軟膠囊生產(chǎn)線自動(dòng)裝托工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

褚偉鋒 蔣 力 葉利峰 李小江

杭州娃哈哈精密機(jī)械有限公司

智能裝備研究所

浙江 杭州 310018

0 引言

軟膠囊是繼片劑、硬膠囊、丸劑、針劑、口服液等之后發(fā)展起來(lái)的一種新的產(chǎn)品劑型。軟膠囊是將油狀功能性物質(zhì)、功能性物質(zhì)溶液或功能性物質(zhì)混懸液、糊狀物甚至功能性物質(zhì)粉末，定量壓注并包封于膠膜內(nèi)，形成的大小、形狀各異的密封膠囊，其具有優(yōu)良的隔離光、氧功能和良好的視覺(jué)效果[1-3]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品包裝已成為促進(jìn)銷售、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[4-7]。為突出軟膠囊產(chǎn)品特性，軟膠囊瓶包裝盒多采用帶透視窗口的形式。透視窗口可讓消費(fèi)者直觀了解軟膠囊的顏色及外觀形態(tài)，還可以吸引消費(fèi)者的注意力及好奇心，增加消費(fèi)體驗(yàn)感[8-9]。

為提升產(chǎn)品視覺(jué)效果，生產(chǎn)廠家通常要求軟膠囊瓶標(biāo)簽朝向一致，且標(biāo)簽正對(duì)包裝盒透視窗口。目前，軟膠囊生產(chǎn)線上瓶裝托工序主要是采用人工裝托的方式完成，勞動(dòng)量大、重復(fù)性強(qiáng)，且裝托速度遠(yuǎn)達(dá)不到包裝自動(dòng)化產(chǎn)線的要求，極大地影響了生產(chǎn)效率及裝托流程中的衛(wèi)生質(zhì)量[10]。因此，本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟膠囊生產(chǎn)線自動(dòng)裝托工作站，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)簽檢測(cè)及定位、塑托自動(dòng)分離、自動(dòng)裝托等功能，以替代人工裝托，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)效率。本工作站能滿足生產(chǎn)線安全、高效、無(wú)污染的要求[11]。

1 自動(dòng)裝托工作站系統(tǒng)構(gòu)造及功能

軟膠囊生產(chǎn)線自動(dòng)裝托工作站的功能區(qū)域主要有：入口分道及定位工位、標(biāo)簽識(shí)別及校正工位、拉距定位工位、塑托上料轉(zhuǎn)運(yùn)工位、自動(dòng)裝填工位。其總體布局如圖1所示。

圖1 自動(dòng)裝托工作站布局Fig. 1 Layout of automatic tray packing workstation

自動(dòng)裝托工作站的入口分道及定位工位，采用雙通道輸送設(shè)計(jì)，可減少進(jìn)瓶等待時(shí)間，能有效提高工作站的效率。桁架抓手1負(fù)責(zé)將分道及工位上就緒的軟膠囊瓶抓取至標(biāo)簽識(shí)別及校正工位，進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別及方向校正后，將軟膠囊瓶運(yùn)至拉距定位工位進(jìn)行軟膠囊瓶二次定位，使瓶間距與塑托間距保持一致。塑托上料轉(zhuǎn)運(yùn)工位采用6通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)塑托的輸送、分離、翻轉(zhuǎn)、定位等功能，其中桁架抓手3負(fù)責(zé)將塑托分離并運(yùn)至翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。自動(dòng)裝填工位通過(guò)桁架抓手2從拉距定位工位上抓取軟膠囊瓶裝入定位就緒后的塑托里，實(shí)現(xiàn)裝托功能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟膠囊生產(chǎn)線自動(dòng)裝托工作站系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 System hardware structure diagram

可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）選用貝加萊X20CP1583，自帶1個(gè)Ethernet和1個(gè)POWERLINK接口；觸摸屏采用貝加萊T50系列6PPT50.0702-10B的7英寸屏。PLC通過(guò)Ethernet接口連接觸摸屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；通過(guò)POWERLINK接口連接ACOPOS P3系列伺服驅(qū)動(dòng)器，控制抓手上7個(gè)伺服軸。抓手1為X、Y、Z三軸桁架機(jī)械手，其中X軸采用雙軸同步控制；抓手2和抓手3為Y、Z雙軸桁架機(jī)械手，其中抓手3的Y軸運(yùn)動(dòng)由氣缸控制。PLC通過(guò)擴(kuò)展Ethernet/IP通信模塊連接鳴志STF03系列步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，控制6道旋轉(zhuǎn)電機(jī)及各個(gè)輸送電機(jī)啟停。

2.2 進(jìn)瓶檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

進(jìn)瓶檢測(cè)流程包含分道進(jìn)瓶流程及標(biāo)簽檢測(cè)流程，如圖3所示。

圖3 進(jìn)瓶檢測(cè)程序流程圖Fig. 3 Flow chart of the bottle-in inspection program

分道進(jìn)瓶流程中軟膠囊瓶經(jīng)分道入口進(jìn)入通道1，當(dāng)進(jìn)瓶計(jì)數(shù)達(dá)到6瓶且通道1定位氣缸均已動(dòng)作，輸出通道1進(jìn)瓶完成信號(hào)，允許桁架抓手1抓取，同時(shí)分道出口切換至通道2，開(kāi)始通道2進(jìn)瓶。標(biāo)簽檢測(cè)流程中抓手1將進(jìn)瓶完成的軟膠囊瓶抓取運(yùn)至標(biāo)簽檢測(cè)工位后，啟動(dòng)6道旋轉(zhuǎn)電機(jī)開(kāi)始標(biāo)簽檢測(cè)及位置校正。如檢測(cè)時(shí)間超時(shí)，將發(fā)出檢測(cè)超時(shí)報(bào)警，等待人工確認(rèn)；如指定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)完畢，抓手1將這些位置校正后的軟膠囊瓶運(yùn)至拉距定位工位，同時(shí)抓手1返回至待抓取位置，等待通道2進(jìn)瓶完成，開(kāi)始下一輪軟膠囊瓶標(biāo)簽檢測(cè)及位置校正。

2.3 塑托上料程序設(shè)計(jì)

塑托上料程序如圖4所示。

圖4 塑托上料程序流程圖Fig. 4 Flow chart of plastic tray feeding program

人工將空塑托堆置于6通道輸送入口，通過(guò)長(zhǎng)按上料就緒確認(rèn)按鈕，阻托氣缸張開(kāi)，允許塑托堆進(jìn)入輸送系統(tǒng)。通過(guò)擋板、推板等氣缸配合動(dòng)作，將6通道塑托堆推送至升降平臺(tái)，塑托堆通過(guò)升降平臺(tái)提升至待抓取位置。此時(shí)夾塑托氣缸動(dòng)作，將第二層塑托夾住，并發(fā)送塑托就緒信號(hào)，允許抓手3抓取第一層塑托，實(shí)現(xiàn)塑托分離。抓手3將抓取的塑托運(yùn)至翻轉(zhuǎn)工位，塑托經(jīng)翻轉(zhuǎn)后被輸送至檢測(cè)工位，確認(rèn)當(dāng)前6通道塑托是否存在缺托問(wèn)題。如缺托則當(dāng)前列塑托被標(biāo)記為異常，當(dāng)塑托被輸送至裝填工位時(shí)，被標(biāo)記為異常的塑托列被運(yùn)至回收裝置。如為正常的塑托列，則輸出塑托整列完成信號(hào)，允許抓手2將抓取的軟膠囊瓶裝入該塑托列，完成裝托動(dòng)作。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏用貝加萊T50系列6PPT50.0702-10B，采用Automation Studio軟件進(jìn)行畫面組態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了主頁(yè)面、功能頁(yè)面、報(bào)警頁(yè)面、診斷頁(yè)面、設(shè)置頁(yè)面和配方頁(yè)面共6大頁(yè)面。以圖5所示的主頁(yè)面為例，可以顯示產(chǎn)品產(chǎn)量、進(jìn)瓶計(jì)數(shù)、各抓手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、軸狀態(tài)、重點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)、實(shí)時(shí)報(bào)警等主要信息。在手動(dòng)模式下，用戶亦可進(jìn)行進(jìn)瓶計(jì)數(shù)值修改、抓手運(yùn)動(dòng)步驟切換、報(bào)警信息確認(rèn)、信號(hào)復(fù)位等操作，方便用戶日常操作及故障恢復(fù)。

圖5 生產(chǎn)主頁(yè)面Fig. 5 Production main page

4 標(biāo)簽檢測(cè)與位置校正

為實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽檢測(cè)與位置校正功能，選用基恩士LR-W70全光譜可變光點(diǎn)光電傳感器作為檢測(cè)元件，結(jié)合該傳感器特性及實(shí)際產(chǎn)品標(biāo)簽樣式，以紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3種基礎(chǔ)色為色標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)簽檢測(cè)測(cè)試，最終確認(rèn)選用藍(lán)色色標(biāo)的標(biāo)簽在檢測(cè)過(guò)程中穩(wěn)定性最好?？紤]到軟膠囊瓶及標(biāo)簽樣式各異的情況，為此開(kāi)展了針對(duì)各類產(chǎn)品的檢測(cè)穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 產(chǎn)品標(biāo)簽檢測(cè)結(jié)果Table 1 Results of product label inspection

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確認(rèn)了色標(biāo)的通透性對(duì)傳感器檢測(cè)的穩(wěn)定性有一定影響，最終確定以藍(lán)色非透明色塊作為標(biāo)簽指定色標(biāo)的標(biāo)簽改造方案。

為快速實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽檢測(cè)及位置校正功能，需要提高檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就導(dǎo)致標(biāo)簽檢測(cè)停止時(shí)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，標(biāo)簽定位一致性較差，為此設(shè)計(jì)了標(biāo)簽位置校正回零程序。首先旋轉(zhuǎn)電機(jī)以較高速度進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到色標(biāo)后旋轉(zhuǎn)電機(jī)快速停止，再以低速進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)色標(biāo)傳感器再次檢測(cè)到色標(biāo)后立即停止，確保色標(biāo)位置停在檢測(cè)停止位置上。通過(guò)該標(biāo)簽位置校正回零程序，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽的快速檢測(cè)及位置校正。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究所設(shè)計(jì)的膠囊自動(dòng)化裝托工作站，已在某公司軟膠囊生產(chǎn)線上投入使用。裝托工作站產(chǎn)能可達(dá)到40瓶/min，設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)簽定位一致性好，故障率低。用其代替人工裝托，有效減少了人員的投入，提高了裝托效率，提升了生產(chǎn)線自動(dòng)化水平。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于受前道貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)質(zhì)量的影響，當(dāng)膠囊瓶出現(xiàn)歪標(biāo)情況時(shí)會(huì)導(dǎo)致膠囊瓶標(biāo)簽檢測(cè)環(huán)節(jié)超時(shí)，甚至檢測(cè)不到色塊等問(wèn)題。目前上述問(wèn)題是由程序通過(guò)檢測(cè)超時(shí)報(bào)警，通知人工處理的方式來(lái)解決，一定程度上影響了整機(jī)的效率，后續(xù)改進(jìn)機(jī)型將考慮對(duì)歪標(biāo)等異常情況進(jìn)行自動(dòng)處理并回收，減少人工干預(yù)，提高設(shè)備自動(dòng)化水平。