基于PLC的橢圓形魚(yú)罐頭機(jī)器人自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)

周燦宇

ZHOU Can－yu

（廣州鷹金錢(qián)企業(yè)集團(tuán)公司，廣東 廣州 510900）

（Guangzhou Eagle Coin Enterprise Group Corp，Guangzhou，Guangdong 510900，China）

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，產(chǎn)品的生產(chǎn)也越來(lái)越高速和自動(dòng)化。目前中國(guó)很多產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品的裝箱仍然采用人工包裝，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越大，制約了企業(yè)生產(chǎn)能力的提高，嚴(yán)重影響企業(yè)的發(fā)展［1］。橢圓罐魚(yú)罐頭產(chǎn)品由于包裝外形的特殊性，一直無(wú)法采用自動(dòng)裝箱技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)橢圓罐魚(yú)罐頭全自動(dòng)裝箱，采用基于PLC控制的機(jī)械手進(jìn)行取罐、取隔層紙、放罐和放隔層紙等，以此為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)一條橢圓形魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)。

1 魚(yú)罐頭裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的組成

魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)由開(kāi)箱機(jī)、機(jī)器人裝箱系統(tǒng)、分罐伺服輸送系統(tǒng)、箱輸送系統(tǒng)、封箱機(jī)以及罐頭輸送系統(tǒng)等設(shè)備組成。通過(guò)罐頭輸送和箱輸送系統(tǒng)，將開(kāi)箱機(jī)、機(jī)器人裝箱機(jī)和自動(dòng)封箱機(jī)進(jìn)行有效連接。利用PLC控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)魚(yú)罐頭裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的全自動(dòng)化。圖1是魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱線(xiàn)總體布局圖。

圖1 罐頭自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)布局圖Figure 1 Fish can automatic packing production line layout

2 魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的工作原理

魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱系統(tǒng)的關(guān)鍵是魚(yú)罐頭的排列輸送，確保罐頭的有序排列，核心是采用PLC控制的機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝罐、自動(dòng)放罐和自動(dòng)抓放隔層紙。

經(jīng)過(guò)貼標(biāo)后的橢圓魚(yú)罐頭，通過(guò)單排輸送鏈，進(jìn)入伺服分列機(jī)，由伺服分列系統(tǒng)將魚(yú)罐頭有序排列成3列，進(jìn)入三列輸送鏈和緩沖區(qū)，并直接進(jìn)入裝罐提升機(jī)，等待機(jī)器人抓手動(dòng)作。紙箱在采用自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)進(jìn)行開(kāi)箱后，通過(guò)紙箱輸送鏈將空紙箱輸送到裝箱輸送鏈，設(shè)定規(guī)格是每次裝箱為4箱，每箱為24罐（每層6罐，共4層）。在機(jī)械手裝罐動(dòng)作開(kāi)始前，空紙箱進(jìn)入裝箱導(dǎo)向框，當(dāng)進(jìn)入紙箱數(shù)量達(dá)到4個(gè)時(shí)，空紙箱就位完畢。隔層紙通過(guò)人工加滿(mǎn)隔層紙后，通過(guò)手工推送進(jìn)入隔層紙?zhí)嵘龣C(jī)的工作位置。

在紙箱、隔層紙和罐頭分別到位后，本裝箱機(jī)器人機(jī)械手采用真空吸取系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械人的PLC控制系統(tǒng)收到相應(yīng)信號(hào)后，從原點(diǎn)開(kāi)始工作，完成?。ǚ牛└魧蛹垺⑷。ǚ殴揞^）等動(dòng)作。分別完成4次放罐和5次放隔層紙后，完成一個(gè)周期的機(jī)器人裝箱動(dòng)作。裝滿(mǎn)罐頭后的紙箱，通過(guò)裝箱輸送鏈輸送到自動(dòng)裝箱機(jī)，完成裝箱工序。

3 裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的構(gòu)成

針對(duì)橢圓魚(yú)罐頭外形的特殊性，需要對(duì)機(jī)器人裝箱系統(tǒng)和相關(guān)系統(tǒng)等進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，充分利用成熟的開(kāi)箱和封箱設(shè)備以及相關(guān)的輸送連接，保障裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化運(yùn)行。

3.1 機(jī)器人裝箱系統(tǒng)

3.1.1 原理 魚(yú)罐頭機(jī)器人裝箱系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，利用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。該系統(tǒng)采用氣壓驅(qū)動(dòng)，在一個(gè)機(jī)械臂上安裝2個(gè)機(jī)械手，通過(guò)機(jī)械手的上下方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和左右方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)1次裝罐頭和隔層紙的動(dòng)作，罐頭裝箱運(yùn)動(dòng)方向見(jiàn)圖2。機(jī)械手抓取動(dòng)作由真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加罐頭和隔層紙兩類(lèi)物料，采用2個(gè)真空吸料系統(tǒng)，分別吸（放）罐和吸（放）隔層紙。罐頭通過(guò)輸送帶的輸送進(jìn)入裝罐提升機(jī)，紙箱通過(guò)自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)的折疊成型，由紙箱輸送帶將紙箱按需進(jìn)入裝箱位置［2］。

圖2 裝罐工作方向示意圖Figure 2 Canned packing work direction

3.1.2 動(dòng)作分析 機(jī)器人自動(dòng)裝箱的布局見(jiàn)圖3。裝罐系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，罐頭輸送帶排列鏈上的罐頭通過(guò)機(jī)械抓手上的真空吸頭，將罐頭真空吸取，并將其裝進(jìn)紙箱內(nèi)；在放罐的同時(shí)，利用另外一個(gè)吸頭完成隔層紙的吸取；當(dāng)完成放罐動(dòng)作后，機(jī)械手上升向右移動(dòng)，并且下行吸罐，同時(shí)吸紙系統(tǒng)完成放隔紙動(dòng)作，當(dāng)完成設(shè)定的4層罐頭數(shù)和5層隔層紙后，機(jī)械手回復(fù)原位，一次裝箱周期動(dòng)作完成。

圖3 機(jī)器人裝箱系統(tǒng)示意圖Figure 3 Pack robot system schematic diagram

機(jī)器人手抓的具體動(dòng)作經(jīng)4個(gè)循環(huán)，每個(gè)單循環(huán)動(dòng)作：原位→取隔層紙→移動(dòng)→取罐頭（放隔層紙）→移動(dòng)→放罐頭（取隔層紙）→移動(dòng)（來(lái)回共4個(gè)循環(huán)動(dòng)作）→復(fù)位。紙箱輸送系統(tǒng)將整箱輸送到自動(dòng)封箱機(jī)完成封箱操作，空紙箱同步輸送進(jìn)入裝箱位置，實(shí)現(xiàn)裝罐、加隔層紙、封箱全過(guò)程的自動(dòng)化。機(jī)械人裝箱的全部動(dòng)作過(guò)程由PLC編制的程序?qū)崿F(xiàn)，由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中實(shí)現(xiàn)上升／下降、左行／右行、吸緊／放松功能［3］。

3.1.3 機(jī)器人裝箱的工作流程及PLC程序編制 根據(jù)對(duì)機(jī)器人自動(dòng)裝箱動(dòng)作的分析，可以對(duì)機(jī)械手每個(gè)動(dòng)作響應(yīng)條件的判斷，分別對(duì)進(jìn)箱動(dòng)作、隔層紙到位和裝罐層數(shù)等工作參數(shù)進(jìn)行判斷，形成機(jī)器人自動(dòng)裝箱的工作流程，具體工作流程見(jiàn)圖4。

圖4 裝罐工作流程圖Figure 4 Can work flow chart

根據(jù)上述工作流程，將采用西門(mén)子S7－200系列的PLC進(jìn)行編程控制。對(duì)控制系統(tǒng)的I／O分配進(jìn)行確定。I／O分配表是編寫(xiě)PLC程序和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)的重要依據(jù)［4］。根據(jù)魚(yú)罐頭裝箱的控制需要，分別對(duì)控制信號(hào)、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行I／O分配，分配情況略。并根據(jù)各個(gè)動(dòng)作分別建立通用輔助繼電器地址分配。根據(jù)上述的工作流程要求及I／O分配情況和地址分配情況進(jìn)行PLC程序編程，并分別對(duì)原點(diǎn)位置、手動(dòng)程序、連續(xù)程序、單周期和單步動(dòng)作等動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)［5，6］。

對(duì)上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬程序校驗(yàn)，及時(shí)進(jìn)行修正。程序運(yùn)行無(wú)誤后，下載到PLC中，進(jìn)行調(diào)試。觀(guān)察機(jī)械手的上下、左右、抓取和放松等動(dòng)作開(kāi)關(guān)及指示燈的亮滅情況［7］。通過(guò)一系列的調(diào)試、運(yùn)行、修改，達(dá)到了預(yù)期的目的。

3.2 魚(yú)罐頭分列伺服輸送系統(tǒng)

橢圓形魚(yú)罐頭由于包裝外形的特殊性，不同于圓形罐頭，直接可以進(jìn)入裝箱系統(tǒng)。在進(jìn)入裝箱系統(tǒng)前，必須進(jìn)行方向性的排列，保證魚(yú)罐頭在排列方向的規(guī)則化。這樣才能確保裝箱動(dòng)作的正常進(jìn)行。橢圓魚(yú)罐頭伺服分列輸送系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖5。分別由入罐單列輸送帶、出罐輸送帶、伺服電機(jī)、擺罐系統(tǒng)、分列輸送和機(jī)架等組成。

圖5 分列伺服輸送系統(tǒng)示意圖Figure 5 Servo conveying system schematic diagram

分列伺服系統(tǒng)工作時(shí)，伺服電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，從而推動(dòng)擺罐裝置移動(dòng)到達(dá)指定的位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。當(dāng)罐頭從單列輸送帶進(jìn)入，為了達(dá)到分列精準(zhǔn)，系統(tǒng)通過(guò)PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、接近限位開(kāi)關(guān)、光電計(jì)數(shù)器組成，將罐頭1列分為3列。分列時(shí)，由原始位開(kāi)始每列順延單次進(jìn)罐8個(gè)，3列罐頭同時(shí)達(dá)到滿(mǎn)列限位時(shí)，伺服分罐自動(dòng)停止。系統(tǒng)從那列先行退出滿(mǎn)列限位，則伺服分罐再由該列開(kāi)始進(jìn)行放罐，伺服系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定程序，為機(jī)器人裝箱提供平衡穩(wěn)定的3列罐頭，保證自動(dòng)裝箱。

3.3 罐頭排鏈輸送系統(tǒng)

魚(yú)罐頭經(jīng)過(guò)伺服分列系統(tǒng)后，變成3列罐頭，罐頭通過(guò)輸送排列鏈進(jìn)入機(jī)器人裝箱系統(tǒng)的取罐升降機(jī)，取罐升降機(jī)的平面示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 罐頭排鏈輸送系統(tǒng)示意圖Figure 6 Cans of chain conveyor system schematic diagram

為保證機(jī)器人手抓罐頭過(guò)程中，取得足夠數(shù)量的罐頭，不至于漏罐，在輸送排列鏈上的緩沖區(qū)的罐頭必須滿(mǎn)足進(jìn)入取罐升降機(jī)的罐頭數(shù)量。本設(shè)備設(shè)定每次裝箱數(shù)量是4箱，每列罐頭進(jìn)入升降機(jī)的數(shù)量是8罐，每次進(jìn)入的罐頭共24罐。設(shè)定緩沖區(qū)的罐頭數(shù)量是每列不少于2倍的進(jìn)罐數(shù)量。

在緩沖區(qū)最低緩沖數(shù)量的位置裝了具有計(jì)數(shù)和接觸功能的光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)每次進(jìn)入取罐升降機(jī)的每列數(shù)量達(dá)到8罐時(shí)，每列罐頭都到達(dá)升降機(jī)輸送鏈末端，并通過(guò)接近開(kāi)關(guān)響應(yīng)，3列都滿(mǎn)足時(shí)，限位壓緊氣缸動(dòng)作，壓緊罐頭，升降機(jī)內(nèi)輸送鏈上的罐頭升高到設(shè)定的高度，機(jī)器人機(jī)械手響應(yīng)，進(jìn)行取罐動(dòng)作。

當(dāng)緩沖區(qū)儲(chǔ)存的罐頭數(shù)量沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的數(shù)量時(shí)，光電探頭傳送給PLC的信號(hào)沒(méi)有響應(yīng)。需要3個(gè)光電探頭和3個(gè)罐頭到位檢測(cè)同時(shí)滿(mǎn)足響應(yīng)后，機(jī)器手才動(dòng)作。

3.4 隔層紙供給系統(tǒng)

隔層紙供給系統(tǒng)主要是由隔紙升降支架、隔層紙倉(cāng)、升降氣缸、支架和光電探頭等組成。該供給系統(tǒng)的示意圖見(jiàn)圖7。專(zhuān)門(mén)抓取隔層紙的機(jī)械手在吸取隔層紙時(shí)，機(jī)械手底部的真空吸盤(pán)在貼近隔層紙的瞬間，形成真空狀態(tài)，隔紙吸附在真空吸盤(pán)上，通過(guò)機(jī)械手臂的位移，將隔層紙準(zhǔn)確送到紙箱內(nèi)。機(jī)械手每次吸附4張隔層紙。對(duì)隔層紙的高度和有無(wú)通過(guò)光電檢測(cè)頭進(jìn)行檢測(cè)，確保每個(gè)位置有足夠的隔層紙。

圖7 隔層紙供給系統(tǒng)示意圖Figure 7 Interlayer paper supply system diagram

4 結(jié)論

魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱系統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)的機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)，節(jié)能、無(wú)污染、高效、低成本、安全可靠。利用PLC進(jìn)行動(dòng)作控制，取罐、放罐、取放隔層紙均采用模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。本裝置在目前中國(guó)圓罐自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)較為成熟的基礎(chǔ)上，對(duì)橢圓形魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的伺服分列部分和自動(dòng)裝箱進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了異型罐頭的自動(dòng)裝箱技術(shù)的突破。

機(jī)器人裝箱系統(tǒng)在橢圓魚(yú)罐頭自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線(xiàn)的投入使用后，運(yùn)行狀況良好，按每次同時(shí)裝罐4個(gè)箱，每箱24罐的數(shù)量計(jì)算，裝箱速度達(dá)到20箱／min，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。該控制系統(tǒng)安全可靠，配置合理，達(dá)到了運(yùn)行安全、可靠、操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人工成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到提高的目的。

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