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机器人纸卷包装系统的设计和应用
本文所进行的设计，在纸卷包装过程中引入工业机器人代替人工，设定了机器人纸卷包装系统的工艺流程，完成了硬件设备的搭建并绘制了布局图；以PLC为主站，机器人为从站。
1 引言
机器人技术是人类20世纪最伟大的发明之一，问世40余年来，各种形态、功能的机器人相继面世，将作业者从繁重、单调甚至危险的作业场合解放出来。与瑞典、德国、美国、日本等机器人强国相比，我国机器人技术和应用尚不成熟，但也正在高速发展，目前中国工业机器人总装机量年增长率达17%，远高于全球平均9%的速度。
自20世纪60年代至70年代第一台机器人诞生开始，工业机器人技术获得了飞速的发展，其应用范围也逐步扩大，形成了搬运、码垛、焊接、喷涂四大类型。进入20世纪90年代以后，工业机器人已与数控（NC）、可编程控制器（PLC）一起成为了工业自动化的三大技术支柱和基本手段。KUKA机器人作为机器人四大家族之一，通过对高速运动曲线中动态模型的优化，使其加速性能高于普通机器人25%，更利于优化工作节拍，提高系统寿命。
纸和纸板被称为“软钢铁”，其生产、消费速度和国民经济总值的增长速度相当。国家发展和改革委员会对造纸产业实行行业准入制度，要求造纸产业发展要实现规模经济，新建、扩建造纸项目单条生产线起始规模要求达到：新闻纸项目年产30万吨，文化纸年产10万吨，箱纸板和白纸板年产30万吨，其他纸板项目年产10万吨[4]。在政策推动下，许多高能耗、低产能的小造纸企业被强制关闭，国内市场进一步净化，产能逐步向大企业集中。产能的集中必定会要求生产自动化程度与生产效率的不断提高，这对纸卷包装系统的包装速度提出了更高的要求。目前国内造纸行业所使用的纸卷包装机大部分虽然实现了自动选择包装纸规格、送纸、喷胶、曲纸、加压热封、踢纸的自动化，但仍需要人工进行端面内、外盖板的放置。这种半自动的包装方案，每小时包装纸卷60-80卷，一方面生产效率低下，另一方面由于热压盘的工作温度在200℃左右，靠人工放置盖板增加了安全隐患。
当前国内市场每年都会需要20-30套纸卷包装机系统，国际市场也需要20-30套，然而其中达到120卷/小时以上的多工位纸卷包装机系统，每年的需求量有5-10套，全部依靠进口。为满足市场需求，提高纸卷包装效率，降低企业劳动力成本，减少人工操作带来的安全隐患，本文设计了一种基于工业机器人的纸卷包装系统，该系统以PLC为主站，以机器人为从站，配合其他外部设备，实现纸卷包装的完全自动化的同时将包装机节拍提高到了每小时120卷左右。
2 包装工作站布局及工艺流程
机器人纸卷包装系统主要由KUKA机器人，多工位纸卷包装机、链板机等组成。包装机系统检测到被包装纸卷的直径之后，通过profibus-DP通讯，发送给机器人系统，机器人根据待包装纸卷的直径大小，选取适合的盖板，内盖板由机器人放置到放置装置上，再通过移动、翻转支架放置内盖板；外盖板则由机器人放置到热压盘上，通过的热压盘移动、翻转，完成外盖板加压热封。在整个包装过程中不需要热工操作，操作人员只需在盖板用完后，添加新的盖板即可。
根据机器人纸卷包装系统的工艺流程及所选用机器人的运动范围，确定包装工作站布局如图1所示。
图 1 包装工作站布局图
3 系统通讯
在本设计中，机器人纸卷包装系统以PLC为主站，以机器人为从站，通过profit bus-DP进行通讯。
选取EtherCAT接线端子EL6731-0010，并使用耦合器EK1100连接EtherCAT接线端与总线。
这里使用的EtherCAT 是 EtherCAT Technology Group 公司一种以以太网为基础的开放式现场总线系统。EtherCAT 使用以太网网络线路作为传输介质。不过在这里，传输数据包所采用的是一种新的传输方法。 在传统的以太网协议 （TCP/IP）中，总线用户需先接收数据包，然后对其解释并最后转传过程数据。 与此相反，EtherCAT 电报则先后传达到所有的EtherCAT 从设备。这些设备从当前协议中提取为其规定的输入数据，且同时写入适用于主机的输出数据，电报实时无障碍地发送给各个用户， 电报在发送时只会延迟几个纳秒[5]。
如图2所示，在workvisual中将在机器人系统中定义的输入输出信号与现场总线Profit bus-DP对接。同样在PLC组态软件中的“Anybus-CC Profit bus-DP-V1 ”也进行相应耦合。这样机器人就可以与PLC进行实时和大数据量的通讯了。
本系统机器人控制柜中配置的输入输出端子为16字节输入输出，故可进行128个输入输出信号的实时通讯。
图 2 输入输出信号与现场总线对接
本系统主要输入/输出信号定义如表（1）、表（2）所示：
表 1
表 2
4 机器人程序设计
该纸卷包装系统采用了两台机器人，分别完成内、外盖板的安装。KUKA机器人的程序可以通过机器人配套的示教器smartpad或软件workvisual进行编辑。Smartpad适用于现场示教和程序修改，workvisual则适用于更复杂的编程。本设计在workvisual中的机器人进行离线编程，整个系统的程序设计采用模块化编程思想，即整个系统可以根据流程动作不同分为不同模块，在主程序块中根据条件调用不同的子程序块。纸卷包装机器人程序可分为如下几大功能模块：
（1）Fetchcovers：此模块包含main函数，为程序入口点；
（2）Caculation：此模块包含程序中实时计算点的更新；
（3）Movement：此模块包含需要调用的基本方法；
（4）Signalcontrol：此模块包含了程序中使用的各种类型的数据。
程序总流程如图3所示：
图 3 总流程图
内、外盖板机器人抓取盖板功能的程序是相同，其流程如图4所示：
图 4 内、外盖板机器人抓取盖板流程图
内、外盖板机器人放置盖板的程序也基本相同，区别在于根据纸卷长度不同，热压板的位置是相应变化的，外盖板机器人放置盖板到热压盘上时需要先获取当前热压板位置信息。另外，为了让用户可以根据自己的需求调整包装效果，外盖板放置在热压盘上的位置是可以根据用户输入的偏移量进行微调的（本系统中为±50mm），程序流程如图5所示：
图 5 内、外盖板机器人放置盖板流程图
5 结束语
多工位纸卷包装机的生产节拍是造纸行业最关心的问题之一，而影响纸卷包装机生产节拍的重要原因是盖板放置需要人工手动完成，工作效率低，质量不高，存在一定安全隐患。为提高纸卷包装效率，降低企业劳动力成本，本文设计了一种基于工业机器人的全自动多工位纸卷包装系统。该纸卷包装系统主要通过六自由度工业机器人代替操作人员放置盖板，实现减人增效。根据放盖板工序在机器人编程软件workvisual中进行编程；在整个控制系统中，选用西门子PLC作为主站，工业机器人作为从站，通过PROFIBUS-DP协议与西门子纸卷包装DCS系统通信，实现了自动取放纸卷包装盖板和整个纸卷包装过程的全自动化。
随着此类机器人智能装备的研究开发，必将促进我国机械产品信息化、智能化改造升级，加快我国机械产品的升级换代与产品结构调整，实现新一代机械的自主创新性设计，提高我国机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成。
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