全自動(dòng)包裝碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳義時(shí)，吳湘檸，周 立，杜永儀

（廣西機(jī)械工業(yè)研究院，廣西 南寧530000）

0 引言

制糖行業(yè)是廣西的重點(diǎn)行業(yè)之一，具有強(qiáng)烈的地方特色，全廣西約有100多家糖廠，產(chǎn)糖量約占全國(guó)60%。然而廣西糖企大多數(shù)建成于60～90年代，生產(chǎn)線老舊，特別是在成品糖包裝碼垛工段，采用勞動(dòng)力密集作業(yè)方式，工人數(shù)量約占全廠工人25%～30%。隨著我國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，糖業(yè)作為生產(chǎn)連續(xù)性高，重復(fù)勞動(dòng)多，勞動(dòng)強(qiáng)度大的企業(yè)，運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)對(duì)成品糖完成全自動(dòng)包裝碼垛作業(yè)，能從根本上解決企業(yè)用工難的問(wèn)題，降低人力管理成本，同時(shí)能最大限度降低工人在生產(chǎn)中遭受意外傷害的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

食品行業(yè)對(duì)成品包裝材料有嚴(yán)格的要求，廣西糖企廣泛采用可分離的雙層編織袋作為包裝材料，包裝時(shí)內(nèi)袋單獨(dú)封口，縫紉時(shí)僅縫紉外編織袋。內(nèi)外分離的雙層編織袋從物理結(jié)構(gòu)上能夠確保白糖的密封性，避免了漏氣，變潮，甚至滋生細(xì)菌，會(huì)嚴(yán)重影響白糖品質(zhì)。

基于以上的行業(yè)背景，廣西機(jī)械工業(yè)研究院成功自主研發(fā)國(guó)內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用內(nèi)外可分離編織袋包裝碼垛生產(chǎn)線，生產(chǎn)線具備全自動(dòng)取袋、袋口校準(zhǔn)、開(kāi)袋上袋、計(jì)重稱量、自動(dòng)卸料、自動(dòng)熱封內(nèi)膜袋、自動(dòng)內(nèi)袋置入外袋、自動(dòng)縫紉外袋、自動(dòng)編碼打印、自動(dòng)倒袋、自動(dòng)輸送、自動(dòng)碼垛作業(yè)等功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工包裝及碼垛作業(yè)，有效降低包裝和碼垛工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升企業(yè)生產(chǎn)效率，降低用工數(shù)量及勞動(dòng)成本，為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本，創(chuàng)造效益。本文根據(jù)某糖業(yè)實(shí)際生產(chǎn)線情況，設(shè)計(jì)了一條全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)，并對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制及監(jiān)控。

1 全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)的基本問(wèn)題

1.1 基本要求

設(shè)計(jì)一條成熟的包裝碼垛生產(chǎn)線需要考慮非常多的因素，但最主要的因素是一樣的，主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）包裝碼垛生產(chǎn)線產(chǎn)能；

（2）企業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能；

（4）對(duì)生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意生產(chǎn)線的匯線設(shè)計(jì)，防止匯線過(guò)程中成品堆疊，造成碼垛機(jī)器人損壞。

因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要確定企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能；其次根據(jù)產(chǎn)能需求，來(lái)選配合適的包裝機(jī)數(shù)量以及碼垛機(jī)器人數(shù)量；再次，在選定包裝機(jī)和碼垛機(jī)器人后，根據(jù)企業(yè)的布置圖，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)線布置圖。最后，在設(shè)計(jì)布置圖時(shí)，根據(jù)包裝機(jī)數(shù)量和碼垛機(jī)器人數(shù)量，選擇合理的匯線和分流方式，并設(shè)計(jì)合理的控制邏輯。

1.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

糖業(yè)是注重生產(chǎn)連續(xù)性的企業(yè)，包裝碼垛生產(chǎn)線在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮多臺(tái)全自動(dòng)包裝機(jī)與多臺(tái)碼垛機(jī)器人之間的生產(chǎn)效率的關(guān)系。為達(dá)到更高效的工作效率，其根本原則是碼垛機(jī)器人生產(chǎn)效率略大于包裝機(jī)生產(chǎn)效率。在此條件下，可采取多臺(tái)包裝機(jī)匯流到到一條輸送線，再將生產(chǎn)線分流到多臺(tái)碼垛機(jī)器人。全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程圖如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般流程圖

由于全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線在工作時(shí)，成套系統(tǒng)包括包裝、倒包、匯線、整形、金屬檢測(cè)、重量檢測(cè)、剔除、分流、碼垛均是自動(dòng)完成，整個(gè)工作過(guò)程動(dòng)作數(shù)量繁多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，特別是在匯流部分，必須要確保上一包物料與下一包物料處于前后狀態(tài)，如處于上下重疊狀態(tài)，則會(huì)損壞碼垛機(jī)器人抓手，造成故障停機(jī)或，影響生產(chǎn)連續(xù)性。

1.3 控制系統(tǒng)選擇

糖業(yè)對(duì)全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線的穩(wěn)定性要求極高，控制系統(tǒng)各功能單元的工藝流程必須滿足技術(shù)參數(shù)才能保證動(dòng)作執(zhí)行流暢、協(xié)調(diào)、高效。該控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下要求[2-3]：

（1）可視化人機(jī)界面，對(duì)工人操作技能水平要求不高；

（2）控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性高；

(2) 饋線與饋線開(kāi)關(guān)之間為一對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系,即一條饋線上可以有多個(gè)饋線開(kāi)關(guān),但一個(gè)饋線開(kāi)關(guān)僅關(guān)聯(lián)到一條饋線上;

（3）控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)良，能實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)線各控制點(diǎn)信號(hào)并立即反饋處理；

（4）程序可編輯性強(qiáng)，方便更新控制程序。

根據(jù)以上需求，本文選用“HMI+PLC”的控制模式。通過(guò)可編程控制器PLC作為信號(hào)運(yùn)算及傳輸?shù)臉蛄?，把觸摸屏與各信號(hào)、各執(zhí)行元件聯(lián)系起來(lái)。生產(chǎn)時(shí)，PLC通過(guò)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制各個(gè)執(zhí)行元件完成各類功能，并將生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)顯示到觸摸屏上，使得生產(chǎn)線的動(dòng)作有條不紊的推進(jìn)，生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)，HMI具備友好的人機(jī)交互界面，方便于生產(chǎn)監(jiān)控與維護(hù)。在維護(hù)階段，通過(guò)觸摸屏輸入信號(hào)，給予PLC執(zhí)行指令，調(diào)整各執(zhí)行元件動(dòng)作順序、幅度，以達(dá)到不同工況下的生產(chǎn)需求，完成生產(chǎn)線的調(diào)整、測(cè)試[4-5]。

2 應(yīng)用實(shí)例

某糖廠每天榨量8 000 t，共有4條人工包裝線，每條包裝線上有1個(gè)包裝秤及1臺(tái)縫紉機(jī)，4條包裝線裝包后，全部匯入1條人工碼垛線。榨季期間，工人安排3班倒，每班工作時(shí)間為8 h。白糖經(jīng)過(guò)編織袋包裝后，每一袋白糖凈重50 kg。

2.1 產(chǎn)能計(jì)算

廣西區(qū)內(nèi)的糖企的產(chǎn)糖率為12%，由上文可計(jì)算出該糖廠每天生產(chǎn)白糖T=8 000×12%=960 t，則算成每班白糖產(chǎn)量為T(mén)1=960÷3=320 t，共P1=320×20=6 400包。

廣西機(jī)械工業(yè)研究院全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線的包裝機(jī)每小時(shí)產(chǎn)能為410包/小時(shí)，碼垛機(jī)器人每小時(shí)產(chǎn)能為970包/h。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解，該糖廠每班工作時(shí)間8 h包含了交接班時(shí)間、吃飯休息、設(shè)備簡(jiǎn)單維護(hù)時(shí)間約7 h。

首先確定包裝機(jī)的臺(tái)數(shù)M。M=P1÷（410×7）=6 400÷2 870=2.2。由于包裝機(jī)的臺(tái)數(shù)肯定為整數(shù)，而且如果選取2臺(tái)，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，因此包裝機(jī)的臺(tái)數(shù)選擇M=3臺(tái)。

其次確定碼垛機(jī)器人的臺(tái)數(shù)N。N=P1÷（970×7）=6 400÷6 790=0.94，碼垛機(jī)器人應(yīng)選擇N=1臺(tái)。

由上文計(jì)算結(jié)果可知，選擇3臺(tái)包裝機(jī)及1臺(tái)碼垛機(jī)器人，能滿足某糖廠生產(chǎn)產(chǎn)能要求，并有一定產(chǎn)能富余，生產(chǎn)線具有較高的柔性。當(dāng)包裝機(jī)包裝效率調(diào)整為V=P1÷M÷7=6 400÷3÷7=304.8包/臺(tái)/小時(shí)，即可滿足生產(chǎn)產(chǎn)能需求。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)，若V=320包/臺(tái)/小時(shí)，能夠保護(hù)設(shè)備處于更優(yōu)良的工作狀態(tài)，有利于提高設(shè)備的使用壽命。

2.2 布置圖方案設(shè)計(jì)

根據(jù)某糖廠生產(chǎn)布置圖以及上文的計(jì)算結(jié)果，布置圖中把某糖廠原4條包裝線連續(xù)選擇3條技改成全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線，并拆除1條原包裝線。在碼垛生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)上，將3臺(tái)包裝生產(chǎn)線匯入1條碼垛機(jī)器人輸送線，并由碼垛機(jī)器人完成碼垛作業(yè)。具體布置圖如圖2所示。在方案中，要特別注意左側(cè)匯線輸送機(jī)的糖包、中間匯線輸送機(jī)的糖包、右側(cè)匯線輸送機(jī)的糖包之間的邏輯關(guān)系，防止糖包疊加一起，引起碼垛機(jī)器人意外損壞。

圖2 某糖廠包裝碼垛生產(chǎn)線改造布置圖

2.3 控制邏輯設(shè)計(jì)

圖2 全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線一共有8條碼垛輸送機(jī)，包裝機(jī)的工作時(shí)，極有可能3條包裝機(jī)匯線輸送機(jī)同時(shí)有白糖等待匯線，為避免糖包重疊的現(xiàn)象，需要對(duì)3臺(tái)包裝機(jī)匯線成1條碼垛生產(chǎn)線時(shí)對(duì)控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)皮帶輸送機(jī)的動(dòng)作順序做如下定義，才能夠使得糖包按照約定的動(dòng)作進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生同時(shí)有2包糖包匯入同一條碼垛輸送機(jī)上，造成疊包現(xiàn)象：

（1）當(dāng)只有碼垛輸送線上沒(méi)有糖包時(shí)，匯線輸送機(jī)才能把糖包匯入；

（2）當(dāng)匯線輸送機(jī)把糖包匯入時(shí)，碼垛輸送線后段的糖包需等待匯入成功后才能啟動(dòng)；

（3）當(dāng)碼垛輸送線和匯線輸送機(jī)上同時(shí)有糖包時(shí)，優(yōu)先讓碼垛輸送線通過(guò)，否則，則按先有糖包者優(yōu)先處理；

（4）當(dāng)碼垛輸送線前段停止時(shí)，后段必須全部停止。

控制邏輯如圖3所示，首先碼垛輸送線啟動(dòng)，并判斷左側(cè)的匯線輸送機(jī)是否有糖包，若有執(zhí)行匯線動(dòng)作，碼垛輸送線無(wú)需停止，否則繼續(xù)等待糖包；其次判斷中間的匯線輸送機(jī)時(shí)候有糖包，若中間匯線輸送機(jī)匯線糖包先到，則中間匯線輸送機(jī)執(zhí)行匯線動(dòng)作，同時(shí)碼垛輸送線后段輸送機(jī)全部停止等待匯線完成，否則執(zhí)行碼垛輸送線匯線動(dòng)作，中間匯線輸送機(jī)停止等待。若兩方輸送機(jī)糖包同時(shí)到達(dá)，則執(zhí)行執(zhí)行碼垛輸送線匯線動(dòng)作，中間匯線輸送機(jī)停止等待。右側(cè)匯線輸送機(jī)也進(jìn)行同樣的邏輯算法判斷。最后碼垛輸送線按順序執(zhí)行至碼垛機(jī)器人，并執(zhí)行碼垛作業(yè)。

圖3 全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線控制邏輯

3 結(jié)論

該全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線投入使用一年來(lái)，生產(chǎn)穩(wěn)定，可靠性高。某糖廠在包裝碼垛工段未技改前，需要使用工人42人，技改后，僅需要使用12人，人數(shù)減少30人，讓該糖廠的自動(dòng)化程度得到顯著提升，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，本文提及的全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線具有極好的推廣意義。