趙云濤，徐建佳，吳凱弟

（1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.武漢海默機器人有限公司，武漢 430000）

0 引言

近年來，世界各國的酸奶市場均有較大程度的增長，中國酸奶市場增長率繼續(xù)領(lǐng)跑全球[1]。分揀和裝箱工序是連杯酸奶生產(chǎn)的最后一道工序，在日常生產(chǎn)中由人工完成。生產(chǎn)人員工作內(nèi)容包含產(chǎn)品日期有無檢測和重量檢測，產(chǎn)品人工裝箱及碼垛。按連杯酸奶每組1kg計算，每箱重量9kg，存在勞動強度大，生產(chǎn)效率低，影響了整個酸奶生產(chǎn)線的效率，嚴(yán)重制約生產(chǎn)產(chǎn)能。同時，生產(chǎn)過程中日期和重量的檢測由裝箱碼垛人員兼顧完成且容易出現(xiàn)視覺疲勞，容易出現(xiàn)漏檢和誤判從而導(dǎo)致不良產(chǎn)品流入市場。

為達(dá)到 “減員、增效、提質(zhì)、保安全”目標(biāo)，采用“機器換人”是重要途徑[2～4]。本文設(shè)計開發(fā)了連杯酸奶自動分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過工業(yè)機器人替代人工實現(xiàn)連杯酸奶分揀裝箱和碼垛，減小勞動強度。運用機器視覺檢測生產(chǎn)日期和在線實時動態(tài)稱重機構(gòu)檢測產(chǎn)品重量，大大提高檢測的準(zhǔn)確性和效率，杜絕沒有生產(chǎn)日期和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)產(chǎn)品流入市場。在提升企業(yè)生產(chǎn)效率同時，也提升了出貨良品率，有效解決了以往人工操作所存在的問題。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

連杯酸奶的自動分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)三維總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由雙層輸送線、視覺缺陷檢測機構(gòu)、物料排序機構(gòu)、動態(tài)稱重機構(gòu)、紙箱定位機構(gòu)、NG料剔除機構(gòu)、滿箱輸送線、裝箱機器人、碼垛機器人等組成。

圖1 自動分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)三維總體結(jié)構(gòu)

雙層輸送線負(fù)責(zé)輸送連杯酸奶和空紙箱。滿箱輸送線負(fù)責(zé)將裝滿后的紙箱輸送至碼垛工位。視覺缺陷檢測機構(gòu)和動態(tài)稱重機構(gòu)分別負(fù)責(zé)在輸送過程中對日期有無檢測和采用動態(tài)稱重機構(gòu)對連杯酸奶重量檢測。物料排序機構(gòu)負(fù)責(zé)將連杯酸奶進(jìn)行校正，使其朝向輸送方向。紙箱定位機構(gòu)負(fù)責(zé)將空紙箱從雙層輸送線的下層皮帶線推送至滿箱輸送線的裝箱工位。NG料剔除機構(gòu)負(fù)責(zé)將NG產(chǎn)品，剔除至專門的NG料箱。裝箱機器人和碼垛機器人分別負(fù)責(zé)將三組連杯酸奶同時放置到紙箱，以及將滿箱后的紙箱抓至棧板上并碼垛整齊。

系統(tǒng)主要工序動作為：連杯酸奶經(jīng)過裹包插管后，經(jīng)過雙層輸送線的上層皮帶線輸送至裝箱等待位。輸送途中經(jīng)過物料排序機構(gòu)校正方向，并經(jīng)視覺檢測和重量檢測。沒有生產(chǎn)日期和重量不達(dá)標(biāo)的NG產(chǎn)品，經(jīng)NG料剔除機構(gòu)，剔除至專門的NG料箱中，待人工統(tǒng)一處理?？占埾浣?jīng)過雙層輸送線的下層皮帶輸送線，到達(dá)紙箱定位機構(gòu)，并經(jīng)其推送至裝箱位。當(dāng)空紙箱和3組連杯酸奶到位后，裝箱機器人開始裝箱。將9組連杯酸奶裝箱完畢后，經(jīng)過滿箱輸送線到達(dá)碼垛工位，由碼垛機器人將滿箱后的產(chǎn)品在棧板上碼垛整齊，再由轉(zhuǎn)運工人將其轉(zhuǎn)運到倉庫。圖2為自動分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)的工藝流程圖。

圖2 工藝流程圖

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 輸送線及關(guān)聯(lián)機構(gòu)

本系統(tǒng)需要在狹小的空間內(nèi)，快速完成連杯酸奶方向校正、NG料檢測、連杯酸奶定位、空箱推送、滿箱運輸?shù)裙δ埽鐖D3所示。

圖3 輸送線及關(guān)聯(lián)機構(gòu)

雙層輸送線上層皮帶線共分為三段。其中第一段為物料過渡段，采用低速設(shè)計，保證物料排序機構(gòu)校正連杯酸奶時可控而不至于傾斜跑偏現(xiàn)象；第二段為高速輸送段，用于將相鄰連杯酸奶的間距拉開距離，避免稱重誤差；第三段輸送線設(shè)置稱重機構(gòu)。該廠酸奶生產(chǎn)效率要求1件/s，靜態(tài)稱重系統(tǒng)不能滿足效率要求，因需要等待物料平穩(wěn)后并有1S～2S的穩(wěn)定時間，才可以準(zhǔn)確的讀取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用動態(tài)稱重系統(tǒng)，在皮帶運轉(zhuǎn)時對連杯酸奶進(jìn)行動態(tài)的稱重，實現(xiàn)不停機檢測，大大提高運行效率。此外，第三段輸送線線速度與第二段匹配，避免因物料速度變化而產(chǎn)生慣性，進(jìn)而影響稱重精度。

為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿箱輸送線的裝箱工位在兩個方向設(shè)置固定擋板和另外兩個方向設(shè)置推動氣缸。當(dāng)空紙箱到達(dá)裝箱工位后，從四個方向?qū)⒖占埾涠ㄎ?，且定位位置均安裝有檢測傳感器。若空紙箱未到達(dá)設(shè)定位置，系統(tǒng)會發(fā)生報警并停機。從而確保裝箱時的位置唯一性，進(jìn)而提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

2.2 裝箱機器人

當(dāng)3組連杯酸奶到達(dá)裝箱等待位后，機器人收到信號，根據(jù)設(shè)定好的路徑進(jìn)行裝箱工作。工作時通過機器人末端夾具（真空吸盤組）準(zhǔn)確抓取物料。裝箱機器人由六軸關(guān)節(jié)機器人、機器人底座、真空吸盤組、真空回路及檢測裝置等構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 裝箱機器人三維圖

為保證所有吸盤均能較好的貼合，選用多層風(fēng)琴吸盤且吸盤抓取面低于正常面，使得吸盤具有較大的壓縮量。設(shè)計4個φ30吸盤對應(yīng)每組連杯酸奶（重量為1kg），每個吸盤可抓取重量為3.5kg。4個吸盤只要有1～2個吸盤吸住連杯酸奶，便不會存在抓取不牢問題。同時安裝有真空壓力傳感器，可以實時監(jiān)控吸盤組狀態(tài)，確認(rèn)物料抓取是否牢靠。當(dāng)出現(xiàn)散脫情況，系統(tǒng)及時停止并發(fā)出報警信號，直到操作人員將警報解除。

2.3 碼垛機器人

滿箱產(chǎn)品到達(dá)碼垛工位后，機器人開始抓取紙箱，將紙箱依次進(jìn)行擺放碼垛。當(dāng)棧板A碼垛完成后，系統(tǒng)發(fā)出滿跺信號，并自動切換到棧板B開始碼垛。若沒有放置空棧板，系統(tǒng)會發(fā)出警報，提醒放置棧板。圖5碼垛機器人由四軸機器人、夾爪、機器人底座、棧板組及棧板檢測報警系統(tǒng)組成。

圖5 碼垛機器人三維圖

因連杯酸奶轉(zhuǎn)運紙箱為無上蓋紙箱，無法從上端面吸取且從兩側(cè)夾取時也易使箱體變形。而且奶制品在碼垛時不易重摔，否則會造成外包裝破損，因此，本系統(tǒng)采用拖底式夾爪。碼垛機器人夾爪為組合型夾具，分為可移動防滑夾板和掛鉤，如圖6所示，其中掛鉤安裝在可移動夾板上，可隨夾板一起動作。

圖6 碼垛機器人夾爪三維圖

夾爪采用2組雙缸雙桿氣缸，能同時抓取兩箱產(chǎn)品。夾爪設(shè)置有檢測物料傳感器，監(jiān)控紙箱是否準(zhǔn)確抓取。通過在氣缸增加緩沖裝置，保證抓取過程不傷害到箱體。紙箱到達(dá)碼垛工位時掛鉤放下，通過夾板將紙箱定位夾緊。搬運時掛鉤和夾板同時工作，防止機器人快速運動時紙箱脫落。到達(dá)碼垛位正上方時掛鉤打開，物料在夾板夾持下緩慢下降，完成碼垛。

2.4 視覺缺陷檢測

通過機器視覺對生產(chǎn)日期檢測已取得成功應(yīng)用[5,6]，本文視覺檢測系統(tǒng)由相機（130萬黑白，30幀）、鏡頭（12mm）、環(huán)形光源、控制器和支架構(gòu)成。利用視覺算法實現(xiàn)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)日期噴印的缺陷檢測、有無檢測、位置檢測、重疊檢測。檢測速度可達(dá)到50件/min，能夠快速、準(zhǔn)確地判斷生產(chǎn)日期是否存在異常，并及時剔除問題商品。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)選用西門子S7-1200作為控制器，PLC控制器是整個控制系統(tǒng)的核心[7]。系統(tǒng)具有自動控制、檢測、保護(hù)、報警等功能。此外，機器人控制柜、示教盒、操作盤上設(shè)有急停按鈕，在系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時可通過按下急停按鈕來實現(xiàn)系統(tǒng)急停并同時發(fā)出報警信號。PLC通過I/O模塊連接口與擴展模塊直接相連。PLC及其擴展模塊I/O分配表如表1所示。觸摸屏作為一種便捷的人機交互方式，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛使用[8]。本系統(tǒng)的生產(chǎn)狀態(tài)顯示，以及啟動、停止、暫停、急停等運轉(zhuǎn)方式均通過觸摸屏實現(xiàn)。

表1

系統(tǒng)通過PLC與機器人、視覺系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)智能化操作以及自動分揀裝箱和碼垛功能，并能及時發(fā)出物料空缺報警，滿跺報警等。系統(tǒng)具有手動操作模式和自動運行模式，可以通過觸摸屏進(jìn)行模式切換。根據(jù)連杯酸奶自動分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)的工作過程，其主程序流程圖如圖7所示。

圖7 PLC主程序流程圖

4 結(jié)語

針對連杯酸奶人工裝箱碼垛時存在的勞動強度大、生產(chǎn)效率低且易出質(zhì)量事故等問題，設(shè)計和開發(fā)了連杯酸奶自動分揀裝箱與碼垛一體化系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明，按8小時工作制，所設(shè)計的一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工裝箱碼垛對比，每天比人工生產(chǎn)18.1噸多4.5噸，產(chǎn)能提升25%，明顯提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。且系統(tǒng)運行可靠，不存在連杯酸奶最終產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷，適用于酸奶的大批量生產(chǎn)，有效提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。