連杯酸奶自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙云濤，徐建佳，吳凱弟

（1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.武漢海默機(jī)器人有限公司，武漢 430000）

0 引言

近年來(lái)，世界各國(guó)的酸奶市場(chǎng)均有較大程度的增長(zhǎng)，中國(guó)酸奶市場(chǎng)增長(zhǎng)率繼續(xù)領(lǐng)跑全球[1]。分揀和裝箱工序是連杯酸奶生產(chǎn)的最后一道工序，在日常生產(chǎn)中由人工完成。生產(chǎn)人員工作內(nèi)容包含產(chǎn)品日期有無(wú)檢測(cè)和重量檢測(cè)，產(chǎn)品人工裝箱及碼垛。按連杯酸奶每組1kg計(jì)算，每箱重量9kg，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，影響了整個(gè)酸奶生產(chǎn)線(xiàn)的效率，嚴(yán)重制約生產(chǎn)產(chǎn)能。同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中日期和重量的檢測(cè)由裝箱碼垛人員兼顧完成且容易出現(xiàn)視覺(jué)疲勞，容易出現(xiàn)漏檢和誤判從而導(dǎo)致不良產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

為達(dá)到 “減員、增效、提質(zhì)、保安全”目標(biāo)，采用“機(jī)器換人”是重要途徑[2～4]。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了連杯酸奶自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)機(jī)器人替代人工實(shí)現(xiàn)連杯酸奶分揀裝箱和碼垛，減小勞動(dòng)強(qiáng)度。運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)生產(chǎn)日期和在線(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)檢測(cè)產(chǎn)品重量，大大提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，杜絕沒(méi)有生產(chǎn)日期和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)產(chǎn)品流入市場(chǎng)。在提升企業(yè)生產(chǎn)效率同時(shí)，也提升了出貨良品率，有效解決了以往人工操作所存在的問(wèn)題。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連杯酸奶的自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)三維總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由雙層輸送線(xiàn)、視覺(jué)缺陷檢測(cè)機(jī)構(gòu)、物料排序機(jī)構(gòu)、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)、紙箱定位機(jī)構(gòu)、NG料剔除機(jī)構(gòu)、滿(mǎn)箱輸送線(xiàn)、裝箱機(jī)器人、碼垛機(jī)器人等組成。

圖1 自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)三維總體結(jié)構(gòu)

雙層輸送線(xiàn)負(fù)責(zé)輸送連杯酸奶和空紙箱。滿(mǎn)箱輸送線(xiàn)負(fù)責(zé)將裝滿(mǎn)后的紙箱輸送至碼垛工位。視覺(jué)缺陷檢測(cè)機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)分別負(fù)責(zé)在輸送過(guò)程中對(duì)日期有無(wú)檢測(cè)和采用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)對(duì)連杯酸奶重量檢測(cè)。物料排序機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將連杯酸奶進(jìn)行校正，使其朝向輸送方向。紙箱定位機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將空紙箱從雙層輸送線(xiàn)的下層皮帶線(xiàn)推送至滿(mǎn)箱輸送線(xiàn)的裝箱工位。NG料剔除機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將NG產(chǎn)品，剔除至專(zhuān)門(mén)的NG料箱。裝箱機(jī)器人和碼垛機(jī)器人分別負(fù)責(zé)將三組連杯酸奶同時(shí)放置到紙箱，以及將滿(mǎn)箱后的紙箱抓至棧板上并碼垛整齊。

系統(tǒng)主要工序動(dòng)作為：連杯酸奶經(jīng)過(guò)裹包插管后，經(jīng)過(guò)雙層輸送線(xiàn)的上層皮帶線(xiàn)輸送至裝箱等待位。輸送途中經(jīng)過(guò)物料排序機(jī)構(gòu)校正方向，并經(jīng)視覺(jué)檢測(cè)和重量檢測(cè)。沒(méi)有生產(chǎn)日期和重量不達(dá)標(biāo)的NG產(chǎn)品，經(jīng)NG料剔除機(jī)構(gòu)，剔除至專(zhuān)門(mén)的NG料箱中，待人工統(tǒng)一處理?？占埾浣?jīng)過(guò)雙層輸送線(xiàn)的下層皮帶輸送線(xiàn)，到達(dá)紙箱定位機(jī)構(gòu)，并經(jīng)其推送至裝箱位。當(dāng)空紙箱和3組連杯酸奶到位后，裝箱機(jī)器人開(kāi)始裝箱。將9組連杯酸奶裝箱完畢后，經(jīng)過(guò)滿(mǎn)箱輸送線(xiàn)到達(dá)碼垛工位，由碼垛機(jī)器人將滿(mǎn)箱后的產(chǎn)品在棧板上碼垛整齊，再由轉(zhuǎn)運(yùn)工人將其轉(zhuǎn)運(yùn)到倉(cāng)庫(kù)。圖2為自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)的工藝流程圖。

圖2 工藝流程圖

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輸送線(xiàn)及關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)需要在狹小的空間內(nèi)，快速完成連杯酸奶方向校正、NG料檢測(cè)、連杯酸奶定位、空箱推送、滿(mǎn)箱運(yùn)輸?shù)裙δ埽鐖D3所示。

圖3 輸送線(xiàn)及關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)

雙層輸送線(xiàn)上層皮帶線(xiàn)共分為三段。其中第一段為物料過(guò)渡段，采用低速設(shè)計(jì)，保證物料排序機(jī)構(gòu)校正連杯酸奶時(shí)可控而不至于傾斜跑偏現(xiàn)象；第二段為高速輸送段，用于將相鄰連杯酸奶的間距拉開(kāi)距離，避免稱(chēng)重誤差；第三段輸送線(xiàn)設(shè)置稱(chēng)重機(jī)構(gòu)。該廠(chǎng)酸奶生產(chǎn)效率要求1件/s，靜態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)不能滿(mǎn)足效率要求，因需要等待物料平穩(wěn)后并有1S～2S的穩(wěn)定時(shí)間，才可以準(zhǔn)確的讀取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，在皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)連杯酸奶進(jìn)行動(dòng)態(tài)的稱(chēng)重，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢測(cè)，大大提高運(yùn)行效率。此外，第三段輸送線(xiàn)線(xiàn)速度與第二段匹配，避免因物料速度變化而產(chǎn)生慣性，進(jìn)而影響稱(chēng)重精度。

為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿(mǎn)箱輸送線(xiàn)的裝箱工位在兩個(gè)方向設(shè)置固定擋板和另外兩個(gè)方向設(shè)置推動(dòng)氣缸。當(dāng)空紙箱到達(dá)裝箱工位后，從四個(gè)方向?qū)⒖占埾涠ㄎ?，且定位位置均安裝有檢測(cè)傳感器。若空紙箱未到達(dá)設(shè)定位置，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生報(bào)警并停機(jī)。從而確保裝箱時(shí)的位置唯一性，進(jìn)而提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 裝箱機(jī)器人

當(dāng)3組連杯酸奶到達(dá)裝箱等待位后，機(jī)器人收到信號(hào)，根據(jù)設(shè)定好的路徑進(jìn)行裝箱工作。工作時(shí)通過(guò)機(jī)器人末端夾具（真空吸盤(pán)組）準(zhǔn)確抓取物料。裝箱機(jī)器人由六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人、機(jī)器人底座、真空吸盤(pán)組、真空回路及檢測(cè)裝置等構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 裝箱機(jī)器人三維圖

為保證所有吸盤(pán)均能較好的貼合，選用多層風(fēng)琴吸盤(pán)且吸盤(pán)抓取面低于正常面，使得吸盤(pán)具有較大的壓縮量。設(shè)計(jì)4個(gè)φ30吸盤(pán)對(duì)應(yīng)每組連杯酸奶（重量為1kg），每個(gè)吸盤(pán)可抓取重量為3.5kg。4個(gè)吸盤(pán)只要有1～2個(gè)吸盤(pán)吸住連杯酸奶，便不會(huì)存在抓取不牢問(wèn)題。同時(shí)安裝有真空壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控吸盤(pán)組狀態(tài)，確認(rèn)物料抓取是否牢靠。當(dāng)出現(xiàn)散脫情況，系統(tǒng)及時(shí)停止并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，直到操作人員將警報(bào)解除。

2.3 碼垛機(jī)器人

滿(mǎn)箱產(chǎn)品到達(dá)碼垛工位后，機(jī)器人開(kāi)始抓取紙箱，將紙箱依次進(jìn)行擺放碼垛。當(dāng)棧板A碼垛完成后，系統(tǒng)發(fā)出滿(mǎn)跺信號(hào)，并自動(dòng)切換到棧板B開(kāi)始碼垛。若沒(méi)有放置空棧板，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒放置棧板。圖5碼垛機(jī)器人由四軸機(jī)器人、夾爪、機(jī)器人底座、棧板組及棧板檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成。

圖5 碼垛機(jī)器人三維圖

因連杯酸奶轉(zhuǎn)運(yùn)紙箱為無(wú)上蓋紙箱，無(wú)法從上端面吸取且從兩側(cè)夾取時(shí)也易使箱體變形。而且奶制品在碼垛時(shí)不易重摔，否則會(huì)造成外包裝破損，因此，本系統(tǒng)采用拖底式夾爪。碼垛機(jī)器人夾爪為組合型夾具，分為可移動(dòng)防滑夾板和掛鉤，如圖6所示，其中掛鉤安裝在可移動(dòng)夾板上，可隨夾板一起動(dòng)作。

圖6 碼垛機(jī)器人夾爪三維圖

夾爪采用2組雙缸雙桿氣缸，能同時(shí)抓取兩箱產(chǎn)品。夾爪設(shè)置有檢測(cè)物料傳感器，監(jiān)控紙箱是否準(zhǔn)確抓取。通過(guò)在氣缸增加緩沖裝置，保證抓取過(guò)程不傷害到箱體。紙箱到達(dá)碼垛工位時(shí)掛鉤放下，通過(guò)夾板將紙箱定位夾緊。搬運(yùn)時(shí)掛鉤和夾板同時(shí)工作，防止機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)時(shí)紙箱脫落。到達(dá)碼垛位正上方時(shí)掛鉤打開(kāi)，物料在夾板夾持下緩慢下降，完成碼垛。

2.4 視覺(jué)缺陷檢測(cè)

通過(guò)機(jī)器視覺(jué)對(duì)生產(chǎn)日期檢測(cè)已取得成功應(yīng)用[5,6]，本文視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)由相機(jī)（130萬(wàn)黑白，30幀）、鏡頭（12mm）、環(huán)形光源、控制器和支架構(gòu)成。利用視覺(jué)算法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)日期噴印的缺陷檢測(cè)、有無(wú)檢測(cè)、位置檢測(cè)、重疊檢測(cè)。檢測(cè)速度可達(dá)到50件/min，能夠快速、準(zhǔn)確地判斷生產(chǎn)日期是否存在異常，并及時(shí)剔除問(wèn)題商品。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-1200作為控制器，PLC控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心[7]。系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、檢測(cè)、保護(hù)、報(bào)警等功能。此外，機(jī)器人控制柜、示教盒、操作盤(pán)上設(shè)有急停按鈕，在系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時(shí)可通過(guò)按下急停按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)急停并同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。PLC通過(guò)I/O模塊連接口與擴(kuò)展模塊直接相連。PLC及其擴(kuò)展模塊I/O分配表如表1所示。觸摸屏作為一種便捷的人機(jī)交互方式，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛使用[8]。本系統(tǒng)的生產(chǎn)狀態(tài)顯示，以及啟動(dòng)、停止、暫停、急停等運(yùn)轉(zhuǎn)方式均通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

表1

系統(tǒng)通過(guò)PLC與機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)智能化操作以及自動(dòng)分揀裝箱和碼垛功能，并能及時(shí)發(fā)出物料空缺報(bào)警，滿(mǎn)跺報(bào)警等。系統(tǒng)具有手動(dòng)操作模式和自動(dòng)運(yùn)行模式，可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行模式切換。根據(jù)連杯酸奶自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)的工作過(guò)程，其主程序流程圖如圖7所示。

圖7 PLC主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)連杯酸奶人工裝箱碼垛時(shí)存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低且易出質(zhì)量事故等問(wèn)題，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了連杯酸奶自動(dòng)分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，按8小時(shí)工作制，所設(shè)計(jì)的一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工裝箱碼垛對(duì)比，每天比人工生產(chǎn)18.1噸多4.5噸，產(chǎn)能提升25%，明顯提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。且系統(tǒng)運(yùn)行可靠，不存在連杯酸奶最終產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷，適用于酸奶的大批量生產(chǎn)，有效提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。