一種盒裝食品裝箱控制系統設計與研究

李愈娜 陳銳鴻

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

裝箱是生產線最后一環[1]，也是食品出廠前的最重要包裝工序之一。裝箱機是一種將盒裝產品按一定的順序自動或半自動地裝入運輸包裝的設備，其產品有長方體、不規則體、圓狀、板狀、條狀等。盒裝食品通常指食品經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線大多是基于固定產品的裝箱，對產品尺寸有嚴格限制。葛暢等[4-5]利用伺服電機將瓶子裝入箱子，實現了瓶子的快速裝箱；陳落根等[6]以直角坐標機器人進行袋裝奶粉的裝箱；韓基偉等[7]以delta機構實現裝箱的工作空間及軌跡規劃。目前，中國的裝箱機械以機器人和專用裝箱設備為主，缺少能夠實現不同尺寸產品裝箱、快速柔性地設置的裝箱設備。食品加工廠應對客戶的需求，需要不斷地更換包裝尺寸和外包裝箱樣式，工業機器人[8-10]對于中小企業來說成本高，且需要專門的維護人員，增加了生產成本。綜上，現有的裝箱機無法在不同產品之間進行快速切換，因此未被廣泛推廣和應用。文章擬從盒裝產品的特性出發，研究如何將盒裝食品快速裝入箱子，通過開發一臺柔性的裝箱工作站，具備快速設置包裝路線、快速切換不同尺寸產品類型的柔性設置功能，且設備制造成本相對于工業機器人有更高性價比。工作站設有X軸、Y軸、旋轉軸3個自由度[11]，采用伺服電機和同步帶結構，以實現能夠快速定位到物品位置進行抓取，以及產品位置偏移、旋轉裝箱等動作，旨在提升工作站滿足不同產品的裝箱需求，滿足裝箱的快速作業。

1 裝箱工作站設計

1.1 工作站結構

裝箱工作站由傳送帶、移動平臺、箱子傳送帶、氣缸等構成(圖1)，裝箱機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械手移動，在各移動方向上分別設置前限位、后限位、原點，旋轉軸則采用齒輪傳動機構旋轉吸盤機械手。

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

1.2 系統工作流程設計

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

1.3 電氣控制系統設計

系統采用三菱FX3U系列PLC作為主控制器，Proface觸摸屏作為人機交互設備，X軸、Y軸、旋轉軸采用伺服電機系統。PLC作為工業上常用的控制器，其結構簡單，功能強大，可以快速實現工業自動化系統的搭建，是當前主流的工業控制器[12]。觸摸屏是作為操作及數據修改的人機交互系統，通過設計參數界面，用戶可以柔性地進行修改數據，查看設備運行狀態，排除設備故障。裝箱機以工作站的方式引入到生產線中，可以與生產線進行對接，并將裝好的箱子與封箱機對接，實現裝箱與封箱無縫一體化工作，從而實現裝箱的全自動化生產。電氣控制系統組成主要由PLC控制器、觸摸屏、伺服電機及其他傳感器等外圍設備組成(圖3)。

圖3 電氣控制系統組成

2 系統功能設計

2.1 系統回原點程序設計

回原點是指當機械手首次開機前，機械手的原點確認工作(見圖2)，當系統檢測到機械手未進行原點確認或伺服電機因為報警而丟失初始位置時，系統提示需要回原點，由操作者按“原點回歸”執行回原點任務：① 升降氣缸抬起；②X軸往前移動一段距離，再執行回歸原點；③ 執行Y軸原點回歸；④ 執行旋轉軸原點回歸。

2.2 機械手定位程序設計

文章設計的機械手為三軸機械手，采用點位示教的方式記錄每個點的位置，根據裝箱機的動作要求，通?？梢苑譃橐韵聨讉€點：① 原點位，也稱待機位；② 取件點上方，多個導槽擁有多個取件點上方位置；③ 抓取工件點，不同導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的循環掃描工作方式，伺服控制的方法有絕對坐標和相對坐標控制，兩者各有優點，相對坐標控制方法是在前一點的基礎上移動相對的距離，這種方法對于機器的示教要求較高，不適用于不斷變化的位置。而絕對坐標是對每次定位的坐標以原點為參考的位置進行定位的方法，文章采用絕對坐標控制方法，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指令發送給伺服驅動器，伺服驅動器根據接收到的脈沖信號進行定位，機械手到位后，反饋到位信號，方便機械手執行下一動作。

圖4 機械手絕對定位

2.3 機械手點位數據調用方法

根據PLC循環掃描工作原理，機械手每次只執行一個機械點位的定位，每次同時執行3個軸的定位，因此，為了簡化編寫程序，需將機械手的點位數據存儲于PLC的斷電保持數據寄存器中，每次根據需要將數據調用出來，傳送給D100和D106兩個32位的數據寄存器，為方便使用，采用變址尋址的方式將點位的數據調用給DDRVA指令。其程序如圖5所示，Z0是調用的變址寄存器，由于存儲的數據是32位的浮點數，占用了兩個數據寄存器，因此調用的點位數據需將點位的地址乘以2，再將位置的數據乘以轉換比例，然后求整數再賦值給D100，D100即為PLC發送的脈沖數，同樣的方法將當前點的速度也傳送給D106，由此即實現了不同點位位置和速度的調用。

圖5 機械點位變址尋址程序

點位調用數據尋址：

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 基于觸摸屏的機械點位示教設計

3.1 點位示教方法

機械手的點位示教方法與其他機器人的示教方法一致，機械手進行原點確認后，手動移動機械手后，其坐標值如圖6所示，如果當前點是所需要的點位，可以將點位當前位置輸入到相應序號的點位中，如待機位，將當前位置的坐標值輸入到3個軸的位置對話框，并進行相應的速度設置，輸入完成后可以進行當前點位的再現，選中當前點位的序號值，如待機位的01，在確保安全的情況下，點擊三軸聯動，則系統完成機械點位的再現動作。

圖6 機械手點位位置示教設置

3.2 裝箱機械手路徑規劃化

裝箱機械手需要根據裝箱的工件大小，采用不同的堆疊方法，為方便不同的產品裝箱，試驗工作站采用順序排列的點位調用裝箱動作，通過觸摸屏設置不同盒子每一層的裝箱策略，機械手路徑是通過不同的點位依次執行，完成裝箱動作。因此，每一個產品的每一層路徑都有差別，即執行的點位序列有差別。為拓展機械手的通用性，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，其最多可以執行10個點位，同時也設置了夾取點和松開點的位置。當PLC執行自動動作時，通過調用所需要的序列，機械手可以依次執行序列中的點位。

機械手點位序列自動動作測試，在確保安全的情況下，在圖7【程序調用】前數字框位置輸入所需要執行的序列，點擊【程序調用】，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行點位執行。當到達夾取點位時，機械手執行抓取動作，到達松開位置，機械手執行放件動作。

圖7 機器手程序點位排序操作界面

3.3 位置點調用及程序點調用

程序點位排序與調用是針對當前任務的點位序列串，例如：機械手的點位執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→待機位。機械手自動執行點位路線，并根據所設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計

4.1 手動程序設計

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

圖9 機械手手動操作界面

4.2 自動控制程序設計

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

圖10 自動運行畫面

4.3 電機額定轉矩計算

裝箱機的參數指標：X、Y軸水平往復運動，最大行程Lx=1 000 mm，同步帶轉動，往復運動周期T=4 s，重復定位誤差≤0.5 mm；平臺運動質量M=5.5 kg。

4.3.1 運動學計算 設加速時間為0.1 s(伺服電機一般取加速時間為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停止轉動，產生等待時間，故取V=800 mm/s，則

4.3.2 動力學計算

同步帶拉力F=Ma+f，

(7)

摩擦力f=μMg。

(8)

設導軌摩擦系數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——系統外力力矩，N·m；

η——傳動系統效率，%。

裝箱機使用同步帶進行傳送，所以轉動效率為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動慣量等因素，同時步進電機在高速時扭矩大幅下降；一般留30%～50%余量，裝箱機留50%的力矩余量和轉速余量。

則T總=4.46×1.5=6.69 N·m。

綜上，傳動輸出轉矩在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，根據每箱盒子數，裝箱時間在30 s以內。

表1 裝箱工作站食品裝箱使用數據

當前生產線上裝箱通常需要2人左右，速度為2 min/箱，而工作站將來料與封箱生產線串聯起來，通過引入自動化裝箱機能夠省去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，還提高了生產效率。裝箱工作站在成本上相對工業機器人有很大的優勢，同時采用PLC與觸摸屏設計的控制系統，工作穩定，效率高，在中小企業中具有較高的推廣價值。

6 結論

文章設計的三軸機械手裝箱工件站基于伺服控制器及數據變址的算法，能夠有效地實現不同盒裝食品的裝箱，系統對不同盒子裝箱的適應性強。在工作站投入使用前需對各個點位的數據進行示教，通過觸摸屏在程序中進行預設置，并保存到PLC數據中。當工作站自動運行時，根據點位排序依次執行機械手的各個點位流程，能夠快速有效地實現將盒裝食品裝入到相應的箱子中，從而實現盒裝食品的裝箱功能，系統操作簡單，通用性較強。試驗設計的裝箱工作站作業需要傳送帶對產品進行導向，影響其動作效率的發揮，導向傳送帶的要求也較高，后續將引入視覺引導定位抓取，實現不同姿態下的抓取，以提高工作站裝箱的智能化及更好的適用性。