【技术】机器人自动包装码垛生产线的研究与设计
1.自动称量机2.倒袋机3.输送机4.质量复检机5.剔除机6.码
垛机器人7.托盘输送机8.控制柜
图1包装码垛生产线示意
图2包装码垛流程
2包装码垛系统设计
2.1包装码垛控制系统功能要求与组成系统
根据生产线的工艺流程，包装码垛控制系统应满足以下几个要求：各工序能够协调控制，能够使混料、称量、包装和码垛稳定可靠高速运行；动态响应性能好，可以随时根据各种传感器的信号进行实时反馈；理性化的人机界面，便于工人操作以及监控。“HMI+PLC”的控制系统见图3。PLC结合触摸屏、伺服驱动系统以及输送流水线和码垛机器人等各个功能模块，共同完成包装袋的抓取和自动码放。
图3包装码垛控制系统硬件框图
2.2码垛机器人机械结构
在包装码垛生产线上，码垛机器人是一个重要的组成部分。文中应用的码垛机器人总体结构见图4。码垛机器人通过机身下面的底座来带动机器人的腰部结构进行旋转运动，机器人末端抓手部的伺服电机带动抓手绕自身轴旋转，同时另外2个伺服电机还可以控制机器人末端抓手进行水平和竖直方向的运动，以不断调整抓手在流水线上抓取包装袋的位置。机器人的水平运动和垂直运动的驱动电机，都是通过控制同步带轮来控制滚珠丝杠，带动滑块沿丝杠运动，从而实现抓手的运动。
图4码垛机器人结构
3控制系统关键点设计
3.1自动称量装置
自动称量装置主要由秤体和电子称量系统2个结构构成。其中，文中采用的秤体部分又由混料机、储料仓、料门、称量斗、夹袋器、包装袋等组成。电子称量系统则是由1号和2号秤的称量传感器、仪表显示盘和触摸屏控制柜等组成，见图5。
图5自动称量装置
自动称量控制系统中，压力传感器的使用和实时信号检测是非常关键的一个环节。称量控制的示意见图6。压力传感器采集的信号通过模拟量输入口实时输入到PLC中，而且称量过程中，PLC控制器不断检测启动按键、停机键、夹袋夹紧、斗门状态等开关量信号。夹袋器、放料电磁阀、进料电磁阀和一些显示信号等，通过PLC的输出量模块进行输出。称量斗门关闭以及夹袋夹紧检测，采用欧姆龙E2E-X2P1-N接近开关作为信号输入，称量斗门、缓冲料门和夹袋，通过PLC控制电磁阀来带动气缸工作。
图6称量控制示意
3.2包装过程码垛机器人的控制算法
包装码垛生产线主要包括以下几个模块：自动混料及进料模块、倒袋及装袋模块、包装袋输送模块、质量检测模块、不合格包装袋剔除模块以及码垛机器人模块等。码垛机器人的控制流程见图7。首先，包装袋在完成包装之后，由包装输送传送带进行输送。当包装输送传送带光电传感器有信号到来时，说明此处有包装袋到来，若此时码垛机器人抓手已经准备好时，便可以控制机器人通过预先设定的程序进行抓取；若此时码垛机器人没有准备好，则传送带停止运动，等待码垛机器人的抓取码放。其中，若某个环节按下急停按钮时，则程序停止并且复位，等待下一步操作。
图7码垛机器人的工作流程
3.3伺服电机运动控制
为了对包装码垛过程中包装袋精确抓取和码放进行准确定位，系统采用伺服电机对传送带以及码垛机器人和混料机等的运动进行控制。伺服驱动器可以通过接收PLC控制的伺服驱动器的外部脉冲和模拟量，实现对传送带速度和码垛机器人运动速度的定位控制。该系统要精确控制码垛机器人的运动，并通过接收到PLC发出的脉冲的个数，精确控制伺服电动机的速度与方向。伺服驱动器的硬件连接电路见图8。
图8伺服电机控制系统
为了保证电机的同步运行，在包装袋封口处、码垛机身转向处、底贴处安装欧姆龙接进开关，其信号通过SM321采集并送给S7-1200，并且每个伺服电机后端接一个增量式旋转编码器，实现单回路PID闭环控制，其控制原理见图9。
图9控制原理
4实验验证
4.1码垛中心点误差实验
为验证自动包装码垛机器人在包装生产线上抓取包装袋的位置精度，进行包装袋码放位置的检测试验。以原点传感器为中心，码垛机器人在执行动作时的抓取位置与中心原点之间会存在超前、重合、滞后3种情况，见图10。进行多次试验，重点试验了在不同的传送带速度下，随机测量间距delta的数值，并进行数据记录，结果见表1。
图10包装袋与码放中心位置示意
表1包装袋中心点误差统计
实验前，首先对码垛机器人的抓取点和码放点进行示教，以码垛机器人机身所在的位置为绝对位置零点，以包装袋和堆垛码盘的9个位置点进行示教。此时控制器将抓取点和每个码放点的脉冲和方向记录下来。实验过程中，当光电传感器检测到包装袋流水线上有包装袋运输到码垛机器人的抓手末端下方时，控制器将抓取命令传送至执行器，控制抓手末端抓取包装袋。
表2实验结果
通过表1的数据分析发现，码垛机器人在抓取包装袋的中心点位置时，误差范围为0.11~0.20mm，平均误差在0.17mm左右，误差小，控制精度高。由此可以看出，设计的自动包装码垛机器人能够实现包装量进行实时检测，通过不断与标准质量进行对比，来达到自动称量的鲁棒控制。
5结语
文中设计了用于固体颗粒物的自动包装码垛生产线，能够长时间稳定运行。在完成生产线固体物混料装置、包装袋称量装置以及码垛机器人设计的基础上，进行了化肥的包装实验，记录了包装袋称量误差以及码垛中心误差。结果表明，设计的生产线可靠性强、包装码垛精度高，能够大大提高包装和码垛效率，具有很大的市场应用前景。返回搜狐，查看更多