[基金项目]广州南洋理工职业学院2023年度校级“创新强校工程” 大学生校外实践教学基地项目（NY-2023CQ-XWJD005）；广州南洋理工职业学院2024年度校级科研项目（NY-2024KYYB-01）.

随着饮料行业的快速发展，传统的饮料生产线已经无法满足现代市场的需求。传统的饮料生产线主要依靠大量的人工操作，导致生产效率低下且良品率不稳定。为了解决这一问题，本文基于Robot Studio仿真软件，设计了一个饮料箱码垛搬运工作站的产线。

1总体方案设计

1.1系统架构设计

工业机器人实现码垛，前端送料采用流水线送料，为了提高效率，采用两条输送链同时送料。生产流程如图1所示：

(1)传送带将产品与瓶盖输送至传送带尾端挡板，传感器发送到位信号给机器人;

(2)机器人运动至AB输送链上方,等待信号对产品进行注塑与装盖；

(3)当接收到装盖完成信号后，传感器发送信给视觉机器进行识别是否符合规范；

(3)当接收符合规范信号,放置装箱区传送带，传送带尾端会累计通过个数；

(4)通过一定个数产品机器人夹取产品进行装箱；

(5)装箱完毕经行传送带进行打包，后堆放至木托盘上；

图1.生产流程图

1.2工作站布局

工作站布局包括搬运机器人、夹具、传送带、木托盘、、控制柜、机器人底座、饮料瓶等，这些模型部分可以在Robot Studio 模型库中找到，夹具与部件可以通过Solid Works建模软件进行建模创建，再导入模型库，对于一整个饮料工作站产线对其进行模块化分类分别是：罐装区、识别区、装箱区、打包区。如下图2所示。

图2.工作站分类

2.硬件部分设计

在硬件部分的设计中采用Solid Works软件，对饮料瓶、瓶盖、纸箱进行建模，再根据不同的使用环境对机器人夹具进行设计与装配。

2.1工业机器视觉选型

传统的机器视觉由工业相机、工业光源、工业镜头三大部分组合而成。工业相机主要有面阵和线阵相机，在静止或者低速度采集时用面阵，大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机，在工作站中饮料是一个持续高速运动的，相机则采用的是华睿科技L系列线阵。本次采用的光源为华睿科技的工业光源中的环形光源。环形光源可提供不同照射角度，采用波峰焊接工艺、容易安装、设计简洁紧凑。根据工作环境的需求选择华睿科技面阵镜头，此镜头最大支持 1/1.8''靶面大小。共7款焦距，焦距包括6mm~50mm，近距设计，更合适工业视觉检测场景，支持工作温度范围-10°C~50°C，成像清晰度稳定。

2.2机器人的选型

在本次设计中，考虑到不同区域的工作特性和需求，采用多种类型的机器人来确保效率和安全性。在灌装区域，我们选择了具有高精度和稳定性的小型装配机器人，ABB公司的IRB120机器人作为ABB小型机器人，IRB 120在紧凑空间内凝聚了ABB产品系列的全部功能与技术。其重量减至25kg，结构设计紧凑，几乎可安装在任何地方，比如比如本次工作站灌装区需要对物体进行灌装就可以很好的安装在生产线上其他机器人的近旁。

在装箱区域，需要对饮料进行装箱处理，对机器人的工作范围与负载有一定的需求，选择ABB公司的IRB1200机器人作为ABB小型机器人，它的高度与工作范围比IRB120宽广，一般用与物料搬运和上下料。

在打包区域，需要对打包好的饮料进行码垛搬运，因此选择ABB公司的IRB2600机器人。IRB2600机器人工作范围超大，主要应用弧焊、装配、物料搬运与包装负载能力高达20kg，对饮料打包码垛提供了有力保障。

2.3夹具设计

在不同的工作环境和区域下，机器人对于夹具的需求会有所不同。这主要是因为不同的工作场景可能需要夹具具备特定的功能、形状和适应性，以满足机器人在各种复杂环境中的操作需求。

2.3.1灌装区机器人夹具设计

罐装区夹具用途主要是是对瓶身的抓取以及对瓶盖的抓取，此夹具在工作站中安装在灌装区的IRB200机器人当中。

图3罐装区夹具

夹具如图3所示，上方对圆环部分对机器人末端执行器进行测量，中间部分主要是对整个夹爪进行延长和对下方左右两个夹子的活动，夹爪内部有两种口径用与更方便对不同部件的抓取。

2.3.2装箱区机器人夹具设计

装箱区的夹具主要用于对已经检验合格的饮料夹如箱内，为了提高生产速度夹具需要一次夹取多个饮料。

图4.装箱区夹具

夹具如4图所示，此夹具安装与装箱区1200机器人中,由一个基座与左右两个夹爪组成，前端圆环根据机器人末端执行器进行测量，中间部分用于延长与对下面夹爪的链接，下方夹爪根据饮料瓶盖大小进行掏空，可一次稳定抓取3瓶饮料进行装箱。

2.3.3打包区机器人夹具设计

打包区夹具主要用于机器人对装箱完成的饮料箱进行搬运，为了不破坏纸箱减少纸箱的褶皱，采用吸盘夹爪。

图5.打包区夹爪

夹具如图5所示，此夹具安装与打包区IRB2600机器人中，前端圆环根据机器人末端执行器进行测量，中间部分采用圆柱体进行延长，夹爪部分采用吸盘。

3.饮料箱码垛搬运工作站仿真设计

3.1饮料箱码垛搬运工作站的设计

本工作站使用robot studio软件进行仿真搭建，robot studio软件是是由 ABB 公司开发的机器人仿真软件，它被认为是业界领先的功能强大的机器人编程和仿真工具。通过robot studio软件使机器人与不同部件相配合从而完成设计。

图6.饮料码垛布局图

通过如图6所示，在工作站的起点处有传送带A传送带B别对饮料瓶子与瓶盖进行传送，通过机器人A夹取瓶子到灌装基台注入饮料盖盖子，此部分为注塑区，将注塑好的饮料放入传送带C进行视觉缺陷检测，同时传送带D会生成传送纸箱，当饮料瓶到达一定数量时机器人B将夹取饮料放置纸箱内，当箱子装满后送入打包机内打包，打包好的商品会通过传送带D出来至尾端，机器人C则开始码垛将纸箱搬运至木托盘中。

3.2 Smart组件介绍

在Robot Studio软件中，Smart组件是实现虚拟仿真必不可少的功能，它是机器人I/O信号对仿真对象运动属性控制的连接桥梁。

3.2.1灌装区传送带Smart组件设计

灌装区传送带主要将饮料瓶、瓶盖进行传送。需要实现将饮料、瓶盖生成出在传送带内进行直线运到到达传送带尾部则停止运动，由于瓶盖与饮料瓶传送方式一致下对其一进行说明。饮料瓶传送带需要的部件为Queue队列、Linear Mover直线运动、Source拷贝、Logic Gate逻辑运算、Timer时间、Plane Sensor面传感器组成，通过在这些组件的相互链接可以实现饮料瓶的直线运动。

通过Time发送一个0.2秒一次的信号给Source进行拷贝部件，拷贝好的部件放入部件内，通过Linear Mover直线运动将整个队列进行移动，当我们的Plane Sensor面传感器检测到物体时物体则停止运行，所以需要使用取反NOT信号，当面传感器输出为1的时候Logic Gate为0，这样就可以停止脉冲生成新的部件，直线运动则一起停止，当我们使用机器人夹取物体时候面传感器信号为0取反后得1，这样传送带又继续进行运作了。

3.2.2识别区Smart传送带组件设计

识别区传送带需要将灌装好的饮料在传送带上进行直线运行，到达传送带末端后停止运动，机器视觉开始拍照检测。识别区传送带的组件与灌装区传送带组件基本一致，唯一区别是识别区传送带的前端后端各有一个传感器对部件其进行检测识别，当前端检测到传送带才会开始运行，当瓶子运行至传送带末端后，传感器发送信号给视觉，视觉闪烁进行拍照。

3.2.3装箱区传送带Smart组件设计

装箱整条传送带由两个传送带组合完成，使用pose mover组件将纸箱设定成为一个姿态，分别为封箱与空箱两种姿态，当机器人抓起瓶子将纸箱装满，纸箱自动开始进行一个封箱处理，封箱后传送带带动纸箱直线运动，运动至第二条传送带末端，传感器进行是否检测到位后停止运动，其他组件与罐装区一致。

3.2.4夹具Smart组件设计

夹具所需要的组件主要为：检测是否有对象、安装、拆除、逻辑运算，工作方式机器人夹取部件与机器人放下部件。三台机器人夹具组件基本一致，当夹具安装检测是否有对象组件，当机器人运动到点位进行夹取，检测到部件，安装组件将部件安装至夹爪中，移动至下一点位通过拆除部件进行拆除，通过程序发出信号配合逻辑运算进行控制。

3.3工作站逻辑设定

工作站逻辑设定是指根据工作站的具体需求和工作流程，设计出一套合理的控制逻辑。这涉及到对工作站的功能、输入输出、设备状态、错误处理等方面的全面考虑。机器人例行程序的控制逻辑主要是在Main主程序中完成的，同时在每一个子例行程序中也要对各自的控制信号进行逻辑控制，通过模块化将机器人控制逻辑进行分解，以下对三台机器人逻辑控制与程序编写进行说明。

3.3.1灌装区机器人逻辑设计

灌装区机器人按照模块控制逻辑顺序分为回原点（home）、抓瓶子（put1）、主程序（main、）放瓶子（out1）、抓瓶盖（put2）、放瓶盖（out2）、抓这个瓶子（put3）、放下整个瓶子（out3）、循环（ENDIF）8个模块以下对程序进行说明。仿真启动机器人通过控制器回到原点，当传送带将瓶子传送到位，机器人运动至传送带末端等待一秒夹取瓶子等待一秒，将瓶子放置在灌装基台等待两秒进行灌装，灌装完成后移动至瓶盖传送带末端等待一秒夹取瓶盖等待一秒，将瓶盖安装到空瓶上等待两秒,安装完成后等待两秒夹取完整的瓶子将移动至识别区，等待两秒松开瓶子，进行新一轮循环。

3.3.2装箱区机器人逻辑设计

装箱区机器人按照模块控制逻辑顺序分为回原点（home）、主程序（main）抓放瓶子（put1）放瓶子（out1）循环（rint）计算行列码垛（算法）6个模块以下对程序进行说明。当罐装区将饮料瓶子夹取到识别区，传送带将瓶子传送至末端传感器发送信号给机器人机器人开始运作，机器人来到瓶子所在的位置等待两秒夹紧瓶子停留两秒后移动至箱子内，等待两秒后松开，算法程序开始运作计算行与列，count是计数计算瓶子放入多少个，div是个取整指令，当计数器为3则有意义，这样即可做到三个瓶个换一行，当将瓶子摆放为三行三列后自动进行打包运输，打包完成后rint指令复位进行下一轮打包。

3.3.3打包区机器人逻辑设计

打包区机器人当纸箱传送至打包区传送带末端，传送带发送型号给机器人机器人开始运动，通过路径创建一个传送带上纸箱的点位与木托盘上纸箱的点位，吸盘等待一秒吸取纸箱等待一秒，移动至木托盘等待一秒放下纸箱等待一秒完成动作，采用for函数进行循环。

4.结论

本文设置了合理的搬运路径，各个部件的放置精确定位，将各机器人划分区域分类运作，以确保机器人能够高效、准确、协同完成码垛任务。同时，在常规的搬运码垛基础上加入了机器人视觉，通过CCD、光源等视觉设备检测产品的缺陷，大大的提高了产线的工作效率。因此，基于Robot Studio的饮料箱码垛搬运设计与仿真方案是可行且有效的。

参考文献

[1] 杨涛.基于OPC UA和RobotStudio的工业机器人工作站集成仿真[J].工业控制计算机, 2024, 37(5):71-73.

[2] 白蕾,侯伟,张小洁.基于RobotStudio的机器人搬运工作站设计与仿真[J].国外电子测量技术, 2018, 37(6):5.