張志遠(yuǎn)，畢海深，趙寶光

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

一種全自動(dòng)軟袋物料再包裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

張志遠(yuǎn)，畢海深，趙寶光

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

軟袋包裝廣泛應(yīng)用于食品、化工、調(diào)味料、飼料添加劑、醫(yī)藥等，其包裝形式深受用戶喜愛。軟袋包裝是指采用柔性包裝材料制成的包裝袋，并充填流動(dòng)性或半流動(dòng)性物料的包裝形式[1,2]。目前，在食品、醫(yī)藥等生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)軟袋物料的識(shí)別、包裝、貼標(biāo)等單一工位自動(dòng)化水平較高，但整體自動(dòng)化水平較低。因此，為便于對(duì)物料的實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控，防止物料信息混亂和錯(cuò)誤貼標(biāo)，減少生產(chǎn)過(guò)程中人為污染源的加入，設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)的軟袋物料上、下料、在線識(shí)別打印、貼標(biāo)及包裝系統(tǒng)對(duì)于提高生產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，本文設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)軟袋物料再包裝生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)將軟袋物料自動(dòng)上料并在線識(shí)別物料具體信息，然后將軟袋物料信息實(shí)時(shí)打印并自動(dòng)貼于物料上，再將貼標(biāo)后的物料進(jìn)行自動(dòng)包裝為枕形袋，最后根據(jù)物料信息由自動(dòng)下料系統(tǒng)將物料按類按序自動(dòng)下料。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析最終確定系統(tǒng)流程如圖1所示。系統(tǒng)由上料部分、信息識(shí)別部分、打印貼標(biāo)部分、包裝部分及下料部分組成。

上料部分：由抓取和整形兩部分組成，抓取部分將位于料筐中的軟袋物料按序逐袋抓取放置于傳送帶上指定位置。由于軟袋易變形，且抓取后放于傳送帶上位置不固定，因此，設(shè)置整形部分，將物料進(jìn)行上下、左右及前后整形，保證包裝物料位于上料工位初始位置處。

信息識(shí)別部分：分為兩次識(shí)別，一次識(shí)別在線識(shí)別物料初始信息，通過(guò)讀取物料原始標(biāo)簽碼實(shí)現(xiàn)；二次識(shí)別為識(shí)別物料在線實(shí)時(shí)貼標(biāo)信息，通過(guò)讀取新貼標(biāo)簽信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，保證貼標(biāo)正確。

打印貼標(biāo)部分：分為打印和貼標(biāo)兩部分，打印部分根據(jù)讀取到的物料原始標(biāo)簽信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢獲得物料的具體信息，生成按要求制定的標(biāo)簽并由工業(yè)打印機(jī)在線實(shí)時(shí)打印出來(lái)并由吸標(biāo)手吸住標(biāo)簽。待物料經(jīng)傳送帶運(yùn)行至貼標(biāo)手下方時(shí)，貼標(biāo)手動(dòng)作將新打印的實(shí)時(shí)標(biāo)簽貼于物料表面。

包裝部分：將貼標(biāo)后的物料包裝成枕形袋，由制袋、縱封、橫封和切斷及輸送部分組成，制袋部分完成制袋功能，將包裝膜由制袋器整形為袋狀，再由縱封部分將物料裹入包裝膜中，經(jīng)橫封和切斷形成枕形袋，再由輸送裝置將包裝好的物料輸出至預(yù)定位置。

圖1 系統(tǒng)流程圖

下料部分：將包裝后輸出至預(yù)定位置的物料，由機(jī)械夾手夾取并按類按序放入應(yīng)放的料筐中，從而完成一個(gè)操作循環(huán)。

綜合以上分析確定系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 自動(dòng)包裝系統(tǒng)的整體布

2 系統(tǒng)關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)上料、下料單元設(shè)計(jì)

考慮到軟袋物料具有流動(dòng)性、易變形的特點(diǎn)，抓取操作存在一定技術(shù)困難[3]，同時(shí)傳送帶輸送的隨機(jī)物料需按類按序碼放，并且在抓取后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要求精確定位和運(yùn)動(dòng)速度快，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和分析，采用直角坐標(biāo)機(jī)器人與專用氣動(dòng)剛性機(jī)械手組合來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料。

上料單元模型簡(jiǎn)圖如圖3所示，自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，軟袋物料按1×3×6的方式放置于料框中，上料傳感器檢測(cè)到有待上物料時(shí)，處于原點(diǎn)位置的機(jī)械手沿X方向移動(dòng)至需抓取物料的X坐標(biāo)位置，再沿Y向下降至抓取位置，機(jī)械手閉合抓取物料，然后機(jī)械手按原路徑返回至初始位置。根據(jù)要求，在每一工作循環(huán)開始時(shí)機(jī)械手打開，將物料放置于傳送帶上固定位置[4]，完成一次上料工作循環(huán)。

下料單元模型簡(jiǎn)圖如圖4所示，當(dāng)軟袋包裝成枕形袋經(jīng)輸送帶輸出至待下料位置（機(jī)械夾手原點(diǎn)位置）后，機(jī)械夾手閉合抓取物料并沿Z方向上移，根據(jù)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取的軟袋條碼信息（以A型為例），機(jī)械手沿X、Y方向聯(lián)動(dòng)至A型料框需放料位置后，再沿Z方向下降一定距離，機(jī)械手張開，將物料放入料筐的正確位置，放置物料后機(jī)械手返回原點(diǎn)位置，進(jìn)行下一次工作循環(huán)。

圖3 上料單元模型圖

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用專用機(jī)械夾手實(shí)現(xiàn)物料的抓取，結(jié)構(gòu)如圖5所示，機(jī)械手通過(guò)機(jī)架與線性模組滑塊固定，依靠氣缸桿的伸出與縮回提供動(dòng)力，帶動(dòng)滑塊經(jīng)過(guò)連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開與閉合，完成物料的抓取和碼放。

圖4 下料單元模型簡(jiǎn)圖

2.2 信息識(shí)別單元設(shè)計(jì)

信息識(shí)別包括條碼信息的自動(dòng)獲取和遠(yuǎn)距離存儲(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全自動(dòng)化的紐帶。生產(chǎn)中主要存在以下難點(diǎn)：1）初始條碼因人工貼標(biāo)存在粘貼傾斜的現(xiàn)象且軟袋放置于傳送帶上時(shí)姿態(tài)不確定；2）自動(dòng)化要求較高的生產(chǎn)率，需要有較高的掃描頻率；3）獲取的條碼信息須及時(shí)反饋至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，以便生成新的文字標(biāo)簽?；诖?，在上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)整形裝置，對(duì)抓取的軟袋物料進(jìn)行左右、前后和上下整形，并選用德國(guó)SICK公司的CLV410固定型條碼掃描器如圖5所示，該設(shè)備掃描分辨率和頻率達(dá)到為0.1mm和800Hz，并且傳輸速率高，400m距離時(shí)傳輸速度可達(dá)15Mbit/s[5]。實(shí)際試驗(yàn)證明，所選用的條碼閱讀器和所設(shè)計(jì)的整形裝置可以滿足需要，正確讀取率不低于99%。

圖5 專用氣動(dòng)機(jī)械手示意圖

2.3 打印、貼標(biāo)單元設(shè)計(jì)

圖5 條碼掃描器

圖6 Zebra工業(yè)打印機(jī)

傳統(tǒng)生產(chǎn)中人工貼標(biāo)存在效率低、錯(cuò)誤率高、粘貼不規(guī)范、且不能完全保證標(biāo)簽與物料對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)要求，選用美國(guó)Zebra工業(yè)打印機(jī)（如圖6所示）和壓敏膠標(biāo)簽氣動(dòng)貼標(biāo)手。該打印機(jī)可以在無(wú)人看管的情況下實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)高速打印，并且不受打印材料限制，采用熱轉(zhuǎn)印方式打印的文字與圖形具有防刮，防水，防腐蝕的特點(diǎn)，可連接至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)打印[6]。

貼標(biāo)單元為壓敏膠氣動(dòng)貼標(biāo)手，主要分吸標(biāo)和貼標(biāo)兩部分。空白標(biāo)簽由工業(yè)打印機(jī)打印完文字信息經(jīng)棍輪剝離時(shí)，位于貼標(biāo)手底部的銅管向前吹氣，將文字標(biāo)簽吹平至貼標(biāo)手正下方，同時(shí)貼標(biāo)手真空裝置通過(guò)底板小孔使標(biāo)簽和底板之間形成真空環(huán)境，產(chǎn)生負(fù)壓，將標(biāo)簽牢牢地吸附在吸標(biāo)板上，完成吸標(biāo)動(dòng)作；當(dāng)軟袋物料由傳送帶輸送至貼標(biāo)手正下方時(shí)，貼標(biāo)手底板在氣缸的作用下向下沖壓，同時(shí)貼標(biāo)手吹氣裝置通過(guò)底板小孔向外吹氣，負(fù)壓消失，將標(biāo)簽粘貼到軟袋表面并壓緊，從而完成貼標(biāo)動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和信號(hào)的監(jiān)控等。工控機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作，通過(guò)控制程序向多軸運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出脈沖指令；運(yùn)動(dòng)控制卡接受指令完成所有運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向的輸出、加減速的處理、原點(diǎn)和限位信號(hào)的檢測(cè)、路徑規(guī)劃、邏輯控制等[7]。

圖7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)脈沖輸出、編碼器輸入接口向上、下料直角坐標(biāo)機(jī)器人各軸伺服驅(qū)動(dòng)器和傳送帶伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖指令并接受編碼器反饋信號(hào)控制各伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，完成精確的點(diǎn)位控制；原點(diǎn)和限位傳感器負(fù)責(zé)位置的檢測(cè)并反饋至控制卡形成閉環(huán)控制；上、下料傳感器負(fù)責(zé)待上、待下物料的檢測(cè)，通過(guò)開關(guān)量輸入和輸出接口發(fā)出電平信號(hào)控制電磁閥的通斷，完成各氣動(dòng)元件的動(dòng)作；打印貼標(biāo)機(jī)和自動(dòng)包裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制有獨(dú)立的PLC控制器控制，打印貼標(biāo)機(jī)和上位機(jī)之間只進(jìn)行物料信息的交換。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件基于Delphi7.0平臺(tái)開發(fā)，采用了面向?qū)ο蠛湍K化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。單個(gè)物料的工作流程如圖8所示，系統(tǒng)打開時(shí)首先進(jìn)行狀態(tài)自檢和機(jī)械手原點(diǎn)檢測(cè)，待機(jī)械手處于系統(tǒng)設(shè)定的相對(duì)原點(diǎn)坐標(biāo)位置后，上料機(jī)器人檢測(cè)到有待上物料，開始按照預(yù)先示教的動(dòng)作將物料輸送至傳送帶指定位置，完成一次上料工作循環(huán)，同時(shí)人機(jī)界面上料區(qū)域顯示該物料已完成上料；傳送帶傳送物料分別經(jīng)過(guò)上下整形和左右位置校正及表面除水工序，當(dāng)經(jīng)過(guò)掃描設(shè)備時(shí)，傳送帶低速通過(guò)以提高條碼識(shí)別率，獲取到物料信息并上傳至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，在到達(dá)打印貼標(biāo)工位時(shí)，打印機(jī)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取該物料條碼信息生成新的文字標(biāo)簽粘貼于物料表面之上；新帖的標(biāo)簽在經(jīng)過(guò)二次掃描與原條碼信息核對(duì)，從而保證標(biāo)簽信息與物料類型的一致性；信息核對(duì)無(wú)誤的物料被輸送到包裝工位，經(jīng)制袋、縱封、橫封和切斷形成枕形袋，再由輸送裝置將包裝好的物料輸出至下料預(yù)定位置。下料機(jī)器人檢測(cè)到待下物料后，機(jī)械手動(dòng)作抓取物料，根據(jù)物料類型將物料放置在指定類型料框的指定位置，同時(shí)軟件界面顯示該類型料筐此位置已放置物料。

圖8 單一物料工作流程

為了實(shí)現(xiàn)多工位并行動(dòng)作，提高效率，系統(tǒng)采用了多線程技術(shù)，將不同的控制任務(wù)分配到不同的線程中，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)通過(guò)對(duì)各線程的調(diào)用實(shí)現(xiàn)多個(gè)工序的并行工作，各線程之間相互獨(dú)立且并行運(yùn)行，從而滿足生產(chǎn)效率要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)和調(diào)試后，最終試制的樣機(jī)如圖9所示。按照實(shí)際要求的400袋/h的速度運(yùn)行，以150框（共2700袋）物料為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示有3袋物料沒(méi)有完成二次包裝工序，成功率為99.9%。觀察和分析發(fā)現(xiàn)，這3袋失敗的原因是由于初始的條碼標(biāo)簽不規(guī)整且不同程度受損，導(dǎo)致掃描工位不能識(shí)讀，直接進(jìn)入廢料筐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試制樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟袋物料的全自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖9 試制樣機(jī)

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)軟袋物料全自動(dòng)包裝系統(tǒng)的研究，獲得如下結(jié)論：1）運(yùn)用直角坐標(biāo)機(jī)器人和專用的氣動(dòng)機(jī)械夾手可以實(shí)現(xiàn)上、下料的準(zhǔn)確抓取和碼放；2）采用Zebra工業(yè)打印機(jī)，利用負(fù)壓吸附原理，采用壓敏膠氣動(dòng)貼標(biāo)手可解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)打印貼標(biāo)問(wèn)題；3）基于運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)的方法，用Delphi7.0面向?qū)ο蟾呒?jí)編程語(yǔ)言，運(yùn)用多線程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求，實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定。

[1]張國(guó)全,李全華,吳德明,方忠華,董結(jié).全自動(dòng)伸縮皮帶式軟袋裝箱機(jī)供料裝置運(yùn)行參數(shù)的研究[J].包裝工程,2007,28(8):99-101.

[2]張國(guó)全,吳德明,方忠華,董結(jié),李全華.全自動(dòng)裝箱機(jī)前端軟袋包裝物重迭姿態(tài)的研究[J].包裝工程,2007,28(6):39-41,84.

[3]李文忠,張付祥,范春起,杜宏圖.軟袋大輸液全自動(dòng)傳送碼垛生產(chǎn)線的開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(28):121-123.

[4]張志遠(yuǎn),李琪,畢海深.基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的軟袋再包裝自動(dòng)上料系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(6):11-14.

[5]廣州SICK傳感器有限公司.條碼掃描系統(tǒng)與無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)[Z].廣州:廣州SICK傳感器有限公司,2010,8.

[6]斑馬打印機(jī)官網(wǎng).產(chǎn)品介紹(110PAX4).http://www.zebra.com.cn/products/printers/print_engines/110pax4.asp.[ER/OZ]

[7]楊繼東,韓飛.基于MPC07運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控焊接機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2010,39(2):161-162,166.

The design of automatic soft bag materials secondary packaging production line

ZHANG Zhi-yuan，BI Hai-shen，ZHAO Bao-guang

對(duì)軟袋物料自動(dòng)化再包裝系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)⒄硇诬洿詣?dòng)上、下料、實(shí)時(shí)打印物料信息、貼標(biāo)并進(jìn)行再包裝的全自動(dòng)生產(chǎn)線。用氣缸驅(qū)動(dòng)的專用機(jī)械夾手和用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)軟袋物料的自動(dòng)抓取及上、下料；用激光條碼掃描儀識(shí)別物料條碼信息，通過(guò)工業(yè)打印機(jī)將物料詳細(xì)信息標(biāo)簽按預(yù)定要求打印，由負(fù)壓式吸標(biāo)手吸附新打印的標(biāo)簽并經(jīng)貼標(biāo)手貼于物料上；進(jìn)行再包裝后由下料系統(tǒng)將包裝好的物料按類按序碼放。基于運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)，運(yùn)用Delphi面向?qū)ο蟾呒?jí)編程語(yǔ)言開發(fā)出多線程控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，較好地解決了生產(chǎn)效率低和人工錯(cuò)誤率高的問(wèn)題，提高了自動(dòng)化水平。

軟袋包裝；直角坐標(biāo)機(jī)器人；實(shí)時(shí)打印貼標(biāo)；運(yùn)動(dòng)控制卡

張志遠(yuǎn)（1978 -），男，河南唐河人，副教授，博士，研究方向?yàn)檩p工機(jī)械自動(dòng)化。

TP23

A

1009-0134（2013）02(上)-0128-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.02(上).37

2012-11-02

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(092102210118)