基于PLC和工業(yè)機器人的月餅自動裝盒生產(chǎn)線設(shè)計與實現(xiàn)

唐 霞，魏昌洲

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械學(xué)院，江蘇無錫 214000）

0 引言

本文設(shè)計的月餅智能化裝盒生產(chǎn)線，包括生產(chǎn)線機械結(jié)構(gòu)總體布局、運動控制技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)、視覺檢測技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)等，結(jié)合下游產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)月餅智能化裝盒，降低工人勞動強度和生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品裝盒合格率，有效地控制裝盒物的交叉污染，實現(xiàn)安全精準(zhǔn)檢測，實現(xiàn)全線智能化生產(chǎn)［12］。

1 月餅自動裝盒生產(chǎn)線組成和工作流程

1.1 生產(chǎn)線組成

月餅自動裝盒生產(chǎn)線主要包括塑料盒供料轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、4臺四軸機器人、4套機器視覺檢測系統(tǒng)、4條上料輸送線、1條塑料盒鏈板線以及1條下料輸送線，如圖1所示。

圖1 月餅自動裝盒產(chǎn)線Fig.1 Moon cake automatic boxing production line

塑料盒供料機構(gòu)由搬運上料機構(gòu)、吸盤機構(gòu)、塑料盒、三工位分割盤以及伺服模組構(gòu)成，如圖2所示，具有儲料功能，可以堆放3摞月餅盒塑料托，每摞4×1的月餅盒塑料托放置在各自黃色鈑金支架內(nèi)，由轉(zhuǎn)盤循環(huán)供料，人工補料，通過伺服吸盤機構(gòu)吸取1個月餅盒塑料托后放入塑料盒板鏈線。

圖2 塑料盒供料機構(gòu)Fig.2 Plastic box feeding mechanism

月餅裝盒自動化生產(chǎn)線共有4條上料輸送線，每一條輸送線的末端由人工將4種不同口味的月餅按照正面朝上的方式放到上料輸送線上，分別由每條上料輸送線將月餅送至視覺檢測系統(tǒng)下方待檢測。

塑料盒板鏈線運行精確，每次根據(jù)各上料生產(chǎn)線電機運行速度，協(xié)同調(diào)速，裝滿1盒就自動往前移動，裝滿4個月餅的塑料盒由推出機構(gòu)送入下料輸送線。

月餅盒自動裝盒生產(chǎn)線共有4套視覺檢測系統(tǒng)，分別判斷對應(yīng)上料輸送線送來的不同口味的月餅和月餅盒塑料托位置是否正確。如果月餅口味與月餅盒塑料托位置一致，則由四軸機器人抓取上料輸送線上的月餅，送至塑料盒鏈板線上的月餅盒塑料托內(nèi)；當(dāng)月餅位置和月餅盒塑料托位置不對應(yīng)，由四軸機器人先撥正位置，后抓取放置在塑料盒鏈板線上的月餅盒塑料托內(nèi)；若視覺檢測后判斷為不合格，不合格品則在對應(yīng)上料生產(chǎn)線上自動掉落至下方廢料框內(nèi)。

塑料盒鏈板線移動到下料位置后，下料氣缸縮回，把成品塑料盒拉入下料輸送線，再由下料輸送線流出。

前文利用脈沖響應(yīng)函數(shù)分析了能源消費、環(huán)境污染的沖擊引起的產(chǎn)出的變化，下面將運用方差分解的相關(guān)知識來分析能源消費、環(huán)境污染對產(chǎn)出變動的貢獻(xiàn)程度。

1.2 工作流程

月餅盒自動裝盒生產(chǎn)線中，塑料盒鏈板線上放的是月餅盒塑料托，4條上料輸送線上放的是4種不同口味的月餅，其工作流程：前道工序獨立裝盒好的月餅由前道輸送線流入，4種口味分別由4條上料輸送線供料；塑料盒供料機構(gòu)中的吸盤吸取轉(zhuǎn)盤上的塑料盒到鏈板線1#工位載具；鏈板線移動1格，吸盤機構(gòu)再放入塑料盒，重復(fù)以上動作；人工在輸送線1上按照月餅LOGO面朝上放入1#口味月餅，視覺影像系統(tǒng)檢測判斷，由四軸機器人修正角度后放入鏈板線2#工位載具；月餅口味判斷不合格的自動掉落至上料輸送線下方料框內(nèi)；鏈板線移動1格，重復(fù)以上動作；輸送線2，3，4動作同輸送線1；鏈板線上裝滿月餅的塑料盒到達(dá)6#工作位，下拉氣缸縮回，把裝好的月餅盒拉入下料輸送線；鏈板線移動1格，重復(fù)以上動作。下料輸送線可以儲存一定量的產(chǎn)品。

2 月餅自動裝盒生產(chǎn)線控制設(shè)計

2.1 控制要求

供料轉(zhuǎn)盤控制：由3工位分割盤控制，伺服模組通過托板把塑料盒頂起，傳感器感應(yīng)到后頂升停止，吸盤吸取最上面的塑料盒，放入鏈板線1#工位載具上；重復(fù)以上運動，直至塑料盒取完；伺服模組托盤回原位，避開轉(zhuǎn)盤，分割盤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動120 °，再重復(fù)以上取塑料盒的動作；傳感器感應(yīng)到轉(zhuǎn)盤上3個位置的塑料盒取完后，由設(shè)備聲光報警提示人工補充物料。

視覺檢測：人工按照月餅盒朝上方向放入，如果人工放反，或者口味分類放錯，后道工序視覺相機根據(jù)每種口味的裝盒袋顏色不同進(jìn)行判定，將不合格的自動剔出。

四軸機器人撥到正確位置：定義4個口味的月餅在塑料盒里面的方向；人工隨意放入輸送線，月餅盒塑料托在輸送線上的角度隨意；機器人抓取中心盒月餅的圓心重合，抓取后根據(jù)視覺檢測系統(tǒng)得出的角度偏差，旋轉(zhuǎn)到定義的方向后，放入鏈板線上月餅盒塑料托內(nèi)。

塑料盒板鏈線：通過伺服發(fā)送高速脈沖控制速度和位置來協(xié)同調(diào)速；通過伺服電機實現(xiàn)對位置的精準(zhǔn)控制，并實現(xiàn)速度同步。

2.2 系統(tǒng)通訊

自動裝盒生產(chǎn)線使用2個西門子S7 200 smart PLC，2個PLC之間采用以太網(wǎng)GET/PUT進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)整體通訊架構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of PLC control system

其中主控PLC管控伺服鏈板線、伺服輸送線1和伺服輸送線2三個脈沖伺服軸；子PLC管控伺服輸送線3、伺服輸送線4共2個脈沖伺服軸。由于TCP通訊方式的開放性及實用性強，PLC與觸摸屏通訊均為以太網(wǎng)TCP/IP通訊。I/O通訊方式直接簡單、通用性強且成本低，為此，從站PLC與相機CCD、工業(yè)機器人采用I/O通訊。

相機和西門子S7 200 samrt PLC采用I/O通訊。裝盒生產(chǎn)線共使用4臺相機拍照檢測，分別可實現(xiàn)自動模式和手動模式拍照。若要啟動相機，由PLC觸發(fā)Q點，CCD開始執(zhí)行拍照檢測；檢測完成后，CCD通過反饋I9.1（YES）與I9.2（NO）來告知PLC檢測的結(jié)果，并存放到VW5280，供觸摸屏顯示用。若PLC與相機連接信號失敗，則由輸入信號觸發(fā)報警。

機器人和西門子S7 200 samrt PLC采用I/O通訊。PLC通過發(fā)送Q1.7來控制機器人1暫停/啟動，發(fā)送Q1.5使機器人復(fù)位，發(fā)送Q1.4使機器人執(zhí)行取料動作，發(fā)送Q1.6使機器人執(zhí)行放料動作；為避免生產(chǎn)線動作中的事故，機器人執(zhí)行完取料和放料動作后，向PLC回復(fù)機器人已取料或放料完成信號；PLC收到完成信號后，執(zhí)行下一步動作。

本地PLC將VB6100～VB6179共80個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程PLC中的VB6000～VB6079，本地VB6100～VB6179中的數(shù)據(jù)發(fā)送變化時，遠(yuǎn)程端的VB6000～VB6079也隨之變化，只要通訊連接成功，這2組數(shù)據(jù)保持一致，由此可以實現(xiàn)多PLC之間的通訊。為確保通訊連接成功，遠(yuǎn)程IP與本地IP在同一網(wǎng)段內(nèi)，且不可有2個相同IP的設(shè)備在同一局域網(wǎng)內(nèi)。

3 月餅自動裝盒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 生產(chǎn)線電氣控制接線圖

依據(jù)月餅裝盒自動化生產(chǎn)線工藝流程，按照生產(chǎn)線動作時序準(zhǔn)確原則，結(jié)合伺服電機及伺服驅(qū)動器、氣缸、電磁閥、工業(yè)機器人、視覺相機等工作特點，確定產(chǎn)線的PLC I/O點。根據(jù)月餅依托視覺引導(dǎo)機器人自動入盒功能需求，選用德國西門子S7 200 smart可編程控制器，輸入點數(shù)為24，輸出點數(shù)為16，內(nèi)置3軸定位。生產(chǎn)線選用的PLC控制器輸入模塊I/O接線如圖4所示，輸入模塊用來接收和采集輸入信號，如伺服軸的原點信號、極限限位信號、磁性開關(guān)信號和光纖信號等。輸出模塊I/O接線如圖5所示，用來發(fā)送控制信號，控制機器人、相機、伺服電機和電磁閥等工作。

圖4 PLC輸入模塊Fig.4 PLC input module

圖5 PLC輸出模塊Fig.5 PLC output module

3.2 生產(chǎn)線PLC程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計是生產(chǎn)線整個控制系統(tǒng)的核心部分［13］。根據(jù)月餅入盒設(shè)備的控制過程和生產(chǎn)需求，在保證設(shè)備可以正常按照流程工作的情況下，應(yīng)具備發(fā)生故障時能夠緊急停止的能力，其PLC程序流程如圖6。生產(chǎn)線有手動模式和自動模式。通電后，默認(rèn)為手動模式，可以通過觸摸屏上選擇為自動模式。自動模式下，按住啟動按鈕持續(xù)2 s生產(chǎn)線啟動，以避免操作人員的誤觸，機器人、伺服電機、氣缸和相機等執(zhí)行單元在初始狀態(tài)等待命令。在手動操作下，能夠?qū)Ω鱾€單元進(jìn)行單獨操作，包括機器人、伺服電機、氣缸的運動和相機的拍照功能。

圖6 PLC控制總體流程Fig.6 Overall flow of PLC control

伺服鏈板線啟動，到達(dá)塑料盒上料位置，伺服搬運模組從轉(zhuǎn)臺吸取塑料盒放入伺服鏈板線。伺服搬運模組發(fā)送完成信號給伺服鏈板線，伺服鏈板線轉(zhuǎn)動1格，繼續(xù)循環(huán)等待放入塑料盒。伺服鏈板線和PLC采用高速脈沖控制位置和速度，在手動模式且未急停時，運行軸手動塊，當(dāng)轉(zhuǎn)臺到位且頂升氣缸也到位的前提下，對軸進(jìn)行手動操作，軸按設(shè)置的速度正向或反向移動。

伺服板鏈線上的塑料盒到達(dá)月餅上料位置，發(fā)送信號給機器人，允許機器人把月餅放入塑料盒內(nèi)；相機拍照月餅，把月餅的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人，機器人精準(zhǔn)抓取月餅。急停未觸發(fā)時，運行軸定位塊；啟動定位觸發(fā)時，該軸按照目標(biāo)位置與運行速度中的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動。

伺服板鏈線上的滿盒月餅到達(dá)下料位置，發(fā)送信號給綠色指示燈，提示操作工取走滿盒月餅放入裝盒紙箱內(nèi)。

在手動模式且未急停時，運行軸回零塊。須在轉(zhuǎn)臺到位時，才可手動對該軸進(jìn)行回零啟動。

3.3 生產(chǎn)線機器人程序設(shè)計

月餅自動裝盒生產(chǎn)線執(zhí)行單元選用ESTUN四軸機器人，應(yīng)用工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)對生產(chǎn)線現(xiàn)場信息交互與處理［14］。工業(yè)機器人得到位置和角度信息后［15-17］，與PLC進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)來料抓取。機器人系統(tǒng)設(shè)計包括主程序和子程序設(shè)計，主程序設(shè)計包括設(shè)置機器人安全位置、判斷動作邏輯和調(diào)用各點位子程序等；子程序設(shè)計包括程序初始化、1#-4#工作位運動軌跡等功能模塊，實現(xiàn)月餅位置調(diào)整、裝盒功能和運動軌跡，四軸機器人月餅裝盒主程序如圖7所示。

圖7 四軸機器人程序流程Fig.7 Flow chart of four-axis robot program

4 月餅自動裝盒生產(chǎn)線運行測試

月餅自動裝盒生產(chǎn)線采用光、機、電、氣和磁相結(jié)合，運用機器視覺在線檢測與判斷月餅口味和裝盒角度，由四軸機器人執(zhí)行對應(yīng)動作。如圖8所示，月餅自動裝盒生產(chǎn)線滿足每盒擺放4種不同口味的月餅，生產(chǎn)線已在某公司投放應(yīng)用。公司原來采用單班8人，每班工作12 h，雙班16人24 h連續(xù)生產(chǎn)，人工把4種不同口味的月餅裝入月餅盒，每天產(chǎn)能14 400盒左右，由于工作人員熟練度不穩(wěn)定，產(chǎn)能存在±10%波動，且由于人工持續(xù)生產(chǎn)會產(chǎn)生疲勞，因此每天產(chǎn)能中有3%的月餅口味裝錯。

圖8 月餅裝盒Fig.8 Moon cake boxing

該公司引入月餅裝盒自動化生產(chǎn)線后，生產(chǎn)線裝盒節(jié)拍為5 s/盒，每天24 h，固定產(chǎn)能17 280盒，由1位操作工補空料盒和將裝好盒的月餅放入紙箱內(nèi)，滿足放入盒子中的月餅文字方向一致及裝盒后的單個月餅的自身包裝折角不外露在盒子邊界外的需求，月餅裝盒準(zhǔn)確率達(dá)99%。經(jīng)應(yīng)用，生產(chǎn)線實現(xiàn)了月餅自動裝盒功能，工作過程穩(wěn)定、靈活，提高了整機工作效率。產(chǎn)線投放使用前后運行效率對比見表1。

表1 生產(chǎn)線投放前后效率對比Tab.1 Efficiency comparison before and after production line is put into operation

5 結(jié)語

設(shè)計一種新型的智能化月餅裝盒生產(chǎn)線，研發(fā)塑料盒供料機構(gòu)等機械裝置，并應(yīng)用機器視覺檢測技術(shù)與工業(yè)機器人來完成月餅裝盒過程中的復(fù)雜動作，對4種不同口味的月餅分類、視覺引導(dǎo)機器人依次把月餅裝入盒內(nèi)，確保生產(chǎn)線靈活運行，杜絕漏裝和錯裝，提高生產(chǎn)效率；同時生產(chǎn)線無人化生產(chǎn)，進(jìn)一步保證月餅的食用安全性。