律波形，在此本文提出一種濾波方法，檢測脈沖時(shí)長大于10ms且小于30ms為檢測到脈沖，且脈沖連續(xù)，如果出現(xiàn)任何一個(gè)中斷，或者脈沖時(shí)長過短過長均認(rèn)為是干擾信號(hào)，此時(shí)重新尋標(biāo)。塑桶和鐵桶雖然色標(biāo)不同，但將鐵桶前移半波，會(huì)有部分共同點(diǎn)，只需計(jì)數(shù)半波個(gè)數(shù)即可，計(jì)數(shù)半波個(gè)數(shù)存至VW200，當(dāng)VW200大于 時(shí)即可認(rèn)為找到色標(biāo)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制方案

由于尋標(biāo)速度較快，信號(hào)脈沖時(shí)間為毫秒級(jí)，因此需采用中斷進(jìn)行處理，系統(tǒng)共有6個(gè)工位同時(shí)運(yùn)行，需調(diào)用12個(gè)中斷進(jìn)行操作，因此本系統(tǒng)采用PLC作為主控制單元，并配備人機(jī)交互界面，可以方便的進(jìn)行單獨(dú)操作及調(diào)試運(yùn)行，轉(zhuǎn)桶電機(jī)及輸送電機(jī)均采用變頻控制，可以方便地調(diào)整速度，擋桶氣缸采用雙行程氣缸進(jìn)行控制，便于兼容塑桶鐵桶等桶型，所有氣缸均內(nèi)置磁環(huán)并裝設(shè)磁性開關(guān)以判斷氣缸狀態(tài)，氣缸進(jìn)出氣口均安裝調(diào)速閥，采用排氣節(jié)流方式調(diào)整氣缸速度，其控制方案如圖5所示，虛線部分的元器件共6套，以滿足6工位同時(shí)尋標(biāo)要求。

圖5 控制方案圖

軟件設(shè)計(jì)全部采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用TIA portal軟件編程，并與前后輸送線對(duì)接通訊，初始時(shí)判斷桶型為塑桶還是鐵桶，選擇擋桶器的氣缸行程，在輸送撥鏈和擋桶器的配合下桶依次進(jìn)入各個(gè)工位，此時(shí)升桶氣缸動(dòng)作將桶抬離輸送撥鏈，升至高位后轉(zhuǎn)桶平臺(tái)動(dòng)作，在激光傳感器的作用下尋標(biāo)，進(jìn)行如圖4所示的尋標(biāo)流程，尋標(biāo)完畢后根據(jù)工藝要求及桶把手與色標(biāo)之間的位置關(guān)系選擇延時(shí)轉(zhuǎn)桶時(shí)間，其程序控制流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場對(duì)鐵桶15L、鐵桶18L、鐵桶20L、塑桶18L四種桶型分別測試，測試結(jié)果如表2所示，從表中可以看出，轉(zhuǎn)桶速度能夠達(dá)到2100桶/時(shí)，一圈內(nèi)轉(zhuǎn)桶成功率95%以上，二圈內(nèi)轉(zhuǎn)桶成功率100%，滿足現(xiàn)場要求。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

針對(duì)碼垛前桶把手的有序整理進(jìn)行了研究，利用桶把手與色標(biāo)之間的位置關(guān)系，采用調(diào)整范圍及響應(yīng)速度均比較高的激光傳感器進(jìn)行尋標(biāo)以達(dá)到桶把手一致的目的，并采用濾波算法屏蔽掉桶身其他干擾信號(hào)，雙行程氣缸及凸型擋桶器的設(shè)計(jì)可完美的兼容多種桶形，解決了以往桶把手無序造成的碼垛干涉問題。該設(shè)備已申請(qǐng)專利，并應(yīng)用在國內(nèi)某大型化工企業(yè)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好、工作可靠、定位迅速、兼容性好，且能根據(jù)工藝要求自由設(shè)定桶把手位置，滿足了客戶要求，具有較大的推廣價(jià)值。