基于工業(yè)機(jī)器人的紙卷自動(dòng)包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡連華　李新平,2　湯　偉

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西西安, 710021；

2.陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安, 710021；

3.陜西科技大學(xué)電信學(xué)院,陜西西安, 710021)

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基于工業(yè)機(jī)器人的紙卷自動(dòng)包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡連華1李新平1,2湯偉3

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西西安, 710021；

2.陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安, 710021；

3.陜西科技大學(xué)電信學(xué)院,陜西西安, 710021)

摘要：針對(duì)紙卷包裝流程和包裝機(jī)包裝工序,選用ABB 4600系列6自由度多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人和真空吸盤夾手,根據(jù)放封頭工序在ABB機(jī)器人軟件中進(jìn)行編程；在整個(gè)控制系統(tǒng)中,選用西門子PLC作為主站,工業(yè)機(jī)器人作為從站,通過PROFIBUS-DP協(xié)議與西門子紙卷包裝DCS系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取放紙卷包裝封頭和整個(gè)紙卷包裝過程的全自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；包裝；放封頭；PROFIBUS-DP協(xié)議

Paper Roll Packing Automatical by Using Industrial Robots

工業(yè)機(jī)器人在國外汽車制造、自動(dòng)倉儲(chǔ)、食品加工和包裝等諸多行業(yè)得以廣泛應(yīng)用[1-3]。工業(yè)機(jī)器人可代替人工完成產(chǎn)品堆放、包裝、輸送、分揀和打標(biāo)等工作[4-5]。在造紙生產(chǎn)過程中,寬幅紙卷需要根據(jù)用戶需求經(jīng)過復(fù)卷機(jī)分切為不同規(guī)格的紙卷,為了避免紙卷在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中破損,需要對(duì)紙卷外層進(jìn)行包裝。紙卷包裝工作通常由人工手動(dòng)完成,工作效率低,勞動(dòng)力成本高,并且存在一定的安全隱患。為提高紙卷包裝效率,降低企業(yè)勞動(dòng)力成本,減少人工操作帶來的安全隱患,越來越多的造紙企業(yè)在紙卷包裝過程中應(yīng)用自動(dòng)包裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)紙卷包裝過程的全自動(dòng)化[5-6]。文獻(xiàn)[7]介紹了一種采用工業(yè)機(jī)器人的紙卷自動(dòng)包裝系統(tǒng)組成；文獻(xiàn)[8]針對(duì)全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)給出了一種西門子PLC系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人硬件組態(tài)方法。本文針對(duì)某紙廠紙卷包裝線,給出了一種工業(yè)機(jī)器人替代人工放置內(nèi)外封頭實(shí)現(xiàn)紙卷自動(dòng)包裝的方案。

1應(yīng)用背景

紙卷包裝生產(chǎn)線如圖1所示,主要由復(fù)卷機(jī)、紙卷移動(dòng)系統(tǒng)、包裝機(jī)、放封頭機(jī)器人等組成。紙機(jī)生產(chǎn)的成品紙根據(jù)用戶需求經(jīng)過復(fù)卷機(jī)分切成不同幅寬及長度的紙卷進(jìn)入紙卷移動(dòng)系統(tǒng),紙卷移動(dòng)系統(tǒng)中的移位車在油缸的作用下上升,移位車將紙卷由換線接紙工位送入包卷折紙工位,然后下降并退回?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)已經(jīng)檢測(cè)出的紙卷規(guī)格參數(shù),自動(dòng)選定所需的包裝紙卷,由送紙分配器輸送包裝紙。

紙卷包裝工序如圖2所示,當(dāng)包裝紙帶通過送紙分配器和切紙槽到達(dá)噴膠工位后,紙頭停止,兩噴膠槍由紙帶中部向兩側(cè)移動(dòng)并噴灑熱熔膠；機(jī)器人放置內(nèi)封頭,放置完畢后吹氣將內(nèi)封頭護(hù)在紙卷端部,紙卷驅(qū)動(dòng)輥啟動(dòng),使紙卷開始轉(zhuǎn)動(dòng),送紙驅(qū)動(dòng)輥啟動(dòng)繼續(xù)將包裝紙頭送至紙卷和主驅(qū)動(dòng)輥之間,放紙系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其張力以保證包裝紙緊貼在紙卷上。

根據(jù)設(shè)定的包裝層數(shù)和紙卷直徑,系統(tǒng)自動(dòng)算出包裝紙長度。第一層包裝紙送出紙頭時(shí),噴膠槍向包裝紙兩邊噴膠,當(dāng)包第二層時(shí)噴兩側(cè)邊膠。紙卷包裝同時(shí),折紙葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)超出紙卷寬度的包裝紙進(jìn)行打折,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的包裝層數(shù)時(shí),驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)詣?dòng)停止,此時(shí)噴膠槍動(dòng)作,由兩邊向中部移動(dòng)噴膠。切紙刀動(dòng)作將包裝紙切斷,驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng),待包裝紙尾端全部與紙卷貼合且全部打折后,包卷結(jié)束。

圖1　紙卷包裝生產(chǎn)線示意圖

圖2　紙卷包裝流程

2機(jī)器人放封頭系統(tǒng)控制要求與系統(tǒng)選擇

機(jī)器人放封頭系統(tǒng)由搬運(yùn)機(jī)器人(包括控制器和編程器)、機(jī)器人底座、機(jī)器人夾手、封頭檢測(cè)裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)檢測(cè)到被包裝紙卷的直徑后通知機(jī)器人系統(tǒng),當(dāng)紙卷需要放置封頭時(shí)由2個(gè)機(jī)器人從封頭放置處抓取并將其放在紙卷兩端。機(jī)器人夾具裝有一個(gè)傳感器,以確認(rèn)封頭是否抓住。若抓住封頭后,機(jī)器人按照事先示教好的固定軌跡運(yùn)行到擺放位置(擺放位置通過示教記錄實(shí)現(xiàn)),通過傳感器確定封頭是否放下,封頭擺放完畢,機(jī)器人回到起始位置等待下一個(gè)抓取命令,接到命令后重復(fù)以上動(dòng)作。由于紙卷規(guī)格不一樣,封頭尺寸也不一樣,根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格預(yù)先編好程序,機(jī)器人自動(dòng)調(diào)用。

采用ABB 4600系列6自由度多關(guān)節(jié)型機(jī)器人,每個(gè)關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)減速機(jī)減速后分別控制臂旋轉(zhuǎn)、臂前后、臂上下、腕旋轉(zhuǎn)、腕彎曲以及腕扭轉(zhuǎn)動(dòng)作,在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn),其最大旋轉(zhuǎn)角度各不相同。旋轉(zhuǎn)角度通過伺服電機(jī)內(nèi)編碼器反饋,與每個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度比較,形成閉環(huán)控制。抓取機(jī)構(gòu)采用真空吸盤式夾手,真空吸盤由于是橡膠材料所制,吸取或者放下工件時(shí)不會(huì)對(duì)封頭造成損傷。

在紙卷包裝現(xiàn)場,紙卷直徑為0.8～1.5 m,封頭堆放位置與紙卷包裝機(jī)距離根據(jù)車間布局不同為2.5～4.0 m。自制放封頭吸盤機(jī)構(gòu)長度為1 m,質(zhì)量約8 kg,每張封頭質(zhì)量為0.5～1.5 kg,機(jī)器人最大承重不超過10 kg。紙卷包裝速度為30～60 s/卷。根據(jù)表1選擇ABB IRB4600-40/2.55型機(jī)器人,其手臂載荷為20 kg,雙向最大臂展工作范圍為4.75 m,可以充分滿足紙卷包裝放封頭系統(tǒng)的需求,其工作范圍如圖3所示。根據(jù)表2可知,在上述工作范圍內(nèi)所選擇機(jī)器人不到2 s 即可將封頭送至包裝機(jī),可以充分滿足工作需求。

3紙卷包裝DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1紙卷包裝DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[8]中給出了一種采用西門子PLC為核心的紙卷包裝系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中紙卷包裝系統(tǒng)采用西門子CPU416-3PN/DP為核心的PLC控制系統(tǒng),其中貼標(biāo)系統(tǒng)、紙卷移動(dòng)系統(tǒng)、包裝機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)作為紙卷包裝系統(tǒng)的子系統(tǒng),通過IM151采用PROFIBUS-DP通信方式構(gòu)成整個(gè)紙卷包裝系統(tǒng),其硬件組態(tài)如圖4所示。

圖4　紙卷包裝DCS硬件組態(tài)圖

型 號(hào)到達(dá)距離/m有效載荷/kg手臂載荷/kgIRB4600-60/2.052.056020IRB4600-45/2.052.054520IRB4600-40/2.552.554020IRB4600-20/2.502.512011

表2　ABB IRB4600-40/2.55機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖3　ABB IRB4600-40/2.55工作范圍

3.2機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每套放封頭系統(tǒng)由2臺(tái)工業(yè)機(jī)器人組成,每個(gè)機(jī)器人帶動(dòng)一個(gè)真空吸盤夾手。每個(gè)夾手上裝有1個(gè)真空吸盤電磁閥、1個(gè)抓緊電磁閥和1個(gè)吹氣電磁閥。

ABB 4600系列機(jī)器人自帶IRC5控制系統(tǒng)?？梢允褂肁BB公司的FlexPendant和RobotStudio軟件對(duì)IRC5系統(tǒng)編程。FlexPendant適用于修改程序(如位置和路徑),而RobotStudio適合用于更復(fù)雜的編程[9]。根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的放封頭機(jī)器人三維空間尺寸和手臂運(yùn)行軌跡,設(shè)置軟件中的基坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系以及附加軸；定義工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系,以后添加更多對(duì)象時(shí)同樣需要定義相應(yīng)坐標(biāo)系。采用RAPID應(yīng)用程序定義機(jī)器人任務(wù),每個(gè)任務(wù)包含了一個(gè)RAPID程序和系統(tǒng)模塊,并實(shí)現(xiàn)一種特定的功能(如大臂或小臂的運(yùn)動(dòng))。在IRC5系統(tǒng)中Multitasking選項(xiàng)下,可以同時(shí)運(yùn)行和測(cè)試放封頭機(jī)器人程序[9]。

3.3機(jī)器人控制系統(tǒng)與包裝DCS系統(tǒng)通信

ABB工業(yè)機(jī)器人通過在其控制柜上配置DSQC352板卡與西門子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通信[10],從而實(shí)現(xiàn)紙卷包裝DCS系統(tǒng)與放封頭機(jī)器人的數(shù)據(jù)交換。每個(gè)機(jī)器人IRC5控制系統(tǒng)配置作為PROFIBUS-DP從站,同時(shí)在S7 PLC PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)上配置IRC5從站,SIEMENC PLC作為主站。每個(gè)IRC5從站配置16個(gè)I/O,從站輸入與主站輸入對(duì)應(yīng),從站輸出與主站輸出對(duì)應(yīng)。

4應(yīng)用結(jié)果

紙卷自動(dòng)包裝系統(tǒng)中,需要2臺(tái)機(jī)器人放封頭時(shí)能夠同步進(jìn)行,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟；配合視覺系統(tǒng)對(duì)封頭位置進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別以及運(yùn)行軌跡自動(dòng)優(yōu)化是目前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究熱點(diǎn)[11-13]。工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行紙卷包裝,一次性投入大,但后續(xù)只需要維護(hù)成本,費(fèi)用低效率高。本系統(tǒng)在造紙企業(yè)應(yīng)用后,紙卷包裝效率得以大幅提高。隨著我國勞動(dòng)力成本上升,越來越多的造紙企業(yè)會(huì)采用工業(yè)機(jī)器人完成紙卷包裝工作,工業(yè)機(jī)器人及其成套控制系統(tǒng)有著良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]Fang D, Deng S, Liao H, et al. The effect of robot kinematics on the coating thickness uniformity[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2010, 19(4): 796.

[2]Bloss R. Cadbury’s improve palletising recipe with ABB robots[J]. Industrial Robot, 2010, 37(1): 106.

[3]Dijkhuizen A A, Huirne R B M, Harsh S B. Gardner Economics of robot application[J].Computers and Electronics in Agriculture, 1997, 19(4): 111.

[4]Sun Ying-fei, Luo Ai-hua. Development Research on China’s Industrial Robot[J].Science Technology and Engineering, 2012,12: 2912.

孫英飛, 羅愛華. 我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12: 2912.

[5]ZHAO Yong-guo, QIN Li-gang. Application of Siemens MM440 Frequency Converter in Reel Packaging Machine[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(8): 53.

趙永國, 秦立剛. MM440變頻器在紙卷包裝機(jī)上的應(yīng)用[J]. 中國造紙, 2010, 29(8): 53.

[6]CHEN Li-hui, HUANG Zu-tai, ZHAN Huai-yu, et al. Production Technology and Automaitic Porduction Equipment of Pulp Mold Products[J]. China Pulp & Paper, 2003, 22(5): 30.

陳禮輝, 黃祖泰, 詹懷宇, 等. 紙漿模塑制品生產(chǎn)工藝及其自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備[J]. 中國造紙, 2003, 22(5): 30.

[7]ZHAO Yong-guo, ZHANG Dong. Application of Industrial Robots in the End Cover Placement System on Paper Packaging System[J].China Pulp & Paper Industry, 2010, 31(4): 80.

趙永國, 張東. 工業(yè)機(jī)器人在紙卷包裝機(jī)放封頭系統(tǒng)上的應(yīng)用[J]. 中華紙業(yè), 2010, 31(4): 80.

[8]Hu Chao. Application of the Intelligent System in Automatic Paper Roll Wrapping Machine[J].China Pulp & Paper Industry, 2013, 34

(20): 18.

胡超. 智能系統(tǒng)在全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)中的應(yīng)用[J]. 中華紙業(yè), 2013, 34(20): 18.

[9]IRC5 & FlexPendant Operator Manul[M]. Sweden： ABB, 2008.

IRC5與FlexPendant操作員手冊(cè)[M]. 瑞典: ABB, 2008.

[10]Cai Wu. Application of SIEMENS Automation Products in Press Automation Control Systems[M]. Siemens Automation Experts Conference Proceedings, Beijing： China Mchine Press, 2010.

蔡武. SIEMENS自動(dòng)化產(chǎn)品在沖壓自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 2010西門子自動(dòng)化專家會(huì)議論文集, 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[11]Liu Yong, Xi Ning, Shen Yantao. High-Accuracy Positioning of an Industrial Robot Using Image/PSD-Based Hybrid Servo Control[J]. International Journal of Optomechatronics, 2011, 5(2): 170.

[12]Kang Bo. Research of trajectory tracking algorithms for industrial robot[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012

康博. 工業(yè)機(jī)器人軌跡跟蹤控制算法研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué), 2012.

[13]Li Da. Study on Industrial Robot Control System of Trajectory Planning[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011.

(責(zé)任編輯：董鳳霞)

·消息·

“2015中國國際造紙科技展覽會(huì)及會(huì)議”最新進(jìn)展

由中國造紙協(xié)會(huì)、中國造紙學(xué)會(huì)和中國制漿造紙研究院共同主辦的“2015中國國際造紙科技展覽會(huì)及會(huì)議”將于2015 年9月16—18日在北京全國農(nóng)業(yè)展覽館舉行。展覽面積13000 m2，內(nèi)容涵蓋制漿造紙機(jī)械設(shè)備、零部件、輔助器材、自動(dòng)化設(shè)備及儀器儀表；各類商品紙漿、紙及紙板；廢紙及廢紙利用技術(shù)、設(shè)備等；造紙化學(xué)品；環(huán)保及綜合利用新技術(shù)及設(shè)備；特種紙?jiān)霞霸O(shè)備等。

此前，2013 年9月在北京舉辦的“2013中國國際造紙科技展覽會(huì)及會(huì)議”、 2014 年9月在上海舉辦的“2014中國國際造紙科技展覽會(huì)及會(huì)議”均匯集了眾多在造紙行業(yè)有影響力的國內(nèi)外造紙及相關(guān)企業(yè)，取得了圓滿成功。

目前展會(huì)的招展工作順利進(jìn)行， Valmet、Voith、Andritz、A.Celli、Kadant、Buckman、PMP、BTG、Goebel、Sulzer、Leripa、Rollianz Lihua、LECHLER &STAMM、Bekaert、Maruishi、Spraying、泰國現(xiàn)代、臺(tái)灣永光、中紙裝備、長沙長泰、焦作崇義、淄博泰鼎、江蘇華東、福建輕機(jī)、山東汶瑞、山東昌華、山東晨鐘、遼陽造紙機(jī)械、上海輕良、河南中亞、河南大指、鄭州運(yùn)達(dá)、湖南正大、四川高達(dá)、綿陽同成、浙江力諾、徐州工業(yè)用呢、山東豐信、鴨綠江磨片、杭州美辰、上海金旋、杭州順隆等100多家在造紙行業(yè)有影響力的國內(nèi)外公司均已報(bào)名參展，芬蘭Arvelin 國際公司仍然組織芬蘭企業(yè)以國家展團(tuán)的形式參展。展位面積已預(yù)訂80%。

在2014 年9月造紙科技展覽會(huì)期間，由中國造紙學(xué)會(huì)、中國制漿造紙研究院和芬蘭造紙工程師協(xié)會(huì)合作舉辦的為期一天的“2014 CIPTE 國際造紙技術(shù)報(bào)告會(huì)”，邀請(qǐng)了來自中國、芬蘭、德國的專家對(duì)涂布、生物質(zhì)、能源高效利用等造紙工業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了演講，吸引了來自國內(nèi)外造紙及相關(guān)企業(yè)、高等院校、研究院所的近260 名聽眾，取得了圓滿成功。2015 年，中國造紙學(xué)會(huì)和中國制漿造紙研究院將再度與芬蘭造紙工程師協(xié)會(huì)合作，共同舉辦“2015 CIPTE國際造紙技術(shù)報(bào)告會(huì)”，將就造紙行業(yè)的熱點(diǎn)問題與大家進(jìn)行探討。

此外，展會(huì)期間還將繼續(xù)舉行技術(shù)交流會(huì)，就新產(chǎn)品、新技術(shù)等內(nèi)容與行業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行溝通交流。

中國國際造紙科技展覽會(huì)將繼續(xù)保持規(guī)模大、專業(yè)性強(qiáng)、國際參展商多、觀眾對(duì)口、研討會(huì)水準(zhǔn)高及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，并力求在此基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，以滿足迅速發(fā)展的中國造紙工業(yè)的需要。相信本展會(huì)必將成為制漿造紙工業(yè)名副其實(shí)的品牌展覽會(huì)。

·紙卷自動(dòng)包裝·

HU Lian-hua1,*LI Xin-ping1,2TANG Wei3

(1.CollegeofLightIndustrialandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021;

2.ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021;

3.CollegeofElectrical&InformationEngineering,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: hulianhua@126.com)

Abstract：The paper rolls are often packed manually after rewinding. Manually packing paper rolls is low efficiency and high laborcost and has security risk. Most of paper mills are seeking ways of increasing productivity and reducing labor costin the paper roll packing process. In order to realize packing head placing and packing paper roll automatically, ABB 4600 series industrial robots and vacuum sucker pinch were selected as the main equipment according to paper roll packing and packing machine process. And the packing robots were programmed by using the ABB robot software according to the head placing steps. The head placing robots communicated with the packing DCS via PROFIBUS-DP protocol and worked as a whole control system. The Siemens PLC was master station and the head placing robots were slave stations. After the system running in the paper mill, the packing productivity was obviously improved.

Key words：industrial robot; packing; head placing; PROFIBUS-DP protocol

基金項(xiàng)目：陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014K05-38)；陜西省教育廳2013年重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13JS015)；西安市未央?yún)^(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201410)。

收稿日期：2014- 09- 16(修改稿)

中圖分類號(hào)：TB486；TS736；TP249

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0254- 508X(2015)04- 0048- 04.

作者簡介：胡連華先生,講師,碩士；主要研究方向：制漿造紙過程測(cè)量與智能控制。