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化程度及節(jié)約成本，筆者設(shè)計了一款基于PLC控制的包裝糧碼垛系統(tǒng)。該裝置采用機械手與天軌系統(tǒng)相結(jié)合的方法，使用齒輪齒條進(jìn)行傳動，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(tǒng)采用PLC與制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)控制相結(jié)合的方法，采用Socket通信協(xié)議，運用了模塊化的編程原理。結(jié)果表明：該套系統(tǒng)可以實現(xiàn)全程無人化自動運行，驗證了系統(tǒng)的可行性。該套系統(tǒng)在食品包裝領(lǐng)域具有一定的實用性和推廣性。
關(guān)鍵詞：包裝機械；碼垛；天軌系統(tǒng)；PLC控制；制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)
包裝好的糧食在出庫前需要在貨車內(nèi)碼垛后再進(jìn)行運輸，傳統(tǒng)碼垛主要依靠人工進(jìn)行，這樣不僅效率低、勞動強度大，還會給碼垛工人帶來安全隱患［1-4］。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，碼垛機器人在包裝糧碼垛應(yīng)用較為廣泛，但是當(dāng)有多條輸送線時就需要多個機器人進(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碼垛效率低、成本高、自動化程度低，以及碼垛工人安全等問題，筆者設(shè)計了一套基于PLC控制的包裝糧碼垛系統(tǒng)，該自動化系統(tǒng)集上位機制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)、PLC控制系統(tǒng)、天軌系統(tǒng)和碼垛機械手系統(tǒng)以及遠(yuǎn)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，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，以及全天無人值守，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(tǒng)采用天軌系統(tǒng)，可以節(jié)省安裝空間及降低成本［10-12］。
1結(jié)構(gòu)組成
1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
該套基于PLC控制的包裝糧碼垛系統(tǒng)主要應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域。碼垛系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括輸送線系統(tǒng)、天軌系統(tǒng)、托盤定位系統(tǒng)以及碼垛機械手系統(tǒng)。其工作原理是：當(dāng)O型輸送帶末端傳感器檢測到有箱子到位時，O型輸送帶停止運動，并且將箱子到位信號通過PLC傳輸?shù)缴衔粰CMES系統(tǒng)中；上位機MES系統(tǒng)通過與數(shù)據(jù)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(tǒng)執(zhí)行上位機MES系統(tǒng)的指令移動到相應(yīng)的輸送線上進(jìn)行碼垛操作；當(dāng)碼垛機械手完成一次碼垛操作后會將信號返回到上位機MES系統(tǒng)中，上位機MES系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中；當(dāng)上位機MES系統(tǒng)通過比對數(shù)據(jù)庫中的信息后發(fā)現(xiàn)托盤上的箱子已經(jīng)裝滿，會自動呼叫裝載小車將托盤移走，并且自動呼叫小車將空托盤放回原位。該套系統(tǒng)實現(xiàn)了從裝箱到托盤運輸完全的自動化無人值守運行。
圖1 碼垛系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
1.2系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計
碼垛系統(tǒng)裝置三視圖如圖2所示。碼垛機械手通過機械手下部的吸盤將包裝箱吸緊，將包裝箱碼垛到托盤上，托盤通過自動引導(dǎo)車(automated guided vehicle，AGV)進(jìn)行運輸，1個裝箱機械手可以同時對應(yīng)多條輸送線和多個托盤。
圖2 碼垛系統(tǒng)三視圖
1.2.1天軌系統(tǒng)
天軌的動力系統(tǒng)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個豎直導(dǎo)向輪和3個水平導(dǎo)向輪，豎直導(dǎo)向輪起到垂直方向的承重作用，水平導(dǎo)向輪在水平方向起到了定位導(dǎo)向的作用，通過調(diào)節(jié)水平導(dǎo)向輪的位置可以使碼垛機械手與天軌橫梁達(dá)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(tǒng)
碼垛機械手共有4個自由度。第1個自由度為在天軌上做橫移運動；第2個自由度是由碼垛機械手前后移動電機、齒條以及齒輪共同完成的碼垛機械手前后移動；第3個自由度是由碼垛機械手升降電機通過齒輪齒條進(jìn)行傳動，進(jìn)而帶動碼垛機械手進(jìn)行上下運動；第4個自由度是由碼垛機械手反轉(zhuǎn)電機、傳動軸以及聯(lián)軸器完成的碼垛機械手90°反轉(zhuǎn)，當(dāng)需要在箱子底部進(jìn)行噴碼時，需要使用該自由度將箱子反轉(zhuǎn)90°。在碼垛機械手的底部有8個真空吸盤，通過真空發(fā)生器為其提供吸力，將箱子吸起來。
1.2.3輸送線系統(tǒng)
輸送線系統(tǒng)通過電機、齒輪以及鏈條為其提供動力，然后通過輸送線傳動軸將動力進(jìn)行傳遞。在輸送線傳動軸上有多個輸送線導(dǎo)輪，輸送線導(dǎo)輪隨著輸送線傳動軸一起轉(zhuǎn)動，然后輸送線導(dǎo)輪通過O型輸送帶帶動輸送線上的每一根輥道進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)箱子在輸送線上的運動。
1.2.4托盤定位系統(tǒng)
托盤定位系統(tǒng)主要包括托盤支腿定位氣缸以及托盤定位傳感器。當(dāng)托盤定位傳感器檢測到有托盤進(jìn)入時，托盤支腿定位氣缸會自動的關(guān)閉，將托盤進(jìn)行固定，避免托盤在裝箱時出現(xiàn)跑位現(xiàn)象；當(dāng)收到托盤已經(jīng)裝滿箱子的信號時，托盤定位氣缸會自動打開，等待自動引導(dǎo)小車將托盤拖走。
2強度校核
2.1天軌橫梁強度校核
在天軌系統(tǒng)運行時，其下面的質(zhì)量部件包括碼垛機械手和箱子的重量會全部壓在天軌橫梁上，這就可能導(dǎo)致天軌的橫梁發(fā)生變形。當(dāng)天軌的橫梁形變超過規(guī)定值時，天軌運行時會產(chǎn)生較大的震動，易損傷機械結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致機械手定位不準(zhǔn)確［13-14］。碼垛機械手系統(tǒng)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為從動輪到天軌支撐點距離，m；B為天軌橫梁長度，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)行水平加速運動時會產(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(biāo)，m；yj為
碼垛機械手各組成部分質(zhì)心縱坐標(biāo)，m。碼垛機械手在加速上升或者下降時也會產(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(jù)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(dá)到最大，載貨臺處于最高處，將各參數(shù)帶入式(1)—式(4)，計算此時天軌橫梁的總撓度：
fd=1.86+0.05+1.23+0.04=3.18mm。
根據(jù)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］，滿足技術(shù)條件和實際使用要求。
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候會承受較大彎矩，如果承受彎矩較大會產(chǎn)生較大的形變，進(jìn)而影響碼垛機械手的定位精度，所以需要通過仿真去分析其在滿載情況下的形變量。
在進(jìn)行仿真時，首先賦予該結(jié)構(gòu)件的材料為Q235鋼。然后再添加夾具，考慮到當(dāng)其向前伸出最長時所受到的彎矩最大，并且其相關(guān)的連接件為滑塊結(jié)構(gòu)，所以在4個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(jié)構(gòu)的安全可靠，其添加力的安全系數(shù)為1.5，所以添加的力為3000N。
引拔形變仿真如圖3所示。通過仿真分析可以看出，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足使用的精度要求。引拔應(yīng)力仿真如圖4所示，其所受到的最大應(yīng)力為0.008MPa，只在滑塊與引拔連接處的前端有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，而Q235鋼的屈服應(yīng)力為235.000MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的屈服應(yīng)力，所以該引拔可以滿足使用要求。
圖3引拔形變仿真
圖4引拔應(yīng)力仿真
3碼垛控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1硬件系統(tǒng)
碼垛系統(tǒng)在整個車間系統(tǒng)中屬于較為核心的設(shè)備，運行時間長，并且其運行環(huán)境會有粉塵、振動等因素，所以這就要求其控制核心有較高的可靠性以及故障恢復(fù)能力，從而保證整個系統(tǒng)長時間穩(wěn)定地運行。綜合考慮上述因素，本設(shè)計的控制核心采用的是西門子PLC，其優(yōu)點是環(huán)境適應(yīng)性較強、可靠性高以及互換性好［15-16］?？紤]到實際中所使用到的輸入輸出點位以及設(shè)備穩(wěn)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(tǒng)進(jìn)行信號交互，然后通過數(shù)據(jù)以及邏輯的處理，對電磁閥、伺服驅(qū)動器等進(jìn)行控制，同時將設(shè)備的實時狀態(tài)在觸摸屏顯示出來。
各條輸送線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的風(fēng)險，便于故障復(fù)位。觸摸屏可以實時顯示各個自動化設(shè)備的運行狀態(tài)，并且可以對自動化設(shè)備的參數(shù)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)線進(jìn)行信號傳輸會使信號傳輸不穩(wěn)定，在本設(shè)計中采用的是無線傳輸模塊SCALANCE，可以實現(xiàn)信號穩(wěn)定的傳輸［17］。PLC控制系統(tǒng)硬件配置如圖5所示，主要包括PLC、伺服驅(qū)動器、觸摸屏、電磁閥、指示燈以及安全門鎖等。
圖5 PLC控制系統(tǒng)硬件配置
3.2控制程序流程
碼垛系統(tǒng)的主要控制是由PLC來實現(xiàn)的，其控制流程如圖6所示。首先對設(shè)備進(jìn)行檢測，如果滿足開機條件則啟動PLC進(jìn)行上電初始化，PLC上電初始化完成后開始對各個伺服電機進(jìn)行尋零，使機械復(fù)位。當(dāng)所有的機械準(zhǔn)備完成后，PLC開始向MES請求空托盤，MES接收到信號后開始呼叫小車放置空托盤，當(dāng)PLC檢測到有空托盤后，開始判斷輸送線上是否有箱子，當(dāng)檢測到輸送線上有箱子時，MES系統(tǒng)會發(fā)送指令到碼垛機械手PLC中，然后碼垛機械手移動到相應(yīng)輸送線的上方開始碼垛，碼垛機械手完成一次碼垛后會將碼垛完成指令回復(fù)到MES系統(tǒng)中，MES系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)托盤上的箱子已經(jīng)裝滿，MES系統(tǒng)會自動呼叫小車將滿托盤拖走，再呼叫空托盤到原來的工位。
圖6控制程序流程圖
4結(jié)語
系統(tǒng)通過與MES系統(tǒng)相互配合，從上空托盤、碼垛到轉(zhuǎn)運滿托盤全部流程可以實現(xiàn)無人值守，極大地提高了包裝糧碼垛系統(tǒng)的自動化程度，降低了人力、物力的使用成本。碼垛機械手通過與天軌系統(tǒng)配合使用，其運行最高速度可以達(dá)到3m/s，提高了運行效率。另外可以通過改變天軌的長度，使一個碼垛機械手對應(yīng)多條不同的包裝線，很好地解決了在碼垛過程中一條包裝線配備一個碼垛機器人的問題，這不僅節(jié)約了安裝空間，降低了安裝難度，還在很大程度上節(jié)約了使用成本。該設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用于多個項目，通過在項目中的長期跟蹤與數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明該基于PLC控制的包裝糧碼垛系統(tǒng)具有較高的推廣應(yīng)用價值。
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