一種盒裝食品裝箱控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

李愈娜 陳銳鴻

(1.廣州工商學(xué)院管理學(xué)院，廣東 廣州 510850；2.廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510800)

裝箱是生產(chǎn)線最后一環(huán)[1]，也是食品出廠前的最重要包裝工序之一。裝箱機(jī)是一種將盒裝產(chǎn)品按一定的順序自動或半自動地裝入運輸包裝的設(shè)備，其產(chǎn)品有長方體、不規(guī)則體、圓狀、板狀、條狀等。盒裝食品通常指食品經(jīng)初次包裝后裝入待售的盒子，如月餅、餅干、蛋糕等[2]，出廠前需將其裝箱[3]。

目前，中國自動化裝箱生產(chǎn)線大多是基于固定產(chǎn)品的裝箱，對產(chǎn)品尺寸有嚴(yán)格限制。葛暢等[4-5]利用伺服電機(jī)將瓶子裝入箱子，實現(xiàn)了瓶子的快速裝箱；陳落根等[6]以直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行袋裝奶粉的裝箱；韓基偉等[7]以delta機(jī)構(gòu)實現(xiàn)裝箱的工作空間及軌跡規(guī)劃。目前，中國的裝箱機(jī)械以機(jī)器人和專用裝箱設(shè)備為主，缺少能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺寸產(chǎn)品裝箱、快速柔性地設(shè)置的裝箱設(shè)備。食品加工廠應(yīng)對客戶的需求，需要不斷地更換包裝尺寸和外包裝箱樣式，工業(yè)機(jī)器人[8-10]對于中小企業(yè)來說成本高，且需要專門的維護(hù)人員，增加了生產(chǎn)成本。綜上，現(xiàn)有的裝箱機(jī)無法在不同產(chǎn)品之間進(jìn)行快速切換，因此未被廣泛推廣和應(yīng)用。文章擬從盒裝產(chǎn)品的特性出發(fā)，研究如何將盒裝食品快速裝入箱子，通過開發(fā)一臺柔性的裝箱工作站，具備快速設(shè)置包裝路線、快速切換不同尺寸產(chǎn)品類型的柔性設(shè)置功能，且設(shè)備制造成本相對于工業(yè)機(jī)器人有更高性價比。工作站設(shè)有X軸、Y軸、旋轉(zhuǎn)軸3個自由度[11]，采用伺服電機(jī)和同步帶結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)能夠快速定位到物品位置進(jìn)行抓取，以及產(chǎn)品位置偏移、旋轉(zhuǎn)裝箱等動作，旨在提升工作站滿足不同產(chǎn)品的裝箱需求，滿足裝箱的快速作業(yè)。

1 裝箱工作站設(shè)計

1.1 工作站結(jié)構(gòu)

裝箱工作站由傳送帶、移動平臺、箱子傳送帶、氣缸等構(gòu)成(圖1)，裝箱機(jī)械手位于傳送帶上方，X軸、Y軸采用雙同步帶拉動的方式帶動機(jī)械手移動，在各移動方向上分別設(shè)置前限位、后限位、原點，旋轉(zhuǎn)軸則采用齒輪傳動機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)吸盤機(jī)械手。

1.控制柜 2.操作箱 3.傳送導(dǎo)向槽 4.X軸 5.Y軸 6.旋轉(zhuǎn)軸(I軸) 7.吸盤機(jī)械手 8.待裝箱子 9.盒裝食品 10.來料傳送帶

1.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

盒裝食品在傳送帶上根據(jù)導(dǎo)向槽排列依次向前傳送，為了加快傳輸效率，導(dǎo)向槽可以根據(jù)工件大小進(jìn)行調(diào)整，將盒子排成2列或者3列。系統(tǒng)啟動前，需將X軸、Y軸及旋轉(zhuǎn)軸分別回歸原點，使工作站完成原點校驗，原點回歸完成后，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動啟動。針對不同食品盒子大小不同的情況，機(jī)械手可以根據(jù)盒子的位置進(jìn)行示教，將抓取的位置在觸摸屏輸入?yún)?shù)，并根據(jù)工件的不同將點位進(jìn)行排序。當(dāng)工件向前傳送時，傳送帶前端傳感器檢測到有盒子時，機(jī)械手進(jìn)行快速抓取，然后提升，平移將盒子根據(jù)示教的裝箱方式快速地裝入到箱子中，系統(tǒng)動作流程如圖2所示。

1.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用三菱FX3U系列PLC作為主控制器，Proface觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，X軸、Y軸、旋轉(zhuǎn)軸采用伺服電機(jī)系統(tǒng)。PLC作為工業(yè)上常用的控制器，其結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大，可以快速實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)的搭建，是當(dāng)前主流的工業(yè)控制器[12]。觸摸屏是作為操作及數(shù)據(jù)修改的人機(jī)交互系統(tǒng)，通過設(shè)計參數(shù)界面，用戶可以柔性地進(jìn)行修改數(shù)據(jù)，查看設(shè)備運行狀態(tài)，排除設(shè)備故障。裝箱機(jī)以工作站的方式引入到生產(chǎn)線中，可以與生產(chǎn)線進(jìn)行對接，并將裝好的箱子與封箱機(jī)對接，實現(xiàn)裝箱與封箱無縫一體化工作，從而實現(xiàn)裝箱的全自動化生產(chǎn)。電氣控制系統(tǒng)組成主要由PLC控制器、觸摸屏、伺服電機(jī)及其他傳感器等外圍設(shè)備組成(圖3)。

圖3 電氣控制系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)回原點程序設(shè)計

回原點是指當(dāng)機(jī)械手首次開機(jī)前，機(jī)械手的原點確認(rèn)工作(見圖2)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到機(jī)械手未進(jìn)行原點確認(rèn)或伺服電機(jī)因為報警而丟失初始位置時，系統(tǒng)提示需要回原點，由操作者按“原點回歸”執(zhí)行回原點任務(wù)：① 升降氣缸抬起；②X軸往前移動一段距離，再執(zhí)行回歸原點；③ 執(zhí)行Y軸原點回歸；④ 執(zhí)行旋轉(zhuǎn)軸原點回歸。

2.2 機(jī)械手定位程序設(shè)計

文章設(shè)計的機(jī)械手為三軸機(jī)械手，采用點位示教的方式記錄每個點的位置，根據(jù)裝箱機(jī)的動作要求，通常可以分為以下幾個點：① 原點位，也稱待機(jī)位；② 取件點上方，多個導(dǎo)槽擁有多個取件點上方位置；③ 抓取工件點，不同導(dǎo)槽抓取點位置也不同；④ 抓取點上方位置；⑤ 裝箱點上方位置；⑥ 裝箱位置，也稱放件位置。一個動作流程通常是以點位①～⑥的順序完成。

針對PLC的循環(huán)掃描工作方式，伺服控制的方法有絕對坐標(biāo)和相對坐標(biāo)控制，兩者各有優(yōu)點，相對坐標(biāo)控制方法是在前一點的基礎(chǔ)上移動相對的距離，這種方法對于機(jī)器的示教要求較高，不適用于不斷變化的位置。而絕對坐標(biāo)是對每次定位的坐標(biāo)以原點為參考的位置進(jìn)行定位的方法，文章采用絕對坐標(biāo)控制方法，能夠快速定位到所需要的點位。三菱FX3U系列PLC的絕對定位指令為DDRVA，將位置D100和速度D106采用DDRVA指令發(fā)送給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)接收到的脈沖信號進(jìn)行定位，機(jī)械手到位后，反饋到位信號，方便機(jī)械手執(zhí)行下一動作。

圖4 機(jī)械手絕對定位

2.3 機(jī)械手點位數(shù)據(jù)調(diào)用方法

根據(jù)PLC循環(huán)掃描工作原理，機(jī)械手每次只執(zhí)行一個機(jī)械點位的定位，每次同時執(zhí)行3個軸的定位，因此，為了簡化編寫程序，需將機(jī)械手的點位數(shù)據(jù)存儲于PLC的斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器中，每次根據(jù)需要將數(shù)據(jù)調(diào)用出來，傳送給D100和D106兩個32位的數(shù)據(jù)寄存器，為方便使用，采用變址尋址的方式將點位的數(shù)據(jù)調(diào)用給DDRVA指令。其程序如圖5所示，Z0是調(diào)用的變址寄存器，由于存儲的數(shù)據(jù)是32位的浮點數(shù)，占用了兩個數(shù)據(jù)寄存器，因此調(diào)用的點位數(shù)據(jù)需將點位的地址乘以2，再將位置的數(shù)據(jù)乘以轉(zhuǎn)換比例，然后求整數(shù)再賦值給D100，D100即為PLC發(fā)送的脈沖數(shù)，同樣的方法將當(dāng)前點的速度也傳送給D106，由此即實現(xiàn)了不同點位位置和速度的調(diào)用。

圖5 機(jī)械點位變址尋址程序

點位調(diào)用數(shù)據(jù)尋址：

X軸位置：D(1 000+z×2)，

(1)

X軸速度：D(1 500+z×2)，

(2)

Y軸位置：D(2 000+z×2)，

(3)

Y軸速度：D(2 500+z×2)，

(4)

I軸位置：D(3 000+z×2)，

(5)

I軸速度：D(3 500+z×2)，

(6)

式中：

z——當(dāng)前點位序號；

D1000——X軸首個點位位置；

D1500——X軸首個點位速度；

D2000——Y軸首個點位位置；

D2500——Y軸首個點位速度；

D3000——I軸首個點位位置；

D3500——I軸首個點位速度。

3 基于觸摸屏的機(jī)械點位示教設(shè)計

3.1 點位示教方法

機(jī)械手的點位示教方法與其他機(jī)器人的示教方法一致，機(jī)械手進(jìn)行原點確認(rèn)后，手動移動機(jī)械手后，其坐標(biāo)值如圖6所示，如果當(dāng)前點是所需要的點位，可以將點位當(dāng)前位置輸入到相應(yīng)序號的點位中，如待機(jī)位，將當(dāng)前位置的坐標(biāo)值輸入到3個軸的位置對話框，并進(jìn)行相應(yīng)的速度設(shè)置，輸入完成后可以進(jìn)行當(dāng)前點位的再現(xiàn)，選中當(dāng)前點位的序號值，如待機(jī)位的01，在確保安全的情況下，點擊三軸聯(lián)動，則系統(tǒng)完成機(jī)械點位的再現(xiàn)動作。

圖6 機(jī)械手點位位置示教設(shè)置

3.2 裝箱機(jī)械手路徑規(guī)劃化

裝箱機(jī)械手需要根據(jù)裝箱的工件大小，采用不同的堆疊方法，為方便不同的產(chǎn)品裝箱，試驗工作站采用順序排列的點位調(diào)用裝箱動作，通過觸摸屏設(shè)置不同盒子每一層的裝箱策略，機(jī)械手路徑是通過不同的點位依次執(zhí)行，完成裝箱動作。因此，每一個產(chǎn)品的每一層路徑都有差別，即執(zhí)行的點位序列有差別。為拓展機(jī)械手的通用性，將不同點位序列排序。如圖7所示，序號1即代表是一種序列，其最多可以執(zhí)行10個點位，同時也設(shè)置了夾取點和松開點的位置。當(dāng)PLC執(zhí)行自動動作時，通過調(diào)用所需要的序列，機(jī)械手可以依次執(zhí)行序列中的點位。

機(jī)械手點位序列自動動作測試，在確保安全的情況下，在圖7【程序調(diào)用】前數(shù)字框位置輸入所需要執(zhí)行的序列，點擊【程序調(diào)用】，PLC將序列讀取到程序中，點擊【程序啟動】，PLC按照讀取的序列依次進(jìn)行點位執(zhí)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)夾取點位時，機(jī)械手執(zhí)行抓取動作，到達(dá)松開位置，機(jī)械手執(zhí)行放件動作。

圖7 機(jī)器手程序點位排序操作界面

3.3 位置點調(diào)用及程序點調(diào)用

程序點位排序與調(diào)用是針對當(dāng)前任務(wù)的點位序列串，例如：機(jī)械手的點位執(zhí)行通常是移動到取件點位置→下降→夾取工件→夾取工件上方→放件位置上方→放件位置→放件位置上方→待機(jī)位。機(jī)械手自動執(zhí)行點位路線，并根據(jù)所設(shè)點位序號位置給予夾取工件或者放下工件，采用三菱SFRD先入先出指令，每次讀取一個點位序號，其梯形圖程序如圖8所示，M352每次讀取一個點位序號給PLC執(zhí)行伺服定位。

圖8 順序讀取點位程序

4 控制程序及觸摸屏設(shè)計

4.1 手動程序設(shè)計

工作站的手動程序設(shè)計是根據(jù)需要將各個動作元件的手動操作在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)置。手動操作是機(jī)械手示教的主要界面，操作員可以將機(jī)械手手動移動到所需位置，也可以對氣缸等動作執(zhí)行元件進(jìn)行手動操作，其操作界面如圖9所示。

圖9 機(jī)械手手動操作界面

4.2 自動控制程序設(shè)計

裝箱機(jī)的自動運行畫面可以反映當(dāng)前設(shè)備的運行情況，顯示常用的數(shù)據(jù)，同時也顯示報警的相關(guān)信息。裝箱機(jī)的啟動條件是各個軸回到原點，且原點確認(rèn)完成，其運行畫面如圖10所示。當(dāng)啟動條件滿足時，按【自動啟動按鈕】，系統(tǒng)開始啟動進(jìn)行裝箱工作。如果裝箱數(shù)量與設(shè)定數(shù)量一致時，箱子傳送帶啟動，并將已裝好的箱子移出待裝箱區(qū)，機(jī)械手等待下一個箱子的到達(dá)，然后重新進(jìn)行啟動裝箱并開始計數(shù)。

圖10 自動運行畫面

4.3 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計算

裝箱機(jī)的參數(shù)指標(biāo)：X、Y軸水平往復(fù)運動，最大行程Lx=1 000 mm，同步帶轉(zhuǎn)動，往復(fù)運動周期T=4 s，重復(fù)定位誤差≤0.5 mm；平臺運動質(zhì)量M=5.5 kg。

4.3.1 運動學(xué)計算 設(shè)加速時間為0.1 s(伺服電機(jī)一般取加速時間為0.1～1.0 s)，則加減速時間為0.1 s，且加減速過程平均速度為最大速度1/2Vmax，故：

Lx=0.1×Vmax/2+1.8×Vmax+0.1×Vmax/2=1 000 mm。

得Vmax=1 000/(0.1+1.8)≈526.32 mm/s。

夾取或松開需要電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生等待時間，故取V=800 mm/s，則

4.3.2 動力學(xué)計算

同步帶拉力F=Ma+f，

(7)

摩擦力f=μMg。

(8)

設(shè)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ=0.1，則摩擦力f=0.1×5.5×10=5.5 N，慣性力F1=Ma=5.5×8=44 N，故同步帶所需拉力F=F1+f=44+5.5=49.5 N。

4.3.3 電機(jī)力矩計算

T=(J×ε+TL)/η，

(9)

式中：

T——同步帶輪上力矩，N·m；

TL——系統(tǒng)外力力矩，N·m；

η——傳動系統(tǒng)效率，%。

裝箱機(jī)使用同步帶進(jìn)行傳送，所以轉(zhuǎn)動效率為1。

故T=F×φ/2=49.5×0.045/2=4.46 N·m。

考慮到同步帶輪的摩擦和轉(zhuǎn)動慣量等因素，同時步進(jìn)電機(jī)在高速時扭矩大幅下降；一般留30%～50%余量，裝箱機(jī)留50%的力矩余量和轉(zhuǎn)速余量。

則T總=4.46×1.5=6.69 N·m。

綜上，傳動輸出轉(zhuǎn)矩在6.69 N·m以上即可滿足要求。

5 工作站使用情況

通過對月餅、餅干、蛋黃派3種常見食品的盒子進(jìn)行裝箱試驗。由表1可知，使用過程中每盒的裝箱時間為2～4 s，根據(jù)每箱盒子數(shù)，裝箱時間在30 s以內(nèi)。

表1 裝箱工作站食品裝箱使用數(shù)據(jù)

當(dāng)前生產(chǎn)線上裝箱通常需要2人左右，速度為2 min/箱，而工作站將來料與封箱生產(chǎn)線串聯(lián)起來，通過引入自動化裝箱機(jī)能夠省去2個人的用工成本，在效率上，一箱大約30 s，在省去人工成本的同時，還提高了生產(chǎn)效率。裝箱工作站在成本上相對工業(yè)機(jī)器人有很大的優(yōu)勢，同時采用PLC與觸摸屏設(shè)計的控制系統(tǒng)，工作穩(wěn)定，效率高，在中小企業(yè)中具有較高的推廣價值。

6 結(jié)論

文章設(shè)計的三軸機(jī)械手裝箱工件站基于伺服控制器及數(shù)據(jù)變址的算法，能夠有效地實現(xiàn)不同盒裝食品的裝箱，系統(tǒng)對不同盒子裝箱的適應(yīng)性強(qiáng)。在工作站投入使用前需對各個點位的數(shù)據(jù)進(jìn)行示教，通過觸摸屏在程序中進(jìn)行預(yù)設(shè)置，并保存到PLC數(shù)據(jù)中。當(dāng)工作站自動運行時，根據(jù)點位排序依次執(zhí)行機(jī)械手的各個點位流程，能夠快速有效地實現(xiàn)將盒裝食品裝入到相應(yīng)的箱子中，從而實現(xiàn)盒裝食品的裝箱功能，系統(tǒng)操作簡單，通用性較強(qiáng)。試驗設(shè)計的裝箱工作站作業(yè)需要傳送帶對產(chǎn)品進(jìn)行導(dǎo)向，影響其動作效率的發(fā)揮，導(dǎo)向傳送帶的要求也較高，后續(xù)將引入視覺引導(dǎo)定位抓取，實現(xiàn)不同姿態(tài)下的抓取，以提高工作站裝箱的智能化及更好的適用性。