商志全，張乾坤，段文軍，范國臣，郭慶彬
（北京環(huán)境強度研究所，北京100076）
摘要：為了提高包裝糧碼垛的自動(dòng)化程度及節約成本，筆者設計了一款基于PLC控制的包裝糧碼垛系統。該裝置采用機械手與天軌系統相結合的方法，使用齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)，采用仿真分析與公式計算對天軌橫梁進(jìn)行強度校核；控制系統采用PLC與制造執行系統(manufacturing execution system，MES)控制相結合的方法，采用Socket通信協(xié)議，運用了模塊化的編程原理。結果表明：該套系統可以實(shí)現全程無(wú)人化自動(dòng)運行，驗證了系統的可行性。該套系統在食品包裝領(lǐng)域具有一定的實(shí)用性和推廣性。
關(guān)鍵詞：包裝機械；碼垛；天軌系統；PLC控制；制造執行系統(MES)
包裝好的糧食在出庫前需要在貨車(chē)內碼垛后再進(jìn)行運輸，傳統碼垛主要依靠人工進(jìn)行，這樣不僅效率低、勞動(dòng)強度大，還會(huì )給碼垛工人帶來(lái)安全隱患［1-4］。隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，碼垛機器人在包裝糧碼垛應用較為廣泛，但是當有多條輸送線(xiàn)時(shí)就需要多個(gè)機器人進(jìn)行碼垛，這就大大增加了使用成本［5-7］。為了解決包裝糧在出庫時(shí)碼垛效率低、成本高、自動(dòng)化程度低，以及碼垛工人安全等問(wèn)題，筆者設計了一套基于PLC控制的包裝糧碼垛系統，該自動(dòng)化系統集上位機制造執行系統(manufacturing execution system，MES)、PLC控制系統、天軌系統和碼垛機械手系統以及遠程通信技術(shù)于一體，不僅可以降低使用成本、提高工作效率，還可以實(shí)現遠程操控，以及全天無(wú)人值守，大大改善了碼垛工人的工作環(huán)境以及安全性［8-9］。另外，該套包裝糧碼垛系統采用天軌系統，可以節省安裝空間及降低成本［10-12］。
1結構組成
1.1系統總體結構設計
該套基于PLC控制的包裝糧碼垛系統主要應用于食品包裝領(lǐng)域。碼垛系統總體結構如圖1所示，系統主要包括輸送線(xiàn)系統、天軌系統、托盤(pán)定位系統以及碼垛機械手系統。其工作原理是：當O型輸送帶末端傳感器檢測到有箱子到位時(shí)，O型輸送帶停止運動(dòng)，并且將箱子到位信號通過(guò)PLC傳輸到上位機MES系統中；上位機MES系統通過(guò)與數據庫存儲的信息進(jìn)行比對，將碼垛指令發(fā)送到碼垛機械手PLC中，然后碼垛機械手系統執行上位機MES系統的指令移動(dòng)到相應的輸送線(xiàn)上進(jìn)行碼垛操作；當碼垛機械手完成一次碼垛操作后會(huì )將信號返回到上位機MES系統中，上位機MES系統將數據存儲到數據庫中；當上位機MES系統通過(guò)比對數據庫中的信息后發(fā)現托盤(pán)上的箱子已經(jīng)裝滿(mǎn)，會(huì )自動(dòng)呼叫裝載小車(chē)將托盤(pán)移走，并且自動(dòng)呼叫小車(chē)將空托盤(pán)放回原位。該套系統實(shí)現了從裝箱到托盤(pán)運輸完全的自動(dòng)化無(wú)人值守運行。
圖1 碼垛系統總體結構
1.2系統詳細結構設計
碼垛系統裝置三視圖如圖2所示。碼垛機械手通過(guò)機械手下部的吸盤(pán)將包裝箱吸緊，將包裝箱碼垛到托盤(pán)上，托盤(pán)通過(guò)自動(dòng)引導車(chē)(automated guided vehicle，AGV)進(jìn)行運輸，1個(gè)裝箱機械手可以同時(shí)對應多條輸送線(xiàn)和多個(gè)托盤(pán)。
圖2 碼垛系統三視圖
1.2.1天軌系統
天軌的動(dòng)力系統由天軌橫移電機、天軌齒輪和天軌橫移齒條組成。在天軌左、右兩邊各有3個(gè)豎直導向輪和3個(gè)水平導向輪，豎直導向輪起到垂直方向的承重作用，水平導向輪在水平方向起到了定位導向的作用，通過(guò)調節水平導向輪的位置可以使碼垛機械手與天軌橫梁達到垂直狀態(tài)，從而保證碼垛機械手的定位精度。
1.2.2碼垛機械手系統
碼垛機械手共有4個(gè)自由度。第1個(gè)自由度為在天軌上做橫移運動(dòng)；第2個(gè)自由度是由碼垛機械手前后移動(dòng)電機、齒條以及齒輪共同完成的碼垛機械手前后移動(dòng)；第3個(gè)自由度是由碼垛機械手升降電機通過(guò)齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)碼垛機械手進(jìn)行上下運動(dòng)；第4個(gè)自由度是由碼垛機械手反轉電機、傳動(dòng)軸以及聯(lián)軸器完成的碼垛機械手90°反轉，當需要在箱子底部進(jìn)行噴碼時(shí)，需要使用該自由度將箱子反轉90°。在碼垛機械手的底部有8個(gè)真空吸盤(pán)，通過(guò)真空發(fā)生器為其提供吸力，將箱子吸起來(lái)。
1.2.3輸送線(xiàn)系統
輸送線(xiàn)系統通過(guò)電機、齒輪以及鏈條為其提供動(dòng)力，然后通過(guò)輸送線(xiàn)傳動(dòng)軸將動(dòng)力進(jìn)行傳遞。在輸送線(xiàn)傳動(dòng)軸上有多個(gè)輸送線(xiàn)導輪，輸送線(xiàn)導輪隨著(zhù)輸送線(xiàn)傳動(dòng)軸一起轉動(dòng)，然后輸送線(xiàn)導輪通過(guò)O型輸送帶帶動(dòng)輸送線(xiàn)上的每一根輥道進(jìn)行轉動(dòng)，實(shí)現箱子在輸送線(xiàn)上的運動(dòng)。
1.2.4托盤(pán)定位系統
托盤(pán)定位系統主要包括托盤(pán)支腿定位氣缸以及托盤(pán)定位傳感器。當托盤(pán)定位傳感器檢測到有托盤(pán)進(jìn)入時(shí)，托盤(pán)支腿定位氣缸會(huì )自動(dòng)的關(guān)閉，將托盤(pán)進(jìn)行固定，避免托盤(pán)在裝箱時(shí)出現跑位現象；當收到托盤(pán)已經(jīng)裝滿(mǎn)箱子的信號時(shí)，托盤(pán)定位氣缸會(huì )自動(dòng)打開(kāi)，等待自動(dòng)引導小車(chē)將托盤(pán)拖走。
2強度校核
2.1天軌橫梁強度校核
在天軌系統運行時(shí)，其下面的質(zhì)量部件包括碼垛機械手和箱子的重量會(huì )全部壓在天軌橫梁上，這就可能導致天軌的橫梁發(fā)生變形。當天軌的橫梁形變超過(guò)規定值時(shí)，天軌運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的震動(dòng)，易損傷機械結構，并導致機械手定位不準確［13-14］。碼垛機械手系統天軌橫梁的撓度為：
（1）
式中: mj 為碼垛機械手各組成部分的質(zhì)量，kg; m0 為橫梁自身質(zhì)量，kg；Ed為天軌橫梁的彈性模量，GPa；Id為天軌橫梁截面慣性矩，m4；F為各部件總重量，N；B1為從動(dòng)輪到天軌支撐點(diǎn)距離，m；B為天軌橫梁長(cháng)度，m；g為重力加速度，g取9.81m/s2。
天軌橫梁自身的質(zhì)量也會(huì )對天軌的撓度產(chǎn)生影響，其自身質(zhì)量用均布質(zhì)量為q1，則天軌自身質(zhì)量對天軌橫梁撓度為：
（2）
式中，q1為天軌橫梁均布質(zhì)量，kg/m。
天軌下端機械手在進(jìn)行水平加速運動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生慣性力，進(jìn)而對天軌橫梁產(chǎn)生力矩使其發(fā)生形變，其對天軌橫梁撓度為：
（3）
式中：aH為機械手水平加速度，m/s2；y0為橫梁質(zhì)心縱坐標，m；yj為
碼垛機械手各組成部分質(zhì)心縱坐標，m。碼垛機械手在加速上升或者下降時(shí)也會(huì )產(chǎn)生慣性力，進(jìn)而使天軌產(chǎn)生形變，其對天軌橫梁撓度為：
（4）
式中，av為機械手升降加速度，m/s2。
根據撓度的疊加原理可以計算出天軌橫梁的總撓度為：
（5）
q1=220.34kg/m，天軌橫梁所使用的材料為Q235B，其彈性模量Ed=210GPa，B=3.500m，B1=0.625m，水平行走加速度和載貨臺升降加速度達到最大，載貨臺處于最高處，將各參數帶入式(1)—式(4)，計算此時(shí)天軌橫梁的總撓度：
fd=1.86+0.05+1.23+0.04=3.18mm。
根據天軌碼垛運行技術(shù)條件，天軌橫梁水平彎曲［fd］=B/1000=3.50mm，而fd=3.18＜［fd］，滿(mǎn)足技術(shù)條件和實(shí)際使用要求。
2.2引拔強度仿真分析
引拔作為碼垛機械手的支撐橫梁，在碼垛機械手工作的時(shí)候會(huì )承受較大彎矩，如果承受彎矩較大會(huì )產(chǎn)生較大的形變，進(jìn)而影響碼垛機械手的定位精度，所以需要通過(guò)仿真去分析其在滿(mǎn)載情況下的形變量。
在進(jìn)行仿真時(shí)，首先賦予該結構件的材料為Q235鋼。然后再添加夾具，考慮到當其向前伸出最長(cháng)時(shí)所受到的彎矩最大，并且其相關(guān)的連接件為滑塊結構，所以在4個(gè)滑塊上分別添加夾具。最后在引拔的最前端添加垂直向下的力，為了保證機械結構的安全可靠，其添加力的安全系數為1.5，所以添加的力為3000N。
引拔形變仿真如圖3所示。通過(guò)仿真分析可以看出，在引拔的前端發(fā)生的形變量最大為0.1518mm，其形變量可以很好地滿(mǎn)足使用的精度要求。引拔應力仿真如圖4所示，其所受到的最大應力為0.008MPa，只在滑塊與引拔連接處的前端有應力集中的現象，而Q235鋼的屈服應力為235.000MPa，最大應力遠遠小于該材料的屈服應力，所以該引拔可以滿(mǎn)足使用要求。
圖3引拔形變仿真
圖4引拔應力仿真
3碼垛控制系統設計
3.1硬件系統
碼垛系統在整個(gè)車(chē)間系統中屬于較為核心的設備，運行時(shí)間長(cháng)，并且其運行環(huán)境會(huì )有粉塵、振動(dòng)等因素，所以這就要求其控制核心有較高的可靠性以及故障恢復能力，從而保證整個(gè)系統長(cháng)時(shí)間穩定地運行。綜合考慮上述因素，本設計的控制核心采用的是西門(mén)子PLC，其優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應性較強、可靠性高以及互換性好［15-16］?？紤]到實(shí)際中所使用到的輸入輸出點(diǎn)位以及設備穩定性，選擇某品牌S7-1200型號的PLC，該PLC采用Socket通信協(xié)議與MES系統進(jìn)行信號交互，然后通過(guò)數據以及邏輯的處理，對電磁閥、伺服驅動(dòng)器等進(jìn)行控制，同時(shí)將設備的實(shí)時(shí)狀態(tài)在觸摸屏顯示出來(lái)。
各條輸送線(xiàn)以及碼垛機械手均采用模塊化的控制思想，采用獨立的PLC以及觸摸屏進(jìn)行控制，這樣可以減少程序之間的耦合性，降低控制器故障帶來(lái)的風(fēng)險，便于故障復位。觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)自動(dòng)化設備的運行狀態(tài)，并且可以對自動(dòng)化設備的參數進(jìn)行修改，可以更好地進(jìn)行人機交互。碼垛機械手在天軌上運行，采用網(wǎng)線(xiàn)進(jìn)行信號傳輸會(huì )使信號傳輸不穩定，在本設計中采用的是無(wú)線(xiàn)傳輸模塊SCALANCE，可以實(shí)現信號穩定的傳輸［17］。PLC控制系統硬件配置如圖5所示，主要包括PLC、伺服驅動(dòng)器、觸摸屏、電磁閥、指示燈以及安全門(mén)鎖等。
圖5 PLC控制系統硬件配置
3.2控制程序流程
碼垛系統的主要控制是由PLC來(lái)實(shí)現的，其控制流程如圖6所示。首先對設備進(jìn)行檢測，如果滿(mǎn)足開(kāi)機條件則啟動(dòng)PLC進(jìn)行上電初始化，PLC上電初始化完成后開(kāi)始對各個(gè)伺服電機進(jìn)行尋零，使機械復位。當所有的機械準備完成后，PLC開(kāi)始向MES請求空托盤(pán)，MES接收到信號后開(kāi)始呼叫小車(chē)放置空托盤(pán)，當PLC檢測到有空托盤(pán)后，開(kāi)始判斷輸送線(xiàn)上是否有箱子，當檢測到輸送線(xiàn)上有箱子時(shí)，MES系統會(huì )發(fā)送指令到碼垛機械手PLC中，然后碼垛機械手移動(dòng)到相應輸送線(xiàn)的上方開(kāi)始碼垛，碼垛機械手完成一次碼垛后會(huì )將碼垛完成指令回復到MES系統中，MES系統將數據存儲到相應的數據庫中。當托盤(pán)上的箱子已經(jīng)裝滿(mǎn)，MES系統會(huì )自動(dòng)呼叫小車(chē)將滿(mǎn)托盤(pán)拖走，再呼叫空托盤(pán)到原來(lái)的工位。
圖6控制程序流程圖
4結語(yǔ)
系統通過(guò)與MES系統相互配合，從上空托盤(pán)、碼垛到轉運滿(mǎn)托盤(pán)全部流程可以實(shí)現無(wú)人值守，極大地提高了包裝糧碼垛系統的自動(dòng)化程度，降低了人力、物力的使用成本。碼垛機械手通過(guò)與天軌系統配合使用，其運行最高速度可以達到3m/s，提高了運行效率。另外可以通過(guò)改變天軌的長(cháng)度，使一個(gè)碼垛機械手對應多條不同的包裝線(xiàn)，很好地解決了在碼垛過(guò)程中一條包裝線(xiàn)配備一個(gè)碼垛機器人的問(wèn)題，這不僅節約了安裝空間，降低了安裝難度，還在很大程度上節約了使用成本。該設計已經(jīng)應用于多個(gè)項目，通過(guò)在項目中的長(cháng)期跟蹤與數據統計表明該基于PLC控制的包裝糧碼垛系統具有較高的推廣應用價(jià)值。
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