基于ABB120機(jī)器人的自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）13-0013-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.004

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展正推動(dòng)著各個(gè)制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)生深刻變革，飲料行業(yè)也不例外。隨著消費(fèi)者對(duì)飲料品質(zhì)和生產(chǎn)效率的要求日益提高，傳統(tǒng)的人工操作模式已難以滿足市場(chǎng)需求。目前，飲料制作流程中存在諸多問(wèn)題：一方面，人力成本不斷攀升，企業(yè)為維持生產(chǎn)規(guī)模，需投入大量人力進(jìn)行杯子搬運(yùn)、飲料灌裝等工作，這不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還因人為因素導(dǎo)致生產(chǎn)效率受限，難以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的連續(xù)作業(yè)[2]；另一方面，人工操作的不穩(wěn)定性和隨意性使得產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，無(wú)法保證每一杯飲料都具有相同的品質(zhì)，這對(duì)品牌形象造成了潛在威脅。因此，開(kāi)發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)取杯、精準(zhǔn)灌裝及可靠輸送的自動(dòng)飲料服務(wù)機(jī)器人示教系統(tǒng)，已成為飲料行業(yè)邁向自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人在飲料制作領(lǐng)域的應(yīng)用已相對(duì)成熟。許多知名企業(yè)投入大量資源研發(fā)自動(dòng)化生產(chǎn)線，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，某些國(guó)際知名飲料品牌已在其生產(chǎn)線上廣泛應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行高速灌裝和包裝作業(yè)，通過(guò)精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)數(shù)千瓶的高效生產(chǎn)，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。然而，這些自動(dòng)化系統(tǒng)多為針對(duì)大型生產(chǎn)企業(yè)的定制化解決方案，成本高昂，靈活性不足，難以適應(yīng)小型實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的教學(xué)與科研需求。

在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究也在逐步推進(jìn)。近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的普及和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始關(guān)注如何將機(jī)器人技術(shù)與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，開(kāi)發(fā)適合國(guó)情的實(shí)訓(xùn)裝備。一些高校嘗試在機(jī)械、電氣等相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程中引入工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)簡(jiǎn)單的搬運(yùn)、裝配等實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓學(xué)生初步了解機(jī)器人的操作與編程。

但針對(duì)飲料制作這一特定領(lǐng)域的自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研究仍處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)化、成熟化的解決方案，這為本文基于ABB120機(jī)器人的自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究提供了廣闊的探索空間和創(chuàng)新機(jī)遇。與此同時(shí)，作為一所注重實(shí)踐與創(chuàng)新的高等學(xué)府，其機(jī)電工程學(xué)院在機(jī)械工程、電氣工程及機(jī)器人工程等領(lǐng)域擁有雄厚的師資力量和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為開(kāi)展此類(lèi)跨學(xué)科研究項(xiàng)目提供了堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)和優(yōu)越的科研環(huán)境。

1基于ABB120機(jī)器人的自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)劃與目標(biāo)

本研究旨在開(kāi)發(fā)一套基于ABB120機(jī)器人的自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過(guò)合理規(guī)劃與布局，結(jié)合先進(jìn)的電氣控制技術(shù)與機(jī)器人編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從取杯、灌裝到輸送的全流程自動(dòng)化操作。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建立將為學(xué)生提供一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于提升學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的專(zhuān)業(yè)技能與工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)需求的高素質(zhì)工程技術(shù)人才；同時(shí)，也為學(xué)校教學(xué)改革提供了新的思路與實(shí)踐案例，有助于推動(dòng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)一步提高學(xué)校的教學(xué)水平與科研實(shí)力。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了分層分布式控制策略，確保各個(gè)子系統(tǒng)既能獨(dú)立運(yùn)行又可協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自動(dòng)化任務(wù)的高效執(zhí)行。系統(tǒng)包括ABB120機(jī)器人、自動(dòng)取杯器、末端執(zhí)行器、飲料裝杯系統(tǒng)、輸送裝置、傳感器、控制器等主要硬件設(shè)備，以保障系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)整體控制方案

整個(gè)系統(tǒng)以ABB120機(jī)器人為主站，按鈕盒、傳感器、安全光柵、手機(jī)通信等都是通過(guò)ABB機(jī)器人的D652通信板卡接入機(jī)器人系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供相關(guān)狀態(tài)及飲料種類(lèi)，柱燈、飲料灌裝裝置、自動(dòng)取杯裝置、手爪、語(yǔ)音控制器等通過(guò)I/O硬接線的方式接到D652板卡的輸出端，實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝置的控制，如圖2所示。D652板卡接線圖如圖3所示。

系統(tǒng)總體控制流程如圖4所示。

1.4 系統(tǒng)控制流程

2 自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)取杯器設(shè)計(jì)

自動(dòng)取杯器是自動(dòng)飲料機(jī)的關(guān)鍵部件，直接影響飲料制作的效率與準(zhǔn)確性。其設(shè)計(jì)需考慮杯子的規(guī)格、材質(zhì)及堆疊方式。取杯器基本工作原理是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)完成取杯動(dòng)作，常見(jiàn)的機(jī)械機(jī)構(gòu)有吸盤(pán)式和夾爪式。吸盤(pán)式利用負(fù)壓吸附杯子，適用于表面光滑的杯子；夾爪式從兩側(cè)夾取杯子，對(duì)杯子形狀適應(yīng)性更強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)采用雙桿氣缸及工業(yè)吸盤(pán)，實(shí)現(xiàn)一次性紙杯的自動(dòng)出杯，如圖5所示。

2.2 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)緊密?chē)@ABB120機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的特性和飲料灌裝操作的專(zhuān)業(yè)要求展開(kāi)。首先，確定末端執(zhí)行器與機(jī)器人的連接方式，確保穩(wěn)固性和精度，以適應(yīng)機(jī)器人高速、高精度運(yùn)動(dòng)。通常采用法蘭盤(pán)連接，通過(guò)高精度螺栓定位和固定，保證連接的可靠性和重復(fù)定位精度。

通過(guò)柔性手爪的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)飲料裝杯過(guò)程的紙杯抓取，實(shí)現(xiàn)包括自動(dòng)取放杯、自動(dòng)灌裝、自動(dòng)輸送等功能。具體設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

2.3自動(dòng)飲料灌裝裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)飲料灌裝裝置采用成品抽水器，如圖7所示，通過(guò)改造增加繼電器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

3自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在設(shè)計(jì)自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)之初，團(tuán)隊(duì)成員全面且深入地開(kāi)展了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，對(duì)平臺(tái)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了細(xì)致入微的分析與研判。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面，ABB120機(jī)器人的高速運(yùn)轉(zhuǎn)以及自動(dòng)取杯器等部件的頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，均存在潛在的機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人在執(zhí)行取杯、灌裝、放置等任務(wù)時(shí)，其手臂和末端執(zhí)行器會(huì)快速移動(dòng)，若操作人員不慎將手指、頭發(fā)等伸入其運(yùn)動(dòng)軌跡，極有可能引發(fā)夾傷或卷入事故。

3.2 安全防護(hù)措施設(shè)計(jì)

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，為機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)四周設(shè)置了堅(jiān)固的防護(hù)欄，其高度不低于 1.5m ，框架材質(zhì)選用高強(qiáng)度鋁型材，配合 5mm 厚度的亞克力透明板，能夠有效阻擋機(jī)器人異常情況下的運(yùn)動(dòng)部件飛出以及人員進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。

同時(shí)，在操作側(cè)安裝兩個(gè)急停按鈕和安全光柵，如圖8所示，并將安全光柵接入機(jī)器人系統(tǒng)的急停回路中。只有在安全光柵沒(méi)有被觸發(fā)時(shí)，機(jī)器人方可啟動(dòng)運(yùn)行，一旦有人員將手或身體的其他部位伸到機(jī)器人的工作區(qū)域，安全光柵被觸發(fā)，機(jī)器人會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)，確保人員在維護(hù)、調(diào)試等操作時(shí)的安全。在自動(dòng)取杯器和輸送裝置等運(yùn)動(dòng)部件的外露部分加裝了防護(hù)罩，防護(hù)罩采用透明的聚碳酸酯材料，既不妨礙操作人員觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，又能防正人員肢體直接接觸到運(yùn)動(dòng)部件，避免夾傷、擦傷等意外。

電氣安全防護(hù)方面，整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用了可靠的接地系統(tǒng)，確保所有電氣設(shè)備的外殼均與地面良好連接，即使發(fā)生漏電情況，也能迅速將電流導(dǎo)入大地，降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。在配電箱內(nèi)安裝了漏電保護(hù)器和過(guò)載保護(hù)器，一旦檢測(cè)到漏電或過(guò)載電流，保護(hù)器會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)切斷電源，防止設(shè)備損壞和火災(zāi)發(fā)生。為保障操作和維護(hù)過(guò)程中的安全用電，平臺(tái)配備了絕緣手套、絕緣鞋等個(gè)人防護(hù)用品，并在電氣設(shè)備周?chē)O(shè)置了絕緣膠墊，減少操作人員直接接觸地面時(shí)的觸電風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，對(duì)所有電氣線路進(jìn)行了規(guī)范的整理和固定，以避免因線路雜亂而導(dǎo)致短路、拉扯等故障。

通過(guò)以上綜合性安全防護(hù)措施構(gòu)建起全方位的安全屏障，有效降低了自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障了教學(xué)、科研活動(dòng)的順利開(kāi)展以及操作人員的人身安全。

4自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用與展望

4.1在學(xué)生實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為學(xué)校機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供了絕佳的實(shí)踐學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。學(xué)生可以學(xué)習(xí)操作、維護(hù)、檢查、清潔、校準(zhǔn)、編程、外部控制、自動(dòng)運(yùn)行及飲料灌裝工藝編程等技能。平臺(tái)還支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)需求優(yōu)化自動(dòng)飲料機(jī)的環(huán)節(jié)或系統(tǒng)。這些創(chuàng)新實(shí)踐有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力和解決問(wèn)題的能力，使他們能應(yīng)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題。

4.2在學(xué)?？蒲泄ぷ髦械膽?yīng)用

自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為學(xué)?？蒲腥藛T在智能制造等領(lǐng)域的科研項(xiàng)目提供了支持?？蒲袌F(tuán)隊(duì)可依托該平臺(tái)開(kāi)展機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在自動(dòng)取杯中的應(yīng)用研究，通過(guò)安裝攝像頭等視覺(jué)傳感器，采集杯子圖像信息，利用圖像處理算法精確識(shí)別杯子位置、形狀、尺寸，優(yōu)化取杯器動(dòng)作控制，提高取杯準(zhǔn)確性，為解決復(fù)雜場(chǎng)景下的機(jī)器人抓取問(wèn)題提供依據(jù)和技術(shù)支持。平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)采集運(yùn)行過(guò)程中的各類(lèi)數(shù)據(jù)，如設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、維護(hù)記錄等，并將其存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中?？蒲腥藛T可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)建立故障預(yù)測(cè)模型，提前預(yù)警潛在故障，合理安排維護(hù)計(jì)劃，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高運(yùn)行效率，為實(shí)現(xiàn)智能制造裝備的智能化運(yùn)維管理提供有益探索。

4.3 在社會(huì)服務(wù)方面的應(yīng)用

自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)積極為地方企業(yè)、職業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等提供技術(shù)服務(wù)與培訓(xùn)支持。對(duì)于有自動(dòng)化生產(chǎn)需求但缺乏技術(shù)研發(fā)能力的中小企業(yè)，平臺(tái)可以提供自動(dòng)化生產(chǎn)線測(cè)試環(huán)境，企業(yè)可將新產(chǎn)品或新工藝的自動(dòng)化生產(chǎn)方案在平臺(tái)上進(jìn)行模擬測(cè)試與優(yōu)化，降低實(shí)際生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)和成本。該平臺(tái)也可用于開(kāi)展社會(huì)培訓(xùn)，培訓(xùn)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)企業(yè)崗位需求，制定針對(duì)性培訓(xùn)課程體系，借助平臺(tái)開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)員能夠熟練掌握工業(yè)機(jī)器人的操作技能、編程方法以及常見(jiàn)故障的排除技巧，為學(xué)生就業(yè)做好充分準(zhǔn)備，為企業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

4.4 未來(lái)展望

立足當(dāng)前自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀，其在未來(lái)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、智能餐飲行業(yè)發(fā)展等方面具有廣闊的拓展空間。在智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面，平臺(tái)將進(jìn)一步與實(shí)驗(yàn)室其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)互通，通過(guò)總控電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)總控與所有機(jī)器人設(shè)備的高效通信，采集所有機(jī)器人的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)可視化，并通過(guò)總控屏幕控制所有機(jī)器人設(shè)備，提升實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的智能化水平和運(yùn)行效率。在智能餐飲領(lǐng)域，基于現(xiàn)有平臺(tái)技術(shù)積累，可以研發(fā)更先進(jìn)的智能餐飲解決方案，如開(kāi)發(fā)具備智能點(diǎn)餐、智能支付、智能配送等功能的一體化餐飲服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)餐到取餐的全流程自動(dòng)化、智能化服務(wù)，提升餐飲行業(yè)的服務(wù)效率和質(zhì)量，為消費(fèi)者提供更加便捷、個(gè)性化的用餐體驗(yàn)，賦能智慧城市發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)項(xiàng)目成果顯著，推動(dòng)了學(xué)生實(shí)踐能力的提升、學(xué)校科研水平的進(jìn)步以及社會(huì)服務(wù)能力的增強(qiáng)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人編程和安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在教學(xué)中，該平臺(tái)通過(guò)基礎(chǔ)操作、系統(tǒng)維護(hù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，提升了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能和綜合素質(zhì)。在科研方面，它為智能制造和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究提供了有力支持。同時(shí)，平臺(tái)還積極服務(wù)社會(huì)，為地方企業(yè)和職業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持和人才培訓(xùn)。

然而，研究過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題，如多系統(tǒng)協(xié)同的復(fù)雜性、機(jī)械與電氣的精度匹配以及安全防護(hù)的全面性等。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)調(diào)試和強(qiáng)化安全測(cè)試，這些問(wèn)題已得到有效解決。

未來(lái)，自動(dòng)飲料機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將在智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和智能餐飲行業(yè)發(fā)展等方面繼續(xù)拓展和深化。通過(guò)融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)更高效的設(shè)備互通、智能一體化和智慧化改造，為教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)創(chuàng)造更多可能性，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

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