基于運動控制器的立式袋裝箱機控制系統(tǒng)設(shè)計

杜 建 馮 渝 朱學(xué)建 馬 永

(武漢人天包裝自動化技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430205)

基于運動控制器的立式袋裝箱機控制系統(tǒng)設(shè)計

杜 建 馮 渝 朱學(xué)建 馬 永

(武漢人天包裝自動化技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430205)

由于立式袋袋體不規(guī)則，袋體兩頭大小不一，存在裝箱機穩(wěn)定性較差的問題。通過對運動控制器的研究，采用Delta2機器人結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了一款性能穩(wěn)定的全自動立式袋裝箱機，為立式袋裝箱機提供了一套控制解決方案。

立式袋裝箱機；運動控制；Delta2機器人

隨著人們對食鹽包裝形式要求的不斷提高，超市里立式鹽袋將逐步替代平袋。目前市場上立式鹽袋包裝機技術(shù)很成熟，但是立式袋裝箱機比較少，都以人工裝箱為主。由于立式袋袋體兩頭大小不一，裝箱規(guī)格多，鹽業(yè)現(xiàn)場腐蝕強等因素成為各個開發(fā)立式袋裝箱機企業(yè)面臨的問題。傳統(tǒng)式裝箱機依然是中國現(xiàn)有企業(yè)很受歡迎的自動化設(shè)備，主要原因是產(chǎn)品開發(fā)費用不高，啟動資金更小。隨著人工成本的增加，并且傳統(tǒng)式裝箱機因技術(shù)原因使其項目需要使用的工序不減反增，故障點較多，可移植性差，導(dǎo)致無法跟上企業(yè)快速增長的生產(chǎn)速度。

Delta2機器人結(jié)構(gòu)作為一個獨立成熟單元，機械機構(gòu)以及控制架構(gòu)模型已經(jīng)成熟，只要根據(jù)其性能參數(shù)設(shè)計，微調(diào)其機械部件尺寸，可以簡化設(shè)計周期，調(diào)試采用模塊化程序設(shè)計，減少重復(fù)調(diào)試，并且能夠確保其正確性[1]。Delta2機器人裝箱逐漸被企業(yè)所接受，而且Delta2機器人設(shè)計成本較低，技術(shù)難度也不大，隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，Delta2機器人技術(shù)變得越來越容易，穩(wěn)定性也越來越強，可移植性也增強[2]。

立式袋裝箱機采用Delta2機器人可以大大簡化機構(gòu)，通過Delta2機器人可以快速切換規(guī)格，使用環(huán)鏈輸送、排列立式袋鹽包，側(cè)推式裝箱增加成功率，解決了多規(guī)格切換問題，縮短了立式袋裝箱機的開發(fā)周期[3]，成熟的Delta2機器人模型減少了調(diào)試時間。使用該種裝箱機控制系統(tǒng)可以有效解決立式袋裝箱問題[4]，為立式袋自動化裝箱提供一種途徑。

1 立式袋裝箱機的技術(shù)要求

(1) 完成立式袋鹽包的輸送、排列、拾取、規(guī)則碼放、滿箱輸出等全自動裝箱過程。

(2) 適用物料：立式袋鹽包。

(3) 物料規(guī)格：260～350 g/包；袋尺寸：袋寬為 100～130 mm，袋長為 150～200 mm。

(4) 裝箱方式(排數(shù)×列數(shù)×層數(shù))：5×2×6(層數(shù)3～8，層數(shù)改變紙箱高度適當(dāng)改變)；紙箱尺寸(長×寬×高)：380 mm×290 mm×180 mm。

(5) 生產(chǎn)能力： 80～90 包/min。

2 立式袋裝箱機的工作原理

2.1 立式袋裝箱機的組成結(jié)構(gòu)

立式袋裝箱機共有兩個Delta2機器人抓取物料，根據(jù)需求來判斷是否需要旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)組態(tài)了8個伺服實軸，嵌入式PC控制這8臺伺服電機工作，其中每臺Delta2機器人由兩個主軸和一個旋轉(zhuǎn)軸組成，運行控制器通過總線控制兩個Delta2機器人和雙環(huán)鏈[5]。從進料到紙箱輸出共有4個部分組成(圖1)，分別是鹽包進料、雙環(huán)鏈排列，機器人拾取和放置、紙箱輸送[6]。

裝箱機電氣采用倍福嵌入式PC，通過Ethercat總線組網(wǎng)，控制8臺伺服系統(tǒng)，Delta2機器人由雙通道伺服控制器控制，其拓撲結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 立式袋裝箱機的工作方式

物料裝箱一次工作流程見圖3。立式包裝機生產(chǎn)出來的鹽包經(jīng)過濾鹽和檢重合格后，輸送到裝箱機進料皮帶，快速拉開送到雙環(huán)鏈上，計數(shù)，驅(qū)動環(huán)鏈整理排列準(zhǔn)備好，Delta2機器人抓取，裝入紙箱，同時環(huán)鏈檢測到物料繼續(xù)計數(shù)排列，下次Delta2機器人繼續(xù)抓取并旋轉(zhuǎn)裝入紙箱，如此循環(huán)[7]。紙箱內(nèi)物料排列形式通常兩列，形式如N×2×M(排×列×層)。

3 裝箱機的程序方案

3.1 構(gòu)建Ethercat硬件網(wǎng)絡(luò)

首先連接好控制器、驅(qū)動器、伺服電機、耦合IO等硬件，伺服系統(tǒng)都是通過Ethercat網(wǎng)絡(luò)來通訊，通過這種總線控制穩(wěn)定性高，通訊速度快，通訊中斷會自動報警停機。硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

組態(tài)好硬件網(wǎng)絡(luò)后，所有伺服系統(tǒng)以及IO信號都能夠監(jiān)控到，設(shè)置合適參數(shù)，就能夠測試動作，進行裝袋機的調(diào)試。

3.2 采用運動控制算法構(gòu)建Delta2機器人模型

立式袋裝箱機利用Delta2機器人運動速度快的優(yōu)勢，盡可能減少運動路徑。首先讀取機器人各軸狀態(tài)，判斷機器人處于什么狀態(tài)，復(fù)位報警并回到初始運動位置，生產(chǎn)時根據(jù)抓取和放置條件，Delta2機器人做往復(fù)運動[8]。程序調(diào)用Delta2機器人軸包，只需要填入正確的組態(tài)軸對應(yīng)地址，給絕對值編碼器標(biāo)定零度位置，示教完機器人位置，就可以按照設(shè)定位置來抓取和放置。讀取狀態(tài)程序塊見圖5。圖5是讀取X值狀態(tài)，同樣方法讀取Y值，如果有多個Delta2就多次調(diào)用即可。

Delta2機器人點到點移動程序塊見圖6。通過塊集成，減少調(diào)試時出錯的概率，后續(xù)完善只需修改該塊，就可以批量修復(fù)程序中出現(xiàn)的相同問題。

3.3 立式袋雙環(huán)鏈算法

立式袋裝箱機每分鐘要裝80～90包，要求環(huán)鏈接包速度超過90包/min，前面一包接完后，立馬要移動到下一包位置接包等待，第一個環(huán)鏈接完鹽包后，第二個環(huán)鏈必須跟上，當(dāng)推包氣缸把鹽包推走之后，該環(huán)鏈還要跟蹤到前一個環(huán)鏈后面，如此循環(huán)才能保證進料皮帶上的鹽包都能夠成功通過環(huán)鏈裝箱[9]。環(huán)鏈接包邏輯見圖7。以上是單個環(huán)鏈的單次接包過程，重復(fù)調(diào)用就能夠形成一套循環(huán)，循環(huán)接包。

3.4 立式袋裝箱全過程

裝箱機利用倍福功能塊可以局部，調(diào)用進料、雙環(huán)鏈排列推箱、Delta2機器人抓取和放置、紙箱換箱等全部分塊程序[10]，通過檢測傳感器和伺服系統(tǒng)信號，重復(fù)裝箱過程，達到80～90包/min的生產(chǎn)速度，解決了立式袋裝箱機的問題。

4 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)采用Delta2機器人結(jié)構(gòu)解決了立式袋裝箱袋體不規(guī)則，袋體兩頭大小不一和穩(wěn)定性差的問題。經(jīng)現(xiàn)場初步測試，已經(jīng)能夠滿足80～90包/min的生產(chǎn)要求。除了可以使用在立式袋裝箱上，本系統(tǒng)還可以使用于類似尺寸大小的包裝袋裝箱設(shè)備上。另外通過改造環(huán)鏈尺寸和Delta2機器人夾具，還可以使用在其他形式的裝箱設(shè)備上。若進一步對部分零件進行改造優(yōu)化，產(chǎn)能還有更大提升空間。

[1] 鄒子良, 劉曄, 朱景環(huán). 全自動裝箱機的研制(Ⅰ): 控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報: 理科版, 1997(3): 201-205.

[2] 王天河. 淺談自控系統(tǒng)及在鹽化工中的應(yīng)用[J]. 鹽業(yè)與化工, 2015(4): 55-64.

[3] 曹艷英, 邵軍. 全自動粉、粒料包裝機設(shè)計[J]. 包裝工程, 2002(S1): 15-17.

[4] 楊夫剛. 立式包裝機設(shè)計探索[J]. 衡器, 2010(4): 30-35.

[5] 娜仁莎, 趙德龍. 立式液體注入式包裝機的自動化傳動系統(tǒng)介紹[J]. 中國包裝工業(yè), 2014(2): 40-45.

[6] 章培紅. 裝箱機復(fù)合連桿機構(gòu)的軌跡及運動特性研究[J]. 機械制造與自動化, 2009(3): 73-75.

[7] 崔鵬, 李振亮, 李亞, 等. 精制鹽生產(chǎn)用簡易半自動裝箱機方案研究[J]. 鹽業(yè)與化工, 2013(10): 50-55.

[8] 鄧加尊, 覃兆典. 自動裝箱機的設(shè)計[J]. 包裝與食品機械, 2007(1): 48-51.

[9] 章培紅, 許圣萍. 裝箱機抓瓶裝置一件多用的幾種典型的設(shè)計方案[J]. 飲料工業(yè), 2009(6): 29-33.

[10] 李響, 馬永, 何偲, 等. 塊狀物料機器手抓取式裝箱機設(shè)計[J]. 食品與機械, 2010, 26(5): 39-45.

Design of control system for vertical bagpacking machine based on motion controller

DU JianFENGYuZHUXue-jianMAYong

(WuhanRentianPackagingAutomationTechnologyCO.,LTD.,Wuhan,Hubei430205,China)

The shape irregularity and size diversity of the vertical bags made it difficult to fill them. A stable performance of automatic vertical packaging was explored in order to solve the problems of its poor stability, based on the research of the motion controller as well as adopting the Delta2 robot structure, and this might provide a set of control solutions for the vertical packaging.

Vertical packaging machine; Motion control; Delta2 robot

杜建(1985—)，男，武漢人天包裝自動化技術(shù)股份有限公司電氣工程師。E-mail: to_house@163.com

2017-02-01

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.020