纱锭机器人半自动包装生产线研制开发

1、厂商在线纱锭机器人半自动包装生产线研制开发赵迩冬，郭典存（北京机械工业自动化研究所，北京 100011 ）摘 要：介绍了基于机器人应用技术的（化纤）纱锭自动包装线在国内首次成功应用。关键词：机器人装箱；自动称重打印标签；贴标签；自动捆扎；自动拆托盘；机器人自动码垛中图分类号：tp242.2文献标识码：b文章编号：1009 0134（2003）04 垛盘输送轨道的长度应大于 4 个垛盘的长度，以满足叉车叉取速度。 装线要留出人工装箱时的纸箱入口。人工开箱、放隔板，大包装中间隔板用机 械手放，人工封箱、贴标签。 两种包装线的关键设备（机器人、捆包 机、电子秤等）应考虑备件和备台，并能迅速更换， 以

2、保证包装线长期、稳定运行，适应连续化生产的 需要。包装线设立总控系统，各台设备除具有单 独驱动、控制功能外，还能按要求进行程序控制，显 示各设备的运行状态；有故障诊断功能；能进行整 垛盘的箱数、产量、质量的统计打印；对半垛盘、箱 号顺序有误等问题进行修改。0 概述国内某石化公司（以下简称石化公司）根据 市场情况，确定上马 9 万 t 长丝分级包装生产线。 北京机械工业自动化研究所（以下简称自动化所） 对国内外同行业进行了周密调查，提出了配备三条 机器人半自动小包装生产线的技术设想。1 总体工艺流程半自动小包装生产线采用人工封箱底、机器人 装箱、人工封箱盖、自动称重打印标签、人工贴 标签、自动捆

3、扎、自动拆托盘、机械手自动码 垛、人工贴整垛标签的工艺流程。工艺流程，不仅考虑到石化公司提高生产效率 降低劳动强度的客观要求，而且生产线占地较少， 对工人操作水平要求较低。3包装生产线工艺说明3 条小包装生产线，每条生产线采用一台自动2 主要技术指标每日按 3 班生产，生产时间为 20h ，完成330t 的装箱量。 3 条半自动小包装生产线。 机器人抓取的筒管内径为 94mm 和 110mm 两种，长度为 150mm，所选机器人能够同时抓取两 种不同内径的纱锭。 人工将丝车推上轨道，轨道长度最短应不小 于 3 辆台车长度，空车应能自动退出轨道。装箱机器人、一台自动堆垛机器人和一套控制系统。纱锭

4、包装流程如下： 人工开箱封箱底放底托套塑料袋纱锭车自动推入轨道、自动定位、退出轨道纸箱准备、自动定位机器人从纱锭车上卸下纱锭装箱人工封 塑料袋与放纸板、封箱自动称重、打印标签 人工贴标签自动打包两线纸箱输送排队空托 盘送入机器人抓取纸箱并堆垛人工贴整垛标签收稿日期：2003-03-30 作者简介：赵迩冬，男，北京机械工业自动化研究所。第25 卷 第4期 2003-4k59制造业自动化 设计的, 而现在各系统的设计基本上都采用开放式标准系统，用户不再依赖个别供应商, 而他们能从 广泛的产品系列中选择其最佳和最经济的现场总线 产品。目前, 各主要的自动化技术生产厂商均为它们 所生产的设备提供 pr

5、ofibus 接口, 产品范围包括1500多种不同设备和服务, 目前已安装的profibus站点已超过二百万个。整垛推出存放标签4 生产线控制系统4.1 电控系统设计原则系统为半自动生产线；系统能够完成自动 / 手动切换；系统能够完成产品数据统计及打印功能；系统具有多种异常保护及断电恢复功能；系统能够与正在兴建中的厂级 dcs 系统联 接 ；系统能够实现远程监视。4.2 项目工艺分析由包装生产线工艺过程可知, 整个生产线距离 相对较长, 各单元功能相对独立且分散, 但又需要 相互连锁协调。生产线 24h 不停机, 所以要求可靠 性高, 易于进行现场在线维护。全线监视统计打印、 异常处理、暂停恢

6、复功能都要求严格, 这些都给控 制系统提出了较高要求, 需要采用先进的控制技术 和控制方法，以提高工程质量并简化控制线路的复 杂性，兼顾降低项目成本(设备成本和维护成本), 故 该项目控制系统选型的基本原则如下：采用先进、可靠、成郭的控制技术以提高系 统可靠性。采用模块化设计, 提高通用性及设备效率,易 于维护。 适应今后的技术发展要求, 系统有较高的可 扩展性。系统能够利用远程网技术实现远距离监视。4.3 方案选型串行现场总线profibus当今世界上工业自动化控制方面最为流行的是 基于现场总线的分布式控制系统是串行现场总线。 与常规技术相比, 其拥有以下特点：极强的现场级信息集成能力；高开

7、放性、互操作性、互换性、可集成性；系统可靠性高、可维护性好；系统及工程成本低。 使用现场总线技术可使电缆、调试和维修成本节省 40% 之多,只需用二根电缆就可传输全部有关 的信息，例如输入和输出数据、参数、诊断数据、程 序和现场设施的操作电源。在过去, 人们经常使用 的现场总线系统均是互不兼容的并按用户要求具体4.4 控制系统结构说明根据纱锭包装生产线工艺流程要求, 以及生产 线具体物理位置分布及工位安排分析, 我们将生产 线分为以下电气段(子系统也被称为从站),它们是：纱锭输送系统( 完成输送、定位、旋转、卸 车等功能)纸箱输送系统( 完成输送、定位、装箱、称 重、打印、捆扎排序等功能)码垛

8、输送系统( 完成自动拆盘、定位、堆 垛、打印入库等功能)这 3 条生产线共可分成多个相对功能独立,且物理位置相对分离的子系统, 每个子系统（即从 站)均可由一个独立的小 plc 控制, 且有很多子系 统电控原理功能基本是一致的, 这样给生产制造、 调试、维护、备品备件带来很大的便利条件。为了便于车间信息管理，我们使用 profibus总线将所有子站联结起来，再增加一台功能强大的 plc 作为信息收集处理中心，充当网络服务器。 同时设置一台 pc 机与服务器 plc 连接，作为整 个控制网络的人机交互接口，实现对整个车间控制 系统的参数调整，实时状态动态仿真，系统自诊断 及与上级以太网连接。下面

9、是系统控制结构框图（如图 1) 。总控计算机去厂级管理 计算机生产线 3生产线 1生产线 2生产单元 1生产单元 1生产单元 1生产单元 2生产单元 2生产单元 2生产单元 3生产单元 3生产单元 3生产单元 4图1第25 卷 第4期 2003-4k60制造业自动化 4.5 控制逻辑及功能分析控制系统结构从功能上可划分为如下几个相对 独立的子系统：据的准确性, 在大包装中也存在队列统计, 就是前一电子秤的数据传给主站, 主站按队排列等到后一 称重系统工作时, 将此数据下传, 打印产品净重, 同时主站记录两次称重队列数据并传给总控计算 机 。总控修复功能：主站 plc 中可以保存一定 的产品队列

10、,在总控计算机系统故障一段时间复位恢 复后, 主站会将当前的状态和这期间的产品队列重 新传给总控, 使总控能够恢复其监视和报表统计, 这样通过信息冗余就形成了总控计算机和主站 plc 之间的互相修补的功能。生产线自诊断功能：主站通过总线实时采 集各子站的状态信息,所以可以发现各子站之间任何 不协调或异常现象, 在一定范围内主站将通过命令 等方式予以修复, 不能修复的可以上报总控或通过 报警方式通知用户。(2) 纱锭输送系统 这一子站系统主要用于控制纱锭车运行, 精确定位于机器人抓取工位上, 并与机械手系统协调通 讯, 完成运送纱锭的过程。(3) 纸箱输送系统 这一子站系统是整个生产线的主要单元

11、, 它由人工将纸箱送上输送线, 一直将纸箱运送经过装 箱、称重、打包最后到达堆垛工位, 由堆垛机器 人抓取堆垛。总之, 纸箱输送系统主要功能是保证 物流线连续运行, 能控制各段输送工位上电机的起 停, 使纸箱定位达到各工位工作所要求的精度,并与 输送线周边设备进行实时通讯和协调, 同时将异常 情况上报主站。(4) 堆垛输送系统 这一系统负责小包装堆垛底托的自动拆盘和输送, 其主要功能是控制自动拆托盘机并将每一托盘 定位, 满垛后能自动送入叉车工位。这一子站的另 一功能是在一垛堆满时, 接收由总线送来的垛标签 数据, 实时送给与其相连的打印工控机, 完成垛标 签的打印。(5) 称重系统这一系统包

12、括电子秤, 打印工控机和打印机, 其主要功能是将经过电子秤的产品定位后, 称出其 重量, 将数据传给打印工控机, 数据经过处理自动 排版, 自动发往打印机打印, 同时将数据发往主站总控主站系统纸箱输送系统称重系统缠绕机系统装箱机器人系统纱锭车输送系统堆垛输送系统打包系统堆垛机械手系统各子系统具体功能如下：(1) 总控主站系统全线监视功能：总控系统通过采集各条线 的控制信号 ，然后以仿真动画的形式实时显示生 产线的运行状况, 并能通过以太网将实时信号传播 出去, 实现对车间的远程监视和查询。故障检测功能：总控系统能对各生产线的 信号时序进行按序检测核对, 发现有误会及时以各 种形式汇报, 也可以

13、通过软、硬件两种方式来强制 某条生产线暂停或急停。报表统计功能：由于总控主站系统定期读 取三组生产线的垛统计数据, 并对产品的型号和等 级进行分类统计和保存，所以用户随时都可以查看 任一生产线的日、月、年报表，总控台在一班工 作结束时会自要印该班的报表作为生产记录。系统修复功能：由于总控台时刻都在记录 着各条生产线的运行状态, 一旦某条线发生急停或 断电停止, 而总控台由于 ups 的保护而继续运行, 则等生产线恢复运行时, 总控可以将各条生产线停 止前的状态下发给现场控制器, 使其能从中断处恢 复运行。 现场通讯功能：主站 plc 主要功能就是维 护挂在总线上的所有子站之间的联锁关系，负责子

14、 站之间的相互通讯。队列维护功能：在小包装中, 为了打印垛标 签,电子秤称重后到堆垛过程中，需要对产品进行 队列统计, 这一工作就是由主站 plc 完成的。称重系统在完成一次称重, 就将产品数据传给主站plc, 主站将其存入队列, 等一垛完成后, 另一子 站提出申请, 主站会将一垛的统计数据传给子站进 行打印, 同时将该垛数据传给总控记录, 然后将这 一垛从队列中删除。主站在收到称重打印子站特殊 申请时, 也可对垛对列进行修改和更正, 保证垛数第25 卷 第4期 2003-4k61制造业自动化 进行队列排序, 它还可以进行误差校正, 格式编排,打印重发和主站队列修改。 (6) 打包系统 这一系

15、统主要是给经过打包机的产品捆扎打包带。系统有自诊断功能, 能延时重打, 从而实现 多带捆扎。(7) 堆垛机器人系统 输送线最后由机器人系统将纸箱堆垛, 它是堆垛输送系统和纸箱输送系统的联络环节。它能检测 纸箱堆垛过程中的异常和垛满等情况, 通过 i/o状 态数据传给主站和上位机, 并能采取软件手段对异 常进行处理。(8) 装箱机器人系统 这一系统是负责将纱锭车上的纱锭准确装入纸箱中。系统也具有异常自诊断和处理能力, 同时能 将当前状态上报。通过以上功能分析, 可以看出整个控制从功能 上分为两个层次如图 2。管理监督控制过键盘对数据进行实时修改, 这样系统的灵活性及冗余度得到了很大的提高。5.2

16、 系统可靠性分析(1) 系统采用分布式控制方式, 由 plc 构成的 各控制单元均为模块化结构, 这样将系统故障点分 散了, 故系统的故障危害降低。(2) 采用总线式结构, 使得信号线电缆数量大 幅度地减少, 各分散功能模块与主控模块之间只需 通过一根屏蔽双绞线就能完成全部信息的传送, 与 传统方式相比, 接线点大大地减少了，故障点也就 大量减少了, 系统的可靠性也就大大地提高了。(3) 控制系统核心部件全部选用西门子公司的 plc产品, 且运用profibus技术组成现场总线型控 制系统, 为系统的正常运转提供了极其重要的保 障。(4) 系统充分利用现有设备完成数据冗余存储 的功能, 以增强

17、系统的坚固性。(5) 系统可利用当前先进的互连网技术(internet) 实现远程现场数据传输,故障分析及信息交互,从而利于设计人员对系统的长期及时维护, 使系统的可靠性得到了进一步的保证。现场设备控制图2两层之间相互调整和补充, 又分工明确, 这样5.3 系统扩展性分析由于profibus是一种不依赖于厂家的现场总线 标准，其最重要的技术优势就是系统的高可扩展性。 采用profibus标准的系统,不同厂商所生产的设备不 需对其接口进行特别调整就可通讯, profibus可用 于高速和时间苛求的数据传输,也可以用于大范围的 复杂通讯场合, 由此可见系统结构具有极大的扩展 性。系统采用模块式 p

18、lc 为控制单元, 其本身就具 有极强的功能扩展性,加之siemens产品系列的完整性,使得系统功能扩展极其方便。5.4 工程及维护分析 项目的成本一般分为两个部分, 一个是设备硬成本, 另一个是软成本即维护成本。设备硬成本包括：设备成本及工程成本, 从以 上论述我们可以知道此系统的设备成本相对而言是 合理可行的, 另外由于采用了先进控制方式系统， 大大地降低了工程成本, 比如很多单元子系统无论（下转第 64 页）对于开发、维护都极为方便,系统可靠性。同时也极大地增强了5 方案可行性分析5.1 功能可行性分析由于各单元子系统所需满足的功能步骤及要求 大多是开关量信号, 不需进行复杂的数字逻辑运

19、算, 且没有模拟量及高速脉冲信号输入, 所以s7-200完 全能够满足其功能需求。产品称重后的打印需要很高的实时性及可靠性, 能够实现数据存储和选择性重打印, 所以我们采用 一台简易工控机来充当打印管理器, 它有4个串口, 其中电子秤的信号通过 rs-232/rs-422 送至打印 管理器(小工控机), 此数据通过处理后,经过另外1 个串口送至 s7-200 plc, 由此进入主控制回路网 络, 同时打印管理器(小工控机)可通过其并口直接 将数据打印出来。而且如果出现特珠情况, 还可通第25 卷 第4期 2003-4k62制造业自动化 的半径和 / 或圆弧结束点的坐标值有问题，无法进行圆弧插补

20、运动。 在机器一栏中选择“手动运行”便选择手动运动控制方式。可按窗口的提示使用方向键和 分别控制 y 轴正向和反向运动，使用方向键和控制 x 轴正向和反向运动，使用 page up 键和 page down 键来控制 z 轴正向和反向运动，目前最多可 达 16轴。短时间按对一应键运动一小段，短时间按 两下运动一相对长的段,长时间按运动速度不断加 快。在机器坐标方式下,可以设置为任意的坐标值。 就是说物体坐标与机器坐标间的平移量可以任意设置。设置的平移量可以存储起来，共计可存6种，以 后可以恢复,但要求机器先回参考点。手动运行的速 度/加速度、最长距离和最长距离可以任意设置。一 但在程序中设置了

21、运行速度，就以设置的速度为准。可任意设置各个轴的坐标值。这实际上给出了 物体坐标与机器坐标间的平移量。可存储 6 组平移量，以后在上电后坐标值可重新基于某一组平移量。 可任意设置各种运动速度，加速度和减速度。如程 序中各个命令有自己设定的速度，加速度和减速度 时，以设定的值为准。铣进给时的速度仅在 hpgl 和 proboard 中起作用，速度单位是 mm/sec, 加速度是 mm/sec 2 。共有 8 组工具可选，每把刀的参数包括长度和 半径及铣深度和返刀高度。执行回参考点命令后系 统自动执行 refsrch.ts 程序来找机械参考点。 可以接受来自多种 cad/cam 软件产生的加 工程

22、序，如mastercam,海尔软件等。这对铣床，切割机，焊接机，镂铣机等非常有用。通过驱动器涵数 mtdrv_xx 来设置有关运动 控制及调节器的参数通过文件。主要有每个脉冲的 移动单量, 如一个脉冲的移动单量是 0.001mm，也 可以设为 0.000000001mm/pulse，位数可达 15 位。 设置手动时每次最小移动量和最大移动量。设置 pid调节参数和每个轴机器坐标的最低值,这是安全 软限位。可进一步选择电子手轮，刀尖半径补偿，自动 换刀器，刀库管理，丝杆误差补偿等功能。综上所 述 editasc 是一个高度开放的开发平台，非常可靠 的通用控制系统。用户操作界面是把操作员与低层运动

23、控制软件连接起来，输入运动程序，控制运动过程，显示输 入口和输出口状态及显示各种运动轨迹和运动速度 等。用户操作界面的主要功能如下：下面功能键位于整个页面上部，它们控制程序 的运行, 停止和暂停功能。选择 start 键或按 f5 来运行程序, 选择 stop/go 键或按 f9 来暂停运行 中的程序。选择 f9/esc 后，整个程序处于暂停状态，按 f5 或 f9 后程序继续执行。选择 f9/f9 后， 程序和行号将被显示出来，如出现滑差超界，选择 f9/f9 可取消报警。按（shift + f9）使程序执行 完单前段 / 行后停止。反复按（shift + f9）可使整个程序逐段执行 - 单段功能