一種物料灌裝機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計

蘇東民，梁明亮，常蘭州，張明環(huán)

(1．鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450052;2．河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州450001; 3．河南金谷實業(yè)發(fā)展有限公司，河南鄭州450053)

一種物料灌裝機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計

蘇東民1，2，梁明亮1，常蘭州3，張明環(huán)3

(1．鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450052;2．河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州450001; 3．河南金谷實業(yè)發(fā)展有限公司，河南鄭州450053)

介紹了一種散體物料灌裝機(jī)器人的設(shè)計方法，系統(tǒng)采用PLC控制器作為控制核心，彩色觸摸屏作為顯示和人機(jī)對話部件，詳細(xì)闡述了灌裝機(jī)器人的整體設(shè)計原理、硬件設(shè)計和PLC軟件編程設(shè)計，最后對系統(tǒng)試運(yùn)行情況進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)和應(yīng)用前景分析。

散體物料;灌裝機(jī)器人;PLC;觸摸屏

一個國家企業(yè)自動化生產(chǎn)的發(fā)展水平及其生產(chǎn)設(shè)計的開發(fā)理念，是衡量該國技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。散體物料灌裝是糧食、水泥、化工等產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程不可缺少的重要工藝環(huán)節(jié)。在國內(nèi)，散體物料灌裝廣泛采用塑料編織袋。由于塑料編織袋的特性，在國內(nèi)包裝行業(yè)無法實現(xiàn)自動給袋套袋，不能實現(xiàn)全自動化包裝。因而在包裝行業(yè)中，套袋打包屬勞動密集型工種，簡單繁瑣及勞動強(qiáng)度大、勞動環(huán)境差、是工人最不愿意干的工種。河南省作為農(nóng)業(yè)和糧食加工大省，在中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)背景下，研究采用機(jī)器人對散體物料進(jìn)行灌裝和包裝，對于提高散體物料包裝速度、大大降低糧食類加工企業(yè)的勞動力成本、減輕技術(shù)工人的勞動強(qiáng)度和提高企業(yè)的生產(chǎn)率有著重要的意義，這也符合現(xiàn)代社會對散體物料(食品、糧食等)自動生產(chǎn)和灌裝的需求，從而促進(jìn)加工型企業(yè)對散體物料包裝生產(chǎn)的自動化。

項目組充分利用當(dāng)前國內(nèi)國際先進(jìn)的包裝機(jī)械技術(shù)與電子信息控制技術(shù)，以進(jìn)口三菱PLC控制技術(shù)為背景，在此基礎(chǔ)上對軟、硬件進(jìn)行技術(shù)改造和自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了一種物料灌裝機(jī)器人控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化設(shè)計。同時，自主研發(fā)了10寸觸摸屏，在PLC控制器的控制下，物料灌裝能實現(xiàn)自動和各類參數(shù)的智能控制，通過觸摸屏的顯示和操作，形成了良好的人機(jī)對話界面。系統(tǒng)工作前，通過觸摸屏設(shè)置工作基本參數(shù)，三菱PLC控制器根據(jù)工作要求和狀態(tài)進(jìn)行分析計算，確定具體的測量精度和運(yùn)行工況，運(yùn)行過程中，控制器可隨時接收操作員根據(jù)生產(chǎn)要求的人工指令，及時修改相關(guān)控制參數(shù)。

1 系統(tǒng)灌裝控制原理的整體設(shè)計

機(jī)器人灌裝控制系統(tǒng)的工作流程框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程框圖

由于對散體物料的包裝需要傳送包裝袋、打開袋口、物料裝入、封閉袋口、運(yùn)送物料袋等多個動作，這些動作需要較大的控制力，實現(xiàn)對某一物體的位移或搬運(yùn)可通過以下三種方式實現(xiàn):一是電氣直接控制，通過電機(jī)控制產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，利用齒輪嚙合，帶動機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)或位移;二是執(zhí)行部件采用純氣動控制;三是電氣及氣動控制相結(jié)合。直接采用電氣控制力矩很難達(dá)到，且靈活性會較差，采用純氣動控制精度和穩(wěn)定性難以保證。因此綜合上述情況，本系統(tǒng)采用電氣控制和壓縮空氣控制方式相結(jié)合的控制方案。

氣動系統(tǒng)主要包括氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

和對電磁閥的驅(qū)動單元，活塞式、薄膜式、撥叉式和齒輪齒條式都是各種氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的表現(xiàn)形式。薄膜式適合于直接帶動閥桿的區(qū)域，活塞式適用于要求有較大推力的控制區(qū)域，撥叉式更適合用于需要扭矩大、空間小的控制區(qū)域。要實現(xiàn)氣壓控制需要壓縮空氣儲氣缸，電磁閥的動作就是由壓縮空氣的通斷來控制。機(jī)器人灌裝控制系統(tǒng)的工作流程主要包括散體物料倉門的開啟和關(guān)閉、包裝袋傳送、打開包裝袋口、套裝包裝袋、物料灌裝、袋口封緊、灌裝好的成袋物料移位等過程。［1］

對散體物料的灌裝工作過程設(shè)計以下幾個流程。［2］

第一步:首先由光電傳感單元檢測包裝袋箱里是否有空袋，檢測信息送給PLC控制器，如果無空袋，通過控制器的報警單元進(jìn)行提示報警，可人工放入空袋或自動傳送，如果有空袋，進(jìn)行第二步的工作流程。

第二步:取袋壓縮空氣氣缸對空袋抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動控制，使其能自由地往返運(yùn)行，空袋抓取機(jī)構(gòu)抓取包裝袋后，將空包裝袋放到拖板上，通過帶傳動傳送到指定位置平臺，將包裝袋口輸送到上下兩個抓取機(jī)構(gòu)之間，安裝在旁邊的定位輪起定位檢測作用，如果沒有抓取到位，重新進(jìn)行第二步，如果定位檢測到位，進(jìn)行第三步。

第三步:取袋壓縮空氣氣缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)抓緊袋口后，使袋口張開，通過氣缸驅(qū)動將包裝袋套入散體物料儲料斗上。

第四步:散體物料(如糧食、水泥等)原料由第三步工序的帶式輸送機(jī)存入儲料斗，在儲料斗套好包裝袋后，這時儲料斗倉門打開，在振動器(一般采用步進(jìn)電機(jī)或其它直流電機(jī)傳動機(jī)構(gòu))的震動下，散體物料通過出料口進(jìn)入到包裝袋，包裝袋放在裝有稱重傳感器的平臺上，稱重傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號送給PLC控制器，經(jīng)換算后將灌裝質(zhì)量顯示在液晶屏上，機(jī)器開啟前，一般先設(shè)定到達(dá)設(shè)定灌裝質(zhì)量最大值，到達(dá)設(shè)定值后，控制系統(tǒng)將儲料斗的出料口迅速關(guān)閉。

第五步:當(dāng)一袋散體物料灌裝完成后，通過封袋氣缸驅(qū)動夾袋裝置將袋口封緊，然后拖到封口位置封口。

第六步:灌裝并封好口的成袋物料最后被拖到傳送帶上，一袋物料自動灌裝過程完成。下一袋物料自動灌裝過程將重復(fù)第一步到第六步。

2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

2．1控制系統(tǒng)組成。

散體物料灌裝機(jī)器人需完成的任務(wù)動作復(fù)雜、灌裝物料品種多、規(guī)格多，工作時受電磁干擾信號多，控制的信號有開關(guān)量(數(shù)字信號)、模擬量(用于變頻調(diào)速)。所設(shè)計的物料灌裝機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)物料灌裝的工藝流程對各部分進(jìn)行實時協(xié)調(diào)控制，這些控制動作主要有:包裝箱供送、成袋產(chǎn)輸送、包裝袋抓取、袋口打開、物料灌裝、關(guān)閉倉門、袋口封緊等。散體物料灌裝機(jī)器人運(yùn)行方式有自動連續(xù)運(yùn)行和人工手動點(diǎn)動操作，輸入端口輸出端口較多。

控制系統(tǒng)設(shè)計如果采用基礎(chǔ)的電子線路將大大增加硬件電路的復(fù)雜性，系統(tǒng)故障率會大大增加;如果選MCS－51系列或AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制功能會大大增強(qiáng)，但系統(tǒng)的抗擾性較差，工作穩(wěn)定性不高，難以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。PLC控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、性能可靠、與工業(yè)現(xiàn)場信號易匹配、信號輸入輸出相對容易、編程相對簡單、維修調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。為完成上述各種不同類型動作的控制要求，本控制系統(tǒng)選用PLC控制器為控制核心，PLC控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

PLC控制器對各種光電開關(guān)、接近開關(guān)、磁性開關(guān)、電磁閥、交流伺服電機(jī)的信號輸入檢測或輸出控制實現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制，觸摸屏與PLC相結(jié)合，形成較為友好的人機(jī)對話界面，方便操作人員進(jìn)行設(shè)置和機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)的軟件采用三菱公司的GT－Designer2組態(tài)軟件，相關(guān)控制程序及界面通過觸摸屏進(jìn)行顯示，同時PLC控制器還通過串行通訊口與計算機(jī)上位機(jī)軟件實現(xiàn)通訊，F(xiàn)X2N—3A為模擬量擴(kuò)展模塊。

變頻器選用三菱公司的FR－E740－11K－CHT型，E740型為輕巧通用型，擴(kuò)充有PID和柔性PWM，內(nèi)置Modbus－RTU協(xié)議，輸出功率為11kW，額定電流23A。為使系統(tǒng)運(yùn)行時平穩(wěn)可靠、盡可能減少振動，機(jī)構(gòu)傳動部分設(shè)有減速機(jī)

構(gòu)，并采用鏈條傳動方式。

2．2PLC控制器。

如圖2所示，控制器選用三菱系列，三菱FX系列，是三菱PLC(可編程控制器)小型系列PLC。主要有FX3G、FX3U、FX2N、FX1N、FX1S等系列。早期PLC控制器大多選用FX2N產(chǎn)品，F(xiàn)X2N部分產(chǎn)品現(xiàn)已停產(chǎn)，因此選用FX3U系列中FX3U－64MR/ES－A型產(chǎn)品。

三菱FX3U－64MR－ES－A型是三菱第三代小型可編程控制器，具有速度快、容量大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具體技術(shù)特性和功能為:(1)內(nèi)置RAM存儲器容量為64K;(2)內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理0．065μS/基本指令;(3)控制規(guī)模: 16～384(包括CC－LINK I/O)點(diǎn);(4)內(nèi)置獨(dú)立3軸100kHz定位功能(晶體管輸出型);(5)基本單元左側(cè)均可以連接功能強(qiáng)大簡便易用的適配器。

三菱FX3U控制器擴(kuò)展單元內(nèi)置電源的輸入輸出擴(kuò)展，附帶連接電纜，當(dāng)交流電源型基本單元內(nèi)置電源不夠時，可擴(kuò)展電源。另外還可內(nèi)置功能擴(kuò)展板于可編程控制器中，不占用輸入輸出點(diǎn)數(shù)。FX3U－64MR－ES－A基本輸入輸出均為32點(diǎn)，輸入輸出的最大擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)，可作為伺服控制系統(tǒng)控制交流伺服電機(jī)的輸入輸出口，完全能滿足散體物料灌裝的控制任務(wù)。

2．3TFT彩色液晶觸摸屏。

LCD液晶觸摸屏是人機(jī)界面友好、功能較強(qiáng)大的可編程顯示終端，在工業(yè)生產(chǎn)控制或智能加工設(shè)備中應(yīng)用越來越普及，PLC控制器與液晶的接口技術(shù)越來越成熟。［3］

系統(tǒng)的彩色液晶觸摸屏模塊為項目組自行研發(fā)，型號為TFT104－8060－65K型彩色液晶觸摸屏模塊，TFT104－8060－65K觸摸屏是一款可廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品，采用彩色TFT液晶顯示屏，色彩支持65536色，分辨率為800*600，顯示尺寸為10．4英寸，總線接口方式為8/16位標(biāo)準(zhǔn)8080方式，支持與PLC控制器的接口?？偩€讀寫速度為30MHz，單點(diǎn)讀寫周期短(40ns)，適合于與高速系統(tǒng)接口。

彩色觸摸屏集中了液晶顯示部件和觸摸屏，觸摸檢測部件用于檢測用戶觸摸位置，從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收到的觸摸信息轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)后，送給控制器(CPU)，用以傳送觸摸控制信號。TFT104模塊的觸摸屏及觸摸屏控制器為高品質(zhì)工業(yè)級，分辨率高達(dá)4096點(diǎn)，只需5根線可與控制系統(tǒng)無縫鏈接，外圍接口電路非常簡單，采用了長壽命的LED背光，功耗低、顏色純正，工業(yè)級的技術(shù)特性完全適合于灌裝機(jī)器人系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用和工作環(huán)境。

2．4I/O端口的分配。

物料灌裝機(jī)器人控制系統(tǒng)的共連接數(shù)字量輸入端口24個，其中有19個用于壓縮空氣氣缸運(yùn)動的運(yùn)行標(biāo)志位置開關(guān)，有2個用于壓力傳感器的信號輸入，各類用于探測功能的光電傳感器占用3個輸入端口。設(shè)計18個數(shù)字量輸出端口，其中控制各種灌裝過程的動作用電磁閥線圈使用15個端口，控制包裝袋運(yùn)送和成袋物料傳送的接觸器占用3個輸出端口。

變頻器調(diào)速系統(tǒng)使用2個模擬量輸入端口和一個模擬量輸出端口。其中1個模擬量與稱量功能有關(guān)，稱量傳感器測量將已經(jīng)到達(dá)包裝袋中料的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入模擬量輸入通道1，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值(灌裝前通過人工設(shè)定)后，PLC控制器控制儲料斗倉口關(guān)閉;另1個模擬通量與調(diào)速有關(guān)，測速傳感器測量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓值信號輸入模擬量輸入通道2，通過與設(shè)定值比較，控制器采用PID算法，當(dāng)經(jīng)過比例積分微分運(yùn)算后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為直流電壓后，從模擬量通道輸出，作為控制信號實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制。

3 系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計

PLC軟件設(shè)計采用三菱公司GX－Develop編程軟件，使用直觀圖形化的編程方法，使用順序控制設(shè)計法和步進(jìn)梯形圖進(jìn)行編程，梯形圖程序編譯成功后，通過三菱PLC與上位機(jī)的通信線路，將程序代碼下載到三菱PLC中。

在本系統(tǒng)設(shè)備編程過程中考慮到調(diào)試、維護(hù)的需要，將工作模式設(shè)置了手動和自動兩種控制方式，散體物料灌裝機(jī)器人控制系統(tǒng)PLC軟件流程如圖3所示。

圖3PLC程序流程框圖

自動功能有運(yùn)行、暫停、結(jié)束、復(fù)位等4個步驟，手動功能有退、進(jìn)、起、停等工作過程中的運(yùn)動方式。對彩色液晶觸摸屏的編程主要利用GT－Designer2觸摸屏編程軟件中的交替性按鈕功能。在按鈕抬起或按下時，對系統(tǒng)的相關(guān)繼電器、接觸器置位或復(fù)位，實現(xiàn)PLC對具體機(jī)構(gòu)和運(yùn)行部件的前后左右位移控制?？梢栽谟|摸屏中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，可根據(jù)操作者的要求，隨意設(shè)定計數(shù)值、灌裝數(shù)量、轉(zhuǎn)速控制等參數(shù)，并能根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)最高值對實時監(jiān)控，當(dāng)實際值超過設(shè)定最高值時，系統(tǒng)將輸出報警顯示或聲響。系統(tǒng)軟件程序還設(shè)有狀態(tài)監(jiān)測功能，可實時監(jiān)視灌裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行部件的工作狀態(tài)，如對電機(jī)堵轉(zhuǎn)、變頻器異常、包裝箱中包裝袋等情況，都能進(jìn)行及時保護(hù)或發(fā)出報警提示信息。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在河南省進(jìn)行了試運(yùn)行和糧食灌裝試驗，工程實踐和測試顯示，所設(shè)計的軟硬件達(dá)到了各項要求，并且具有穩(wěn)定性好、操作方便等特點(diǎn)，與國外同類產(chǎn)品比性價比高，有較好的推廣應(yīng)用價值。散體物料灌裝機(jī)器人采用PLC自動控制系統(tǒng)，集氣壓傳動、變頻調(diào)速、傳感檢測、通信技術(shù)、人工智能等技術(shù)于一體，與傳統(tǒng)包裝設(shè)備相比，性能有了顯著提升和改進(jìn)。

在國家大力倡導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新的形勢下，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于散體物料包裝行業(yè)，前景美好，發(fā)展方向明確，是一項技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人才資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型技術(shù)。散體物料灌裝機(jī)器人將給包裝行業(yè)帶來新的技術(shù)變化，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將對加工企業(yè)實現(xiàn)人工成本的降低，生產(chǎn)過程的技術(shù)創(chuàng)新，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有著重要的作用。

［1］張明，等．酒箱碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真分析［J］．包裝工程，2013(1):83－86．

［2］楊旭東．面粉自動包裝機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．山東工業(yè)技術(shù)，2013(13):26－27．

［3］梁明亮，等．基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的接口設(shè)計［J］．計算機(jī)測量與控制，2011(3):691－693．

System Design of a Robot for Granular Material Filling

Su Dongmin1，2，Liang Mingliang1，Chang Lanzhou3，Zhang Minghuan3
(1．Zhengzhou Railway Vocational＆Technical College，Zhengzhou，He’nan 450052，China;2．School of Food Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，He’nan 450001，China;3．Henan Jingu Industry Development Co．，ltd，Zhengzhou，He’nan 450053，China)

The paper introduces the design method of a robot for granular material filling，The system uses the PLC controller as the core control，Color touch screen as the display and man－machine conversation part．The paper describes in detail the overall design principles，hardware design and PLC software programming of the filling robot．The trial operation of the system is analyzed and the analysis of application prospect has been made．

Granular material;Filling Robot;PLC;touch screen

TP24

A

1672－6758(2015)05－0021－4

(責(zé)任編輯:鄭英玲)

蘇東民，博士，教授，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院碩士生導(dǎo)師。

梁明亮，碩士，副教授，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

常蘭州，工程師，河南金谷實業(yè)發(fā)展有限公司。

河南省科技開放合作項目(編號:132106000079);河南省科技廳2015年軟科學(xué)研究項目“中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)背景下大學(xué)生科技創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的研究”;河南省高校青年骨干教師資助計劃項目(編號:2014GGJS－167);河南省教育廳科技攻關(guān)項目(編號:2011C510003)。

Class No．:TP24 Document Mark:A