1 绪论

1.1本课题研究背景及意义

上世纪60年代以后，西方国家掀起的“去工业化”给中国制造业的飞速发展提供了平台，中国的制造业也因此一跃成为世界制造业排行榜NO.1。然而2008年的金融危机使得西方国家意识到制造业对本国经济的重大作用，为了解决产业“空心化”等问题，西方国家启动“再工业化”，推动制造业的“回归”。为了有效提升资源生产率和效益，一定程度上中和劳动力成本所带来的压力，西方国家提出了“工业4.0”，使得中国在国际制造业市场的份额变少，不过中国制造业转型升级的机遇随之而来。为适应“工业4.0”所给我们的发展和发展提供新的契机和挑战，我们于2015出台《中国制造2025》，以期从“大”向“强的转变”，而工业机器人、工业控制软件和设备互联三大部分是“智能制造”的主要内容。不难发现，实现生产自动化的关键就是工业机器人。工业机器人的主要应用范围是生产制造，如弧焊领域、码垛领域、搬运领域、装配领域、喷涂领域、打磨领域、折弯领域、涂胶领域等等。其中，码垛依然是工业机器人的主要用途之一。国际机器人联合会的多次报告显示，中国曾接连几年成为全球第一大且增长速度最快的工业机器人应用市场，但因国外企业的压制，国产品牌工业机器人的市场占有率虽有提升可仍旧较低。在自动生产线上，堆叠是将生产和输送联系起来的一个关键环节。而码垛机则是为堆叠而专门研制的，是流水作业中不可或缺的堆叠设备。其主要作用是使堆叠工作更好，确保货物的正确运输和打包。码垛机器人主要应用于生产线末端对已经装箱完毕的物料进行搬运堆码，可同时完成对物料的抓取、提升、搬运、码放等一系列动作，其可在保证作业质量的情况下，通过批量作业的方式节省了大量的劳动力，提高了工作效率。除此之外，码垛机器人应用的数量和质量不仅在一定程度上代表一个企业生产自动化的先进水平，而且是一个国家工业自动化程度的一个重要标志。本毕业设计的课题，主要是结合码垛机器人的运动过程，在机器人控制系统上进行运动控制编程，最终得到码垛机器人的控制系统，用来解决机器人应用工程师在利用通用六轴机器人进行码垛应用时遇到的问题。在企业的实习过程中，观察到由于企业对该品牌的机器人及其控制系统的应用时间较短，在码垛应用方面没有统一且完善的模板，出现了码垛类项目交货期延长的状况，为此，提出研究题目——码垛机器人控制系统的设计。通过参与一个码垛项目，了解整个项目的内容，即如何获取现场数据从而确定机器人的参数，进而选定机器人的型号；此外，还需确定机器人末端执行器的种类和型号、机器人选用的编程平台——机器人控制系统，之后根据客户需求编写相应的程序。最终利用机器人控制系统的运动控制编程，将码垛的运动过程整合成一个工程包，作为工程模板使用。既便于工程师完成码垛类项目，也便于他人阅读程序，有利于降低交货期，提高码垛机器人的可靠性，进而加快国产机器人的应用，推进企业生产智能化。

1.2国内外研究情况

码垛机器人是随着工业机器人应运而生的，而世界上最早的工业机器人诞生于1959年，制造领域也因此进入工业机器人时代。之后，随着社会发展需求的不断增大，工业机器人也得以快速发展。而最早出现的码垛机器人是在上世纪70年代，主要用于物料的拾取、提升、搬运和码放。近年来，随着《中国制造2025》的推出，国家企业加快推进了工业自动化进程，从而使码垛机器人的应用市场更加广阔。

1.2.1国外研究情况

全电控式工业机器人IR86的诞生，意味着码垛机器人开始进入人们的视野。之后，随着自动化、计算机技术、随着码垛机器人技术的发展，越来越多的先进的堆码机器人出现在世界各国，如德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川、意大利的COMAU等。瑞典ABB公司推出的码垛机器人的有效载荷分别为110kg、180kg、250kg以及450kg的，其中有效载荷为110kg的码垛机器人编号为IRB460-110/2.4，如图1.1，其号称世界上最快的码垛机器人，适合行尾码垛和袋码垛。从编号中可以知道该码垛机器人的有效码垛范围为2400mm，而且，其可以达到每小时2190次循环，能承载60kg的负荷。同时，ABB公司配备的运动控制软件QuickMove和TrueMove确保了码垛运动平稳，路径准确。

图1.1 瑞典ABBIRB460-110/2.4码垛机器人

德国KUKA公司生产的KR40PA码垛机器人的有效负载为40kg，工作区域为2091mm，如图1.2，其提供了用于快速灵活码垛单一类型包装物的创新型码垛软件——KUKA.PalletTech，用户可以轻松地利用该软件实现码垛功能。

图1.2 德国KUKAKR40PA码垛机器人

1.2.2国内研究状况

近年来，南京的ESTUN也以惊人的速度进入了国内的前列。作为我国第一家上市的机器人公司,拥有着相当高的技术水平，并具有自己的技术，他们的工业机器人技术弥补了国内多项空白，其公司研制的SRM120A四轴码堆码机械手，其工作距离可达到2500毫米，可反复测量精度达到±0.2mm,每小时可完成1800次标准循环，同时配备了码垛专用软件包，对垛型、生产率等可进行简洁、直观的设置，简化示教流程。而精简的零部件,高钢性的手臂,保证了强大的负载能力,使其不仅可应用于食品等轻工业领域,还可应用于重工业领域.码垛控制系统能根据自身末端执行器、工件形状以及生产线特点自动确定码垛方式和码垛顺序,既保证了稳定性,又简化了人工操作过程,使码垛更高效。

图1.3 新松SRM120A系列码垛机器人

南京ESTUN作为国内机器人技术龙头，具备机器人全产业链优势。在22年中国工业机器人出货量的排名中位列第8名，其提供专用型-码垛系列，主要有ER6-2-PL、ER12-24-PL、ER18-31-PL三种机器人。其中，ER6-2-PL系列机器人的最大负载能力是6kg，工作范围可达2mm，重复定位精度为±.2mm,如图1.4。

图1.4 ESTUNER60-2000-PL系列码垛机器人

目前我国的大多码垛机器人大部分为直角坐标型和关节型。直角坐标型机器人位置精度高、控制无耦合。关节机器人与直角坐标型机器人相比拥有本体轻巧、工作范围大等优点。虽然我国在码垛机器人技术领域取得了较大的成就，但是目前还处于发展阶段，《中国制造2025》定下的目标仍没有实现，仍需要众多科研工作者坚持不懈地去攻破难关，研发出更加智能化、高效化的码垛机器人。同时，还要面临国际上其他国家的竞争，所以中国码垛机器人的前途是充满坎坷的，但未来趋势是十分乐观的。

1.3本课题研究内容

应用RobotStudio开发了一种用于处理自动化作业的自动化堆叠工位。本系统使用ABBIRB120和S7-1200系列工业机械臂,，4个位置的材料垂直存放区，4个位置的倾斜存放区，1个较大的工件堆放区。。PLC,4个位置的材料垂直存放区，4个位置的倾斜存放区，1个较大的工件堆放区。

（1）编程简单，使用方便

在PLC的编程语言中，梯形图语言通俗易懂，使用最多，它具有与继电器电路原理图相似的电路符号和表达方式，容易掌握，并能熟练编制简单的用户程序。

（2）可靠性高

PLC控制的软件替代了中继、中继、时序等的逻辑控制器，从而降低了接触头和接线板的使用。减少由于触头触头失效的几率，提髙了系统的可靠性，加强了抗干扰能力。  （3）系统的开发（设计、安装、调试）工作量少，周期短

PLC采用编程方式进行控制，降低了设计的麻烦；通过计算机模拟，调试，修改该方案可以降低现场的调试工作。在现场的调试过程中，如果出现问题，通常仅对使用者的软件进行更改。或者稍微进行局部调整即可。

（4）硬件配套齐全，使用方便，适应性强

PLC已趋于系列化、模块化、标准化，配备了齐全的硬件装置，其编程语言和编程方法多种多样，使用极其方便。当硬件确定后，一般只需改变软件程序内容或者局部调整外围电路，就可以进行功能扩展来满足不同控制系统的需要，用户没有必要重新设计PLC的硬件设备，具有很强的适应能力。

（5）维修方便

PLC的失效几率极低，具有很好的故障检测能力，具有各种不同的故障检测与展示方式，可以很轻松的找出故障源，快速地将故障切除或者是更换新的元件。

（6）体积小、重量轻、能耗低

PLC控制系统没有继电器、定时器、计数器等功能部件，采用软件完成逻辑控制和控制，而且由于其体积较小，重量较轻，因此可以减少控制系统的能耗。

（7）功能强，性价比高

常规的中继控制系统中，对中继设备要求较高；只有像计数装置这样的功能部件，可以完成它的逻辑控制。PLC既可以实现数字量和模拟量的控制，又可以实现智能控制，机器人控制，闭环控制，运动控制等。

（8）通讯功能强、运行效率高

西门子S7-1200型号的PLC配备了很好的通讯能力，比如PROFIBUS-DP通讯；点对点通信，工业以太网通信、OPC通信、无线局域网通信、广域网通信等。正是这些通信功能与现场总线技术和互联网的不断结合，才提高了码垛机器人控制系统的运行效率。

2 搭建仿真平台

在完成虚拟模拟前，必须对其工作条件进行描绘。该工艺要求有一个基础的工作环境；一种机械的躯干。在这些项目中，我们利用SolidWorks的工作场所，材料和设备以同样的比率在本地的试验室里进行绘图，机器人角色可以在RobotStudio中绘制或导出。

2.1底座的建立

（1）ABBRobotStudio作为两个基座，以更好地仿真实际的工作环境。单机“建模”选项卡，选择“固体”中的“矩形体”。如图2.1所示。

图2.1 建立底座

（2）创建两个大小不一的矩形结构，其第一个矩形体长宽高为300、800、150。第二个矩形物体的长度和宽度是800、1000、200。

2.2工作台和物料模型的导入

（1）在SolidWorks中绘制出一个机器人平台和材料组件的几何模型，如图2.2所示。

图2.2 工作台与物料模型

（2）将工作台模型和物料模块模型进行装配，如图2.3所示。

图2.3 工作台与物料配合

（3）本工作台共有8个材料模组，请留意四个材料模组的角度各不相同，左侧四个与横向的夹角为10度。最终的平台和材料组件组装如图2.4，2.5所示。

图2.4 工作台物料装配模型图

图2.5 工作台物料装配实体图

（4）将已绘制好的装配模型引入RobotStudio，创建要被抓取的对象，在此期间，我们还可以任意调节每个几何形状的色彩，如图2.6所示。

图2.6 底座为红色和黄色

（5）色彩变换完毕，接下来就是将刚绘制好的组装体建模，在“基本”标签下面输入“导入几何体”，然后再点击“浏览几何体”，然后找出组装主体1.SLDASM.文档，便可以达到图中所展示的效果。如图2.7所示。

图2.7 导入装配体

2.3改变位置

（1）接下来，我们要对各几何体进行调整，以获得最好的仿真结果。点击捕获中心功能，就可以在每个几何物体上，自动地找出它们的侧面和平面的中心。如图2.8所示。

图2.8 选中“捕捉中点”

（2）在左边的版面上寻找你要做的运动，在右边点击“位置”，在“放置”里选择“一个点”。如图2.9所示。

图2.9 选择“一个点”

（3）鼠标在要放置的几何体的边中点上（由软件自动给出），以及相应于该几何体边中点的位置，单击该应用程序。如图2.10，2.11所示。

图2.10 点中几何体边的中点

图2.11 位置的改变结果模型图

2.4机器人模型的导入

（1）还可以参照前一几何的操作流来运动组装件1。在安装过程中，即使组装件的角度没有达到最好，也可以在组装件上进行转动，但是必须要将安装件的位置从地面到地面。在“位置”上单击“旋转”键，然后单击鼠标上的Z轴线，选定90度的转动角，单击鼠标直到得到所需的结果。如图2.12所示。

图2.12 导入机器人

（2）引入本系统，选取IRB120型机器人进行虚拟模拟，实现对工业机械臂的自动控制与组装。将此机器人引入后，会发现其与预定的几何结构相重合，我们将会将其放置于两个基座的主要基座上。选择捕捉中点功能，如图2.13所示。

图2.13 捕捉中点

（3）在机器下方找出“位置”，按下“放置”按钮，“一个点”，将鼠标移至机器人的底部并拾起其中心点，然后按下大基座的中央，按一下程序就能得到所需结果，如图2.14所示。

图2.14 导入机器人

2.5夹具的导入

我们所采用的卡盘固定装置与机械手进行连接时，要求在机械手上装有可移除的快速更换工位头部。

图2.15 快换夹具工头模型及实物图

图2.16 吸盘夹具模型及实物图