基于PLC的生产物流系统码垛机器人控制研究

       1 引言

       在企业整个产品的生产制造过程中，生产物流发挥着重要的作用。生产物流涉及从原材料、燃料和外购零部件等投入生产系统后，在不同生产单位或者不同节点之间，按照一定的生产工艺过程所进行的加工、储存、搬运等一系列作业流程，最终产出成品并将成品入库的整个生产作业过程。在生产物流流程的包装、码垛、存储和运输等环节中，码垛操作是一项发生频率较高的活动，按照现代物流的要求，码垛应依据单元化的要求，对物料或者成品箱按照特定的模式堆码成垛，实现物料或成品箱在存储、搬运以及运输等环节中的单元化状态。码垛效果的好坏直接影响到整个生产物流系统的作业效率以及存储空间的利用率。

       随着现代机器人技术的不断成熟和其在物流系统的广泛应用，柔性化、智能化的码垛机器人逐渐成为生产车间和成品仓库中较为常见的自动化码垛设备。尤其是在处理多品种、小批量码垛作业中，传统的后处理码垛机不能适应客户多品种产品共用同一托盘的混合码垛作业特点，在这种情况下，码垛机器人凸显出高度柔性及智能化优势。

       2 基于码垛机器人的生产物流码垛系统

       人工码垛作业中对码垛对象以及堆码速度均有一定限制，且工人劳动强度大，码垛作业效率低。为了提高生产物流系统中码垛作业的效率和质量，可借助控制器、机电控制技术等先进的科学技术手段，引入码垛机器人，构建柔性化、智能化的生产物流码垛系统。

       2.1 码垛物流系统功能要求

       鉴于在多品种、小批量生产系统中，码垛机器人能够充分发挥其柔性化、智能化优势，在此以医药产品生产系统为例，通过对其生产物流系统流程的分析，进一步对码垛区码垛物流系统的功能进行分析。

       医药产品生产物流系统中的码垛区可视为一个输入输出系统，系统输入端主要输入医药产品成品箱以及托盘，在系统输出端则主要输出成品垛。如图1所示为某医药产品生产物流系统总体流程图。

       由图1可知，软袋在输入系统后经装载设备按排装入灭菌托盘，经灭菌设备灭菌后由卸载装备将其移至自动输送装置并输送至灯检套袋区，软袋经灯检套袋后被输送至装箱生产线完成如装箱、封箱等系列操作形成软袋成品箱，软袋成品箱经输送装置输送至码垛区。在码垛区，软袋成品箱将会被按类别分类进行堆码，形成成品垛，最后，利用自动输送装置将成品垛输送至立体仓库储存。而对于玻瓶生产线，利用玻瓶装箱设备对玻瓶进行装箱后，采用独立的玻瓶成品箱输送线将玻瓶成品箱输送至码垛区进行码垛。

      

       图1 某医药产品生产物流系统总体流程示意图

       2.2 生产物流系统码垛生产线总体布局方案设计

       生产物流系统中，自动码垛物流生产线的主要功能模块包括：①成品箱转向装置；②托盘供给装置；③托盘输送装置；④托盘转向装置；⑤成品垛转向装置；⑥码垛机器人；⑦成品垛输送装置；⑧空气压缩机以及驱动装置等。在实现自动码垛物流操作过程中，自动码垛生产线的动作顺序较为复杂，尤其对于大规模生产系统或储存系统来说，可能涉及到昼夜连续作业，作业强度大，因此对于自动码垛生产设备的工作可靠性要求较高。针对此特点，可在传统的码垛生产线中引入可编程控制器以及机电控制技术，结合光电检测技术共同实现成品箱的智能化、柔性化堆码。

       根据上述多品种、小批量生产系统对码垛机器人生产线的总体功能要求，首先利用条形码技术和成品箱分流系统将输入码垛物流系统中的混合成品箱进行分类，并将不同类别的成品箱分别输送至对应工位，在各个工位处设置若干码垛机器人等待对成品箱进行抓取作业。

       托盘的输送机构需要根据各个码垛生产线的托盘需求将空托盘输出，并进行分流。在码垛作业过程中，托盘输送机构将根据码垛机器人完成码垛作业后所发出的指令，将空托盘输出，并经分流输送至指定工位。为了减少在此过程中的码垛机器人码垛等待时间，一般在码垛工位前设置一个空托盘等待工位用于在码垛机器人作业时接受空托盘，在码垛机器人完成托盘码垛后直接从等待工位抓取空托盘，这样就大大提高了作业效率，减少了设备闲置时间。

       综上所述，码垛机器人码垛生产线作业流程示意图如图2所示。

       由图2可知，码垛机器人码垛生产线主要由三个部分构成，即①成品箱输送分流部分；②空托盘输出供应部分；③成品垛输出部分。

       (1)成品箱输送分流部分。产品经装箱机装箱形成成品箱后，成品箱由主输送线输送至码垛区工位，在码垛区入口位置配备有视觉系统和条形码扫描系统，对等待入区的成品箱进行扫描识别，以获取产品类别信息。根据产品条码信息，分流装置会将不同的成品箱分流至不同工位，再由码垛机器人进行码垛。成品箱输送分流装置如图3所示。

       (2)空托盘输出供应部分。托盘机为码垛生产线托盘主要供应装置，在接收到空托盘发送指令后，托盘机释放托盘，经输送线分别输送至不同的码垛工位。各工位对应位置一般备有一处于等待状态的空托盘。在码垛机器人完成一托盘的码垛作业并输出成品垛后，将自动从空托盘等待位置取出托盘进行堆码作业，而此时处于传送带的空托盘将自动补入工位前对应位置。空托盘输出供给流程如图4所示。