一种机器人集装箱装车自动控制系统

2016-03-02俞迪龙

制造业自动化 2016年4期

关键词：装箱货品装车

俞迪龙

（上海ABB工程有限公司机器人部，上海 201319）

0 引言

集装箱装车是企业物流系统中的重要环节，这一环节在企业中由于车型多、货品形状多、装车要求多变等因素目前多由人工完成[1]。完成这一环节的自动化工作，可以极大的提高企业物流系统的效率与稳定性。

集装箱是一种按规格标准化的钢制箱子。集装箱可以通过一整套集装箱运输体系进行高效的运输。集装箱装箱是指将原材料或货品装入箱内并排列整齐, 是目前集装箱运输流程中标准化程度最低的环节。

采用人工作业进行集装箱装箱时，面临高温天气工作、粉尘环境带来的职业病，劳动强度大、耗时时间长、装箱效率低、可能损坏货品，并且在狭小空间内进行搬运与堆垛作业的工人面临较高的安全风险[2]。这些因素都会影响企业物流系统的工作效率。

目前国内外对箱装物品装车设备研究较少[2]，本自动控制系统针对集装箱装车这一问题, 提出了一种基于机器人系统的自动化解决方案。这一解决方案中给出了机器人与AGV小车的结合方式，AGV小车与集装箱的位置识别与控制, 待装箱货品的输送方式以及整个系统的布局结构与工作流程。

系统采用ABB工业机器人作为码垛机械手臂，自行研究开发的适用于高负载、高稳定性的AGV小车。

1 系统构成

1.1 系统控制框图

图1 系统控制框图

本系统控制框图如图1所示。机器人系统由机器人控制柜和机器人本体组成；小车控制系统由小车控制单元、伺服驱动（伺服控制器及电机）和履带组成。机器人控制柜和小车控制系统通过Profibus总线连接以便由机器人控制系统发送命令控制小车运动，以及将定位信息交互给小车控制系统以便小车调平。机器人控制系统与定位检测智能传感器通过Ethernet IP总线连接以便读取定位信息，以及发送由小车控制系统传递过来的开始、结束等测量命令给定位检测智能传感器。

ABB AC500 PLC 提供了广泛的功能和可升级性，适合所有以太网版本的集成Web 服务器和IEC 60 870-5-104 远程控制协议。由“统一平台”解决方案支持的标准工业通信现场总线、网络和协议，使AC500成为能在苛刻环境中高效工作的自动化解决方案。具有灵活可扩展的高性能CPU系列，1至4个不等的空槽可供插接多达8种不同的通讯模块，包括Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Ethernet、Profinet、ETHERCAT；也可插接双串口模块CM574及高速计数模块DC541；本地I/O扩展，最多可以连接10个I/O模块底板；集成一个可用于从站通讯的FBP接口；集成Ethernet接口；集成两个串口。可以稳定运行10ms扫描周期的中断程序，达到高精度的运动控制。

1.2 系统工艺结构

本系统工艺结构如图2所示。其中1为AGV小车，2为待装箱货品的输送带，3为机器人(倒挂安装)，4为待装箱的货品，5为机器人夹具。

输送带可以前后收缩张开，根据需要至伸出状态，在这种状态下，可以减少机器人的移动距离与旋转角度。提高机器人的节拍, 进而提高整个系统装箱效率。

AGV小车采用履带来进行移动，以适应小车可能需要爬坡进入集装箱的需要。

机器人6轴上的夹具可以使用吸盘，夹爪，定制化夹具等不同的夹具，以适应纸箱、袋子、桶等不同的货品装箱需求。

AGV小车与集装箱的定位检测系统安装在AGV小车上。系统工作时先由定位检测系统得到两者的相对位置，并将结果发送给小车控制系统，由检测结果决定小车的运动（前进、后退、左转、右转），使小车与集装箱边沿保持平行以便小车进入集装箱，并告知机器人控制系统小车与集装箱两边的间距，结合来料尺寸使垛型自动适配软件调整计算确定垛型。根据这一垛型，机器人将自动安排装箱位置与动作。

系统开始工作时，如果集装箱在运输工具上时，小车可以通过叉车、吊车、专用登车桥、登车升降台等方式进入集装箱内部；当集装箱位于地面上时， AGV小车可以直接进入。AGV小车进入集装箱内部后，由位于集装箱外部的动态输送带将待装车的货品输送至AGV小车上的输送带上。

当系统检测到输送带上的货品后，由3D视觉成像系统或其他传感器对输送带上的货品朝向、位置等参数进行检测，根据前述计算确定的垛型，机器人通过夹具抓取位于传送带上货品，按规划好的码垛方案进行集装箱装箱。

在系统装箱的过程中，根据垛型方案及AGV小车与集装箱定位检测系统得到的检测结果, AGV小车会前后调整在集装箱内的位置，AGV小车上的输送带也会调整伸缩量来优化机器人的活动范围，进而提高整个系统的装箱效率。

当整个装箱过程完成后, 系统会按照客户定制的方式通知客户装箱作业完成。并选择合适的方式退出集装箱。

图2 解决方案整体布局图

2 ABB工业机器人

本应用要求机器人工作范围较大，且抓取物体重量较重。结合机器人工作能力和系统成本考虑，采用单台IRB4600。综合考虑布局、成本等因素，本方案选用1台IRB4600-60/2.05型机器人。IRB4600机器人是ABB 6轴码垛机器人。本体重量440Kg，最低环境温度为5摄氏度，最高环境温度为45摄氏度，最大相对湿度95%；最低运输及储存温度为-25摄氏度，最高运输及储存温度为55摄氏度；如图3曲线所示具有60kg的负载和2.05m的工作范围。重复精度0.05mm[3]。机器人本体具备IP67的防护等级，可以在半户外的环境中使用。

IRB4600的精度为同类产品之最，其操作速度更快，废品率更低，在扩大产能、提升效率方面，将起到举足轻重的作用，尤其适合切削、点胶、机加工、测量、装配及焊接应用。此外，该机器人采用“所编即所得”的编程机制，尽可能缩短了编程时间和周期时间。在任何应用场合下，当新程序或新产品上线时，上述编程性能均有助于最大限度加快调试过程、缩短停线时间。

IRB4600采用创新的优化设计，机身紧凑轻巧，加速度达到同类最高，结合其超快的运行速度，所获周期时间与行业标准相比最短可缩减25%。操作中，机器人在避绕障碍物和跟踪路径时，可始终保持最高加速度，从而提高产能与效率IRB4600超大的工作范围，能实现到达距离、周期时间、辅助设备等诸方面的综合优化。该机器人可灵活采用落地、斜置、半支架、倒置等安装方式，为模拟最佳工艺布局提供了极大便利。

图3. IRB4600 负载、工作域曲线图

IRB4600占地面积小、轴1转座半径短、轴3后方肘部纤细、上下臂小巧、手腕紧凑，这些特点使其成为同类产品中最“苗条”的一款机器人。在规划生产单元的布局时，IRB4600可以与机械设备靠得更近，从而缩小整个工作站的占地面积，提高单位面积产量，推升工作效率。

4 结论

本系统设计完成后采用ABB机器人的RobotStudio仿真软件对整套系统进行运动仿真。在软件内完全按照实际的工作站位置和抓取物品过程计算机器人运动路径和装车过程，并进行了初步的实际测试。机器人每层一次抓取3箱一次，一次抓取四箱产品四次，设定TCP线速度3000mm/s，加速度80%。抓放一次周期为12s。再加上小车移动时间和码放位置空间的变化，周期约为13s。一层5次抓放，19箱，每箱为13*5/19=3.4s。4000箱为4000*3.4/60/60=3.8h。仿真中抓放各有1s的延时。等待传送带送箱子1s。机器人手臂需要在狭小空间往回缩，需要2s。这样抓放一次周期为13-0.5-1-1-2=8.5s，每箱2.23s，4000箱2.48h。与工厂中两个工人实际码放4000箱2.5小时节拍接近。