一種旋轉式側向貼標機械臂的設計與研究

黃棟斐 程 明

（1.東莞市技師學院，東莞 523000；2.廣東生益科技股份有限公司，東莞 523000）

在智能制造業中，各種不干膠紙標簽的應用在產品追溯和管理中變得越來越重要。中型物件和大型物件的貼標加工中，一般采用傳統的人工貼標方式，逐個進行貼標操作。目前，人工成本越來越高，并且貼標效率低下，容易受到人為因素的影響出現漏貼、錯貼、貼標歪斜及褶皺等問題?；谶@些問題，設計開發一種結構精巧、應用靈活、操作簡單、運行穩定、性價比高的自動化貼標機械臂[1]。

1 總體方案

如圖1 所示，傳統貼標采用人工貼標方式，要求貼標部位在紙箱側面，貼標效率較低，且容易出現漏貼、錯貼等問題。為此，設計一款操作便捷的旋轉式貼標機械臂。將貼標機安裝在標簽打印機前端，在機械臂上設計一個蜂窩狀的吸盤，利用壓縮空氣實現對各種規格標簽的吸取。貼標機在獲取外部信號后，如傳送帶上紙箱到位或接近到位的信號，通過機械臂將信號發送給標簽打印機打印相應的標簽。吸盤抓取標簽后，利用旋轉氣缸和直線氣缸完成標簽90°的位置調整。通過解讀標簽打印機的輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口信號，選擇可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制板作為機械臂的控制系統，實現機械臂與貼標機的信號交互。對于生產線維護人員來說，一方面PLC 程序易讀易改，可以實現設備的獨立運行；另一方面，PLC 系統可以很方便地接入整個產線。當貼標完成和下一個產品到達兩個信號同時有效時，可進行下一個貼標流程，如圖2 所示。

圖1 傳統貼標示意圖

圖2 貼標流程

2 硬件設計

貼標機械臂包括基板、吹標吸標組件、直線氣缸和擺動氣缸等，如圖3 所示。擺動氣缸裝于基板，其輸出端通過安裝件與直線氣缸傳動連接，直線氣缸的輸出端通過連接件與吸標組件傳動連接[2]。直線氣缸驅動吸標組件在豎直方向伸縮，擺動氣缸驅動吸標組件來回旋轉，實現了吸標組件的取標與貼標動作，進而完成對物件的自動側向貼標操作。

圖3 貼標機械臂結構構成

在生產實際中，如果通過拆裝吸盤切換標簽的尺寸，將會對生產線工人提出較高的要求。大標簽比較容易實現吸標操作，而小標簽尤其是尺寸小于10 mm×10 mm 的標簽，完成吸標難度較大。為了適應不同尺寸的標簽，在標簽吸盤的設計上巧妙采用大面積的吸孔，可以根據標簽的大小利用透明膠等封堵多余吸孔，達到柔性吸標的目的。

現對吸標和貼標動作進行仿真分析。吹標噴頭向上吹標簽打印機打印出來的標簽，使標簽緊貼標簽吸盤。貼標機吸盤吸附標簽，并通過擺動氣缸將標簽旋轉90°后進行貼標。此貼標機械臂可以應用于各種流水產線。吸標貼標動作分解，如圖4 所示。吸標貼標組件，如圖5 所示。

圖4 吸標貼標動作分解

圖5 吸標貼標組件

3 氣動系統設計

氣動系統主要由氣源、電磁閥、單向節流閥、吸盤、真空發生器和傳感器等組成。氣缸采用排氣節流的方式控制運行速度，保證在貼標過程中動作平穩。為了保證吸標的可靠性，真空發生器中單獨配置了空氣過濾器和真空壓力開關。氣動系統原理，如圖6 所示。文章以垂直氣缸為例介紹氣動元件的選型。

圖6 氣動系統原理圖

3.1 氣缸行程選擇

垂直氣缸的作用是將吸盤上的標簽壓貼在紙箱上，考慮貼標機械臂的安裝位置距離傳送帶紙箱250 mm，實際有效工作行程應大于該值才能確保貼標機械臂正常取標和貼標。通過查詢SMC 公司提供的氣缸圓整數值，選擇行程為300 mm 的氣缸。

3.2 氣缸缸徑選擇

吸標、貼標組件裝置質量為0.7 kg，氣缸推動組件在滑動導軌上的運動摩擦因子為0.25，計算可得氣缸的軸向負載為1.715 N?？紤]貼標中要克服貼標組件中彈簧的阻力，負載最終取值應為32 N。

由于氣缸運行速度不快，伸出時間約為2 s，則垂直氣缸的速度為100 mm·s-1。氣缸負載率β的選取與氣缸的負載性能及氣缸的運動速度有關，根據氣缸運行速度選定β=0.5，由此可計算出氣缸的理論輸出力為64 N。

在0.5 MPa 的工作壓強下，根據相關公式可以計算出缸徑為12.76 mm，查表選擇氣缸缸徑為16 mm。最終確定垂直氣缸的型號為SMC 公司的CDJ2B16-300Z。通常貼標速度要求達到每分鐘60 件，因此在設計氣動結構時，應通過簡化氣缸動作、增強氣缸支架結構來提升氣缸在快速運動中的可靠性。

4 控制系統設計

4.1 硬件設計

由于貼標機械臂的控制流程比較簡單，為了控制成本，實現設備小型化，控制器采用板式PLC 工控板，兼容三菱PLC 的編程軟件和指令。該控制系統可靠性高、功耗小、抗干擾能力強、程序開發周期短且容易操作，方便日后工作人員對設備進行維修維護。自動貼標機械臂不是孤立存在的自動化生產設備，而是工廠和企業產線中的一個環節或一個部分，因此要實現其與打印機、傳送帶、工業機器人等其他設備的信息交互，必須配備相應的通信接口[3]。PLC 與標簽打印機I/O 接口進行信號交互，接口形式如圖7 所示，包括貼標啟動、旋轉功能、流水線啟?？刂坪吐暪鈭缶炔糠?。

圖7 標簽打印機I/O 接口

4.2 程序設計

貼標機的貼標速度與程序的優化有很大關系，因此在程序設計過程中要考慮設備之間氣動系統動作等的提前量，設備運行的節拍動作要做到嚴絲合縫，以提高效率[4]。電源開啟后，PLC 控制系統初始化，包括計數器初始化、相關變量初始化、中斷初始化及報警信息清除等[5]。在PLC 啟動后延時0.5 s，保證PLC 系統完成初始化后才正式啟動程序，防止設備誤動作。

初始化完成后，系統等待檢測被貼物傳感器的輸入信號。當檢測到被貼物時，貼標啟動，打印機根據計算機中設定的標簽開始打印，貼標機械臂吸取標簽。系統通過真空檢測傳感器判斷標簽是否被正確吸取，確認無誤后擺動氣缸帶動吸盤和標簽旋轉到設定好的角度。主氣缸執行伸出動作，完成貼標，機械臂復位等待下一個貼標信號。

PLC 控制系統和標簽打印機是兩個獨立的控制系統，系統之間的信號交互需要留有一定的響應時間。例如，標簽打印機將打印完成的信號傳送給貼標機，這時貼標機不能立即執行吹標和吸標的動作，因為標簽在送出打印機到達標簽剝離位置還需要一定的時間。標簽檢測和報警程序，如圖8 所示。傳感器信號X010用于判斷標簽是否已經到達剝離位置，如果打印機完成打印，但是剝離位置的標簽沒有在規定時間內到達，系統會通過定時器T0 報警。

圖8 標簽檢測和報警程序

5 結語

旋轉擺臂式貼標機械臂通過簡單的氣動執行元件、巧妙的機械設計以及合理的控制系統，有效提升了包裝流水線的自動化程度，提高了貼標效率，減少了漏貼等現象。該裝置既可手動操作又可自動操作，適用性較強，實現了自動化產線的側向貼標加工，能夠滿足工程需要。