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基于PLC控制的包裝糧碼垛系統設計
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[導讀] 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。
 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 拷貝
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(a) 拷貝

圖2(b) 拷貝

圖2(c) 拷貝

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 拷貝(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 拷貝(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 拷貝(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 拷貝(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 拷貝(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 拷貝圖4 拷貝
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 拷貝
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 拷貝
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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