滁菊自動擺盤生產(chǎn)線設(shè)計

彭玉平 秦子維 詹歌 李慧文 徐偉 曹旭

[摘要]針對滁菊烘干前處理過程勞動力短缺、擺盤不均勻、生產(chǎn)效率低下等問題，本文采用自動化生產(chǎn)線方案，開發(fā)一條能夠完成滁菊自動擺盤的生產(chǎn)線。針對生產(chǎn)過程物料盤的自動供給，開發(fā)了物料盤解垛機，創(chuàng)新應(yīng)用了雙層凸輪機構(gòu)，進行上、下層物料盤交替支撐，實現(xiàn)物料盤逐個釋放，以完成物料盤的依次供給;針對擺盤過程，開發(fā)了滁菊擺盤機，擺盤機利用同一平面內(nèi)相互垂直的兩個運動疊加，使物料盤能接住任意位置落下的滁菊，實現(xiàn)自動化擺盤;針對生產(chǎn)過程物料盤的回收，開發(fā)了以伺服電機驅(qū)動提升臺帶動物料盤提升，控制器存儲提升次數(shù)并依據(jù)提升次數(shù)運算伺服電機轉(zhuǎn)數(shù)，實現(xiàn)物料盤提升高度控制的堆垛機，通過運動機構(gòu)動作完成后自動回歸初始位置，以及提升和推出物料盤至烘干架等動作，完成裝滿滁菊的物料盤層疊于烘干架，實現(xiàn)物料盤的回收;通過擺盤生產(chǎn)線的應(yīng)用，實現(xiàn)了從物料盤供給、滁菊擺盤、物料盤回收的全自動化生產(chǎn)，滁菊烘干前處理由原來的多人協(xié)同完成，到僅需1人就能完成，效率提高300%以上，解決了擺盤生產(chǎn)效率低，以及因滁菊花期短造成的勞動力短缺而影響滁菊食品安全的問題，對滁菊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較大意義。

[關(guān)鍵詞]滁菊;堆垛解垛;擺盤;生產(chǎn)線設(shè)計;PLC

中圖分類號：TS203 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

滁菊為多年生菊科草本植物，主產(chǎn)于安徽滁州地區(qū)，為安徽省地道藥材之一，現(xiàn)為國家地理標(biāo)志產(chǎn)品，名列全國四大名菊之首[1-3]。

目前，滁菊主要以茶飲產(chǎn)品出現(xiàn)在消費市場，滁菊成品的普遍生產(chǎn)方法是對滁菊進行干燥加工，在進行滁菊干燥前，需先進行滁菊殺青[4]。現(xiàn)存的滁菊生產(chǎn)工序中，殺青設(shè)備和干燥設(shè)備已經(jīng)比較成熟，滁菊殺青完成到進行烘干的中間處理環(huán)節(jié)，因滁菊生產(chǎn)規(guī)模小，處理對象比較復(fù)雜，且只能進行人工作業(yè)，完成一次擺盤，至少需要4人完成。并且滁菊采摘期也較短，集中在每年的11至12月[5]，生產(chǎn)過程中對勞動力的需求具有季節(jié)性，極容易造成滁菊加工過程人手短缺，直至造成滁菊產(chǎn)品品質(zhì)下降。此外，滁菊的人工擺盤易形成擺盤不均勻，從而造成不同批次產(chǎn)品質(zhì)量不一。自動擺盤設(shè)備的出現(xiàn)能有效地緩解勞動力供應(yīng)不足，并能提高生產(chǎn)效率，并能夠有效保證食品的安全。

目前，自動擺盤機廣泛應(yīng)用于物流、交通、工廠的物料搬運及農(nóng)機行業(yè)。竇蒙等[6]針對食品加工行業(yè)人工擺放物料的勞動強度大、生產(chǎn)效率低的問題，設(shè)計了一套基于PLC自動饅頭擺盤機系統(tǒng);錢曉平等[7]針對湯圓機在湯圓制作過程中人工擺盤的不足，創(chuàng)新地設(shè)計了一種由步進式升降裝置、吸盤裝置、移盤裝置等組成，是氣電結(jié)合驅(qū)動與控制的自動擺盤裝置。

針對解垛、堆垛等生產(chǎn)方式，在一些企業(yè)已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用。邯鋼集團公司二軋廠[8]研發(fā)的型鋼自動堆垛機組，滿足了型鋼自動堆垛的需要;石征錦等[9]通過采用輥道式傳輸機構(gòu)和雙立柱提升機構(gòu)，配合傳感器等，實現(xiàn)了大型汽車部件倉儲的精準(zhǔn)堆垛、解垛及傳輸。

綜上所述，食品自動擺盤和物料堆、解垛技術(shù)雖有人進行了研究，但處理的對象均是比較規(guī)則的物體，可采用機械手進行抓取、翻轉(zhuǎn)、手持平移等操作，而滁菊類食品具有不定形的特點，目前開發(fā)的擺盤設(shè)備并不能直接應(yīng)用于滁菊的擺盤生產(chǎn)，并且滁菊烘干所指的物料盤自動回收和供給與當(dāng)前企業(yè)采用的堆垛、解垛也有較大的差別[10]，開發(fā)一條能夠完成物料盤自動解垛、堆垛及滁菊自動擺盤的生產(chǎn)線對促進滁菊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有較大的促進作用，并能為類似設(shè)備的開發(fā)提供參考價值。

1 工作原理

1.1 生產(chǎn)線的組成及特點

滁菊自動擺盤生產(chǎn)線由解垛機、擺盤機和堆垛機三大部分組成，分別實現(xiàn)三項功能，并由輸送帶串聯(lián)成一個整體。

其特點是：在解垛機上解垛時，利用雙層凸輪機構(gòu)實現(xiàn)上、下層物料盤交替支撐，從而達到對物料盤的逐個釋放;在擺盤機上進行滁菊擺盤時，利用同一平面內(nèi)相互垂直的兩個運動疊加，使物料盤能接住任意位置落下的滁菊，實現(xiàn)自動擺盤;在堆垛機上堆垛時，利用控制器存儲提升次數(shù)并運算每次提升脈沖數(shù)，控制伺服電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)數(shù)，提升方向及高度，再配合物料盤從堆垛機上平移推出動作，使物料盤層疊擺放。

1.2 整體工作流程

參照現(xiàn)有的滁菊生產(chǎn)工藝，殺青完的滁菊由殺青設(shè)備上的輸送帶直接輸出，在殺青設(shè)備出口處經(jīng)過刮板刮掃后，使滁菊呈薄層輸出。為實現(xiàn)滁菊干燥自動化生產(chǎn)，迫切需要開發(fā)的自動化設(shè)備是擺盤生產(chǎn)線。

滁菊自動擺盤生產(chǎn)線工作過程如圖1所示，該生產(chǎn)線在解垛機處將堆疊成摞的物料盤逐個釋放到下方輸送的輸送帶上，物料盤沿輸送帶向擺盤機移動;在擺盤機處，薄層輸出的滁菊因失去輸送帶支撐，依靠自身重力下落，此時，布置在下方的擺盤機控制物料盤運動，通過物料盤在接收平面內(nèi)橫、縱向交錯運動，實現(xiàn)物料盤滿載;完成擺盤后，載滿滁菊的物料盤由輸送帶運送至堆垛機處;堆垛機將擺滿滁菊的物料盤提升至相應(yīng)高度，并推出至烘干推車，通過控制系統(tǒng)存儲提升次數(shù)，并運算每次提升高度，實現(xiàn)逐一堆垛。最終，經(jīng)過解垛機、擺盤機和堆垛機的自動化運行，完成滁菊的自動擺盤、物料盤的自動供給和回收，擺滿物料盤的烘干推車再由人工移至干燥設(shè)備內(nèi)干燥。

2 關(guān)鍵機構(gòu)與技術(shù)

2.1 解垛機的依次釋放機構(gòu)

解垛機的關(guān)鍵技術(shù)為實現(xiàn)物料盤依次下落，如圖2所示，其主要由支架、凸輪機構(gòu)、電機及流利條等結(jié)構(gòu)組成。輸送帶位于解垛機下方，用于運輸物料盤;凸輪機構(gòu)呈對稱布置，對物料盤起支撐任用;在支架的四周固定流利條，減少物料盤與支架的間隙，防止物料盤晃動并消除下落時的阻力;同時，在輸送帶的側(cè)邊也安裝流利條，對物料盤運輸時起限位作用。

解垛機實現(xiàn)物料盤依次下落的關(guān)鍵技術(shù)在于凸輪機構(gòu)，如圖3所示。凸輪機構(gòu)通過上下層級的凸輪控制滾子從動件伸出或縮回，實現(xiàn)物料盤支撐或釋放;上下層級的凸輪由同一個電機帶動，當(dāng)需要供給物料盤時，上層的凸輪滾子從動件向機內(nèi)伸出，阻擋住上層的物料盤，同時下層的凸輪滾子從動件向外擴張，釋放下層物料盤;物料盤依靠自身重力掉落至輸送帶上。

2.2 自動擺盤的平面運動

擺盤機為殺青工序至烘干工序的關(guān)鍵裝備，決定著滁菊擺盤能否實現(xiàn)自動化，而因菊花類食品具有不成形的特點，機械手抓取方式不適用于菊花，比較好的方式是使用物料盤接收下落的菊花，對此，在擺盤時需使物料盤能達到菊花接收平面內(nèi)的任意點。

滁菊殺青和烘干的工藝及設(shè)備均比較成熟，所以擺盤機開發(fā)時，滁菊從殺青設(shè)備中的引出方式及需要使用的物料盤形式均為已知。擺盤機的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由上層輸送帶、下層平移機構(gòu)組成;上層輸送帶與物料盤直接接觸，沿橫向輸送物料盤，并在上層輸送帶的側(cè)邊安裝有流利條，對物料盤運輸時起限位作用;下層平移機構(gòu)主體為懸空的同步帶輸送機，采用連接零件將上層輸送帶整體固定在下層同步帶，由下層同步帶拉動上層輸送帶縱向運動;擺盤機通過上層輸送帶和下層平移機構(gòu)橫、縱向運動組合，從而使物料盤能達到菊花接收平面內(nèi)任意點。

2.3 堆垛機的自動化堆疊

堆垛機的關(guān)鍵技術(shù)為物料盤有序放置于烘干推車，堆垛機的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其主要結(jié)構(gòu)有支架、鏈條機構(gòu)、推出機構(gòu)、提升板、限位軸及伺服電機等。

鏈條機構(gòu)由鏈條、鏈輪及伺服電機等組成，提升板為堆垛機提升臺，用于提升物料盤，固定于鏈條上，鏈條由伺服電機驅(qū)動，適用于需要較精確步進距離的場合;推出機構(gòu)由絲桿和滾珠螺母及推板組成，推板固定于滾珠螺母上，在提升板上沿絲桿移動，通過絲桿運行不同轉(zhuǎn)向，前進或后退，將物料盤推出堆垛機;堆垛機待機時，提升板置于輸送帶之下，當(dāng)物料盤輸送到提升板上時，物料盤沿輸送帶運動被阻擋，此時會觸發(fā)傳感器，伺服電機開始轉(zhuǎn)動，物料盤被提升至相應(yīng)高度，并由推出機構(gòu)推至烘干架，經(jīng)過多次循環(huán)，直至完成物料盤堆垛。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

針對所設(shè)計的滁菊自動擺盤生產(chǎn)線，采用三菱FX1N-60MR作為主控，此型號PLC能以步進梯形圖編程，編程較為便利[11];輸出方式為晶閘管形式，可輸出高速脈沖，實現(xiàn)伺服電機控制，且輸入輸出點數(shù)之和達到60個，滿足該生產(chǎn)線的控制要求，如表1所示。

根據(jù)前文介紹的生產(chǎn)線工作原理，生產(chǎn)線工作流程如圖6所示。

當(dāng)生產(chǎn)線開始工作，需判斷解垛機下方的輸送帶上是否存在物料盤，及可能出現(xiàn)的位置，通過輸送帶上安裝到位開關(guān)傳感器實現(xiàn)該判斷;當(dāng)需要解垛機釋放物料盤時，則PLC控制凸輪旋轉(zhuǎn)180°，實現(xiàn)此旋轉(zhuǎn)的電機為大減速比異步電機，為保證到位準(zhǔn)確性及設(shè)置凸輪歸原點，在凸輪上固定磁石，并使用磁性開關(guān)作為檢測傳感器;當(dāng)物料盤輸送至擺盤機，通過到位開關(guān)傳感器確定物料盤的初始位置和運動的各個極限位置，此時擺盤機下方平移機構(gòu)需具備雙向運動，通過應(yīng)用轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)，PLC同時需控制殺青機上用于輸出的輸送帶，控制供料。當(dāng)物料盤輸送至堆垛機，物料盤觸發(fā)到位傳感器，告知解垛機開始工作。解垛機上鏈條機構(gòu)，推出機構(gòu)均需布置歸原點和極限位置傳感器，且?guī)犹嵘逄嵘碾姍C為伺服電機，通過PLC存儲提升次數(shù)并運算每次輸出脈沖量，控制提升高度，最終實現(xiàn)逐一堆垛;為實現(xiàn)本生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)，還使用了超聲波及光電傳感器對工作環(huán)境進行安全檢測，當(dāng)出現(xiàn)危險信號時，停止機械動作，并輸出警示。

4 結(jié) 論

針對滁州本地特產(chǎn)滁菊烘干時易出現(xiàn)勞動力短缺、擺盤不均勻、擺盤效率低等問題，本文研制了一條自動化滁菊烘干生產(chǎn)線，可實現(xiàn)物料盤的自動供給、滁菊均勻擺盤、和物料盤回收。通過擺盤生產(chǎn)線的應(yīng)用，整個滁菊烘干過程由原來的多人協(xié)同完成，到僅需1人操作，人均生產(chǎn)率提高300%以上。

開發(fā)的物料盤解垛機，創(chuàng)新應(yīng)用了同軸雙層凸輪機構(gòu)，通過凸輪從動件交替伸出和縮回，實現(xiàn)進行上、下層物料盤交替支撐，實現(xiàn)物料盤逐個釋放，完成物料盤依次供給;擺盤機采用物料盤接收下落菊花的方式，解決了不定形的食品擺盤問題，實現(xiàn)了滁菊擺盤自動化生產(chǎn)，并保證了食品安全，使滁菊干燥自動化成為可能;解垛機通過控制器運算每次伺服電機驅(qū)動的脈沖數(shù)，配合物料盤推出動作，實現(xiàn)物料盤層疊回收，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點。

參考文獻

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Design of Production Line for Laying Chuzhou Chrysanthemum

Peng Yuping，Qing Ziwei，zhan Ge，Li Huiwen，Xu Wei，Cao Xu

（Chuzhou University，College of Biology and Food Engineering，Chuzhou，Anhui 239000）

Abstract：In order to solve the problems such as labor shortage， non-uniform and low production efficiency in the process of drying Chuzhou Chrysanthemum， an automatic Laying production line is developed in this paper.Aiming at the automatic supply of the material tray in the drying process， the Feeding of material tray machine is developed， and the double-layer Cam Mechanism is innovatively applied to support the upper and lower material trays alternately to realize the release of the material trays one by one to complete the material tray supply in turn. In view of the process laying Chuzhou Chrysanthemum to a tray， a Laying Machine for Chuzhou Chrysanthemum was developed. The Laying machine can catch Chuzhou Chrysanthemum falling from any position by using two vertical movements superposed in the same plane， thus realizing the automatic laying process of Chuzhou Chrysanthemum to material trays.A Stacker Machine is developed， which uses servo motor to drive the material plate lifting， and the controller stores the lifting times and calculates the rotation of servo motor according to the lifting times to realize the control of the material tray lifting height， through the movement mechanism action after the completion of the automatic return to the initial position， as well as lifting and launching the material tray to the drying rack and other actions， the material tray full of Chuzhou Chrysanthemum is stacked on the drying rack to complete the material tray recovery; It has realized the fully automatic production from material tray supply， Chrysanthemum laying to tray and material tray recovery. The drying pre-treatment of Chuzhou Chrysanthemum used to be finished by many people， and now only one person can finish it. The efficiency has been increased by more than 300% ， and the low production efficiency of laying Chuzhou Chrysanthemum to tray has been solved， as well as Chuzhou Chrysanthemum Short flowering period caused by the shortage of labor， resulting in the impact of Chuzhou Chrysanthemum food safety issues， the development of chrysanthemum industry is of great significance.

Key Words：chuzhou chrysanthemum，feeding or stacking trays，laying sth.to a tray，production line design，PLC

收稿日期：2019-12-24

基金項目：滁州市科技計劃項目（2018ZN019）。

作者簡介：彭玉平，男，碩士，助教，研究方向為食品智能裝備。

通信作者：詹歌，男，博士，講師，研究方向為食品研發(fā)與食品包裝。