水果自動分級系統的設計與仿真

盧勇威

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水果自動分級系統的設計與仿真

盧勇威

（廣西職業技術學院，廣西 南寧，530226）

基于自動化生產線，利用機器人技術，對水果自動分級系統整體方案進行規劃與設計；采用融合機械傳動技術、機器人虛擬控制、傳感器技術、PLC編程等技術于一身的數字化智能工廠仿真軟件，對系統進行仿真設計；實現水果自動分級生產線的虛擬建模和對系統流程動作的真實模擬，可在設計階段提高方案的可行性與可靠性，并對系統設計提供可視化的展示與交流平臺。

機器人；智能工廠仿真；自動化系統

引言

以人工感官識別和人手操作為特征的傳統水果分揀，效率低下，分揀效果差、勞動力強度大，已不能滿足現有需求。隨著工業技術的發展，特別是視覺技術方面的提高，機器人代替人工辨別水果的大小、顏色、好壞、飽滿程度已成為可能。為適應現代化工業發展，改造、提升傳統作業，利用機器人技術和自動化生產線技術設計自動化水果分級系統已成為可能。

由于機器人全自動化生產線涉及機械傳動技術，機器人控制技術，傳感器技術，PLC技術，計算機技術，以太網聯網技術等多領域學科，綜合性強，難度大，不穩定因素較多，因此，在方案設計階段，采用數字化智能工廠仿真軟件對系統部件進行三維建模，對系統流程進行運動仿真，對系統機器人進行PLC虛擬控制，不僅提高了方案的準確性，而且降低了項目風險，對實現現代化數字工廠有重要意義。

本文以油梨為例，設計油梨自動分級系統，并對該系統進行運動仿真。

1 系統設計要求

系統基于一條具備完整功能的生產線，主要由原料（水果）系統、輸送系統、分揀系統、裝箱系統、自動開箱系統、封箱系統、貼標系統、倉儲系統、碼垛系統等子系統組成，各子系統能夠單獨運作，連接處平穩過渡，相互關聯子系統之間能夠良好配合，達到系統功能要求，系統布局規劃要充分利用空間，又要合理安全。

2 總體方案規劃

2.1 機器人技術

相對傳統的人工作業和非標設備，工業機器人在可編程性、通用性、靈活性等方面具有突出優勢。傳統的非標設備研發周期長，設備功能單一，產品更換適應性差，而工業機器人只需更換末端夾具便可適應不同的產品，其優越性日益突出。本系統在傳統的輸送系統上，利用機器人技術，采用并聯機器人，關節型機器人進行協調作業。

2.2 工序流程規劃

系統總體流程從水果儲存箱開始，依次通過輸送帶由機器人分揀、裝箱打包、最后進倉碼垛，具體流程如圖1所示。

圖1 系統流程簡圖

2.3 布局及設備配置規劃

通過工序流程，將系統優化，將系統分3大模塊，分別為：（1）分揀模塊，（2）裝箱打包模塊，（3）進倉碼垛模塊。如圖2所示。

圖2 系統布局圖

3 系統建模與運動仿真

系統的仿真，由機器人及智能工廠離線編程軟件（以下稱離線編程軟件）實現，離線編程軟件具有現代工廠生產線全方位數字規劃功能，整合了物流及機器人模擬功能，可以有效地處理龐大的系統方案，具體流程如圖3所示。

圖3 仿真流程圖

3.1 三維建模

為了實現系統的三維建模，離線編程軟件集合了各設備供應商的部件庫，通過軟件現有的3D CAD數據建立三維仿真部件，具有建模簡單，建模速度快，模型功能逼真等特點。

3.2 參數設置

參數設置提供了各種傳感器、機械、機器人等設備的屬性設置，包括速度、加速度、運動序列、時間控制等屬性。各種參數能夠對系統的運行時間，動作節拍進行調整。

3.3 系統仿真

系統過程仿真包括原料（油梨）供給作業，輸送線輸送作業，機器人作業，立體倉庫作業以及其它設備作業等過程仿真。

（1）分揀模塊仿真

分揀模塊仿真過程從水果出料機開始，依次到托盤出料機、平帶輸送機，最后到并聯機器人分揀結束。為了使仿真符合真實情況，水果設定為豐滿、普通、壞三種品質，仿真軟件中以紅色、紫色、白色三種顏色代替，利用出料機屬性設置，可設置三種顏色水果出料的關系，這里設置水果出料的方式為隨機形式，并且增大紅色跟紫色果出料的概率為48%，減少白色果的出料概率為4%，以達到模擬真實情況效果。托盤盛裝水果總數為6，排列形式為3列2行。兩臺并聯機器人分別撿紅色的果和紫色的果到托盤上，白色（壞果）輸送到廢果箱（見圖4）。

圖4 分揀模塊仿真

（2）裝箱打包模塊仿真

裝箱打包模塊仿真過程從模擬自動開箱機開箱作業開始，由滾筒輸送線輸送箱子，當箱子到達推箱機構中，傳感器感應，推箱機構動作，將箱子推到裝箱臺，最終由機器人裝箱。其中，機器人裝箱第一步先將（1）中分揀完成的水果裝到箱中，再從泡沫放置臺將泡沫裝到水果的上層，至此，第一臺機器人作業完畢。裝了一層水果的箱子再次由推箱機構推送至滾筒輸送線，輸送至第二臺機器人裝箱臺上，并重復與第一臺機器人相同裝箱工序，完成第二層水果的裝箱，最后再由滾筒輸送機輸送。在離線編程軟件中，機器人的動作可由機器人底座設置參數形成，也可進行PLC實時連接控制（如圖5所示）。

圖5 裝箱打包模塊仿真

（3）進倉碼垛模塊

將上文（2）中裝箱完畢的箱子推入到封箱機，由封箱機進行封箱作業，再由貼標機進行貼標，并進入到堆垛機工作范圍，最后送進立體倉庫；為了模擬現實情況，仿真中設置立體倉庫進倉出倉數量，設置進倉5個箱子時出倉1個箱子，以此達到出倉碼垛仿真（如圖6所示）。

圖6 進倉碼垛模塊

（4）模塊綜合

將上述設計建模的模塊結合在一起，并添加適當的場景，如圍欄，電柜，工人等，至此，方案總體部分建模完畢（如圖7所示）。

圖7 模塊綜合

由于上述（1）、（2）、（3）仿真過程只是在模塊方面進行，綜合后各模塊的節拍并不一致，特別在（1）、（2）兩模塊銜接的節拍更是重要的。解決方法是：首先，設置原料出口機參數，設置每秒鐘輸送水果的數量以及輸送速度，然后依次設置輸送帶輸送速度，自動開箱機開箱速度，滾筒輸送機輸送速度，最后運行測試，從仿真結果可以看到箱子節拍跟水果分揀節拍配合效果明顯（如圖8所示）。

圖8 節拍配合圖

4 結語

通過利用機器人技術對水果自動分級系統的設計、布局規劃，并結合離線編程軟件進行仿真，實現了水果全自動分揀生產系統的設計。與傳統相比，機器人應用靈活，智能程度高，對實現數字化、自動化工廠有重要意義。另外，采用離線編程軟件能夠快速有效地進行方案建模仿真，并在方案設計的過程中，不斷地優化方案的結構布局，與傳統CAD二維設計相比，離線編程軟件實現動態布局，方案設計周期短，可視化程度高，能夠迅速根據客戶要求設計出方案，提高設計效率，對現代化設計有重要意義。

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Design and Simulation of the Automatic Fruit Grading System

LU Yong-wei
（Guangxi Vocational and Technical College， Nanning， Guangxi 530226）

Based on the automatic production line and the robotic technology， an overall program of the automatic fruit grading system is planned and designed. By adopting the digital intelligent plant simulation software combining the fusion mechanical transmission technology， virtual robot control， sensor technology and PLC programming techniques，researchers conducted a simulation design on the system. The virtual modeling of the production line and real simulation on the systemic process movement are achieved， the feasibility and reliability of scheme can be improved at the design stage， and a visual display and communication platform can be provided on the system's design.

robot； Intelligent plant simulation； Automatic system

盧勇威（1971-），男，壯族，廣西南寧市人，研究生，廣西職業技術學院副教授，研究方向：智能控制技術。

TP274+.3

A

1674-3083（2016）03-0016-04

2016-04-30

2015年度廣西教育廳課題“基于現代農業智能技術的高職機電類專業和實訓基地建設的研究與實踐”，項目編號：桂教職成〔2015〕22號，重點-1，項目主持人：李衛東。