智能制造背景下機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線的設(shè)計與應(yīng)用

柏廣梟，孟燕菲，鄧禮兵，陸凱雷

（博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213000）

目前，二次機箱產(chǎn)品年用量大，型號種類逐年增加，生產(chǎn)車間普遍采用人工裝配或者人機交互的半自動化裝配模式。裝配過程大量依靠人工作業(yè)，并以裝配工具輔助，存在著生產(chǎn)效率低、周轉(zhuǎn)時間長、單位工序成本高和人工貼標(biāo)效率低等缺點。在此背景下公司對機箱產(chǎn)品的精益改善需求日益增加，提高裝配環(huán)節(jié)自動化程度的迫切需求也越來越高。

隨著工業(yè)自動化技術(shù)越發(fā)成熟，采用自動化機箱裝配的產(chǎn)線模式已成發(fā)展趨勢。基于打造電力行業(yè)先進制造4.0，國網(wǎng)下一輪五年智能化制造規(guī)劃提出的背景下，二次保護類機箱產(chǎn)品的市場競爭日益激烈，大幅降低機箱產(chǎn)品成本，提高生產(chǎn)效率，縮短供貨交期成為公司首要考慮的發(fā)展方向。

1 機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線介紹

機箱產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)需要在多個位置粘貼、打印多種型號的標(biāo)簽。該系列機箱年均用量3 萬臺，型號種類逐年增加，不同機箱標(biāo)簽數(shù)量多、種類多，目前主要采用人工貼標(biāo)，打印模式存在效率低，貼標(biāo)環(huán)節(jié)二次污染嚴(yán)重，貼標(biāo)外觀不夠整齊等問題。

為了解決產(chǎn)能需求問題，規(guī)劃設(shè)計了一條機箱自動貼標(biāo)打印產(chǎn)線，為提高裝配環(huán)節(jié)的產(chǎn)能效率和智能化裝配車間規(guī)劃提供了一種新的思路。

2 機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線的設(shè)計

該自動化機箱貼標(biāo)打印運輸產(chǎn)線，包括進料流水線、出料流水線、顯示系統(tǒng)、輸入鍵盤、操作界面、剝離平臺和旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)機械手等。設(shè)備通過PLC 系統(tǒng)+安全PLC進行編程，操作系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有編程軟件，可進行不同規(guī)格、不同位置、不同打印內(nèi)容的標(biāo)簽自動粘貼周轉(zhuǎn)程序編輯，如圖1 所示。

圖1 機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線

2.1 運輸模塊的設(shè)計

運輸模塊如圖2 所示，傳送帶結(jié)構(gòu)分為進料和出料2 條輸送帶，傳動帶入口設(shè)置急停按鈕，可以人工控制輸送帶的啟停，產(chǎn)線啟動后機箱產(chǎn)品通過進料輸送帶運輸至限位擋塊處，進入打標(biāo)機模塊進行自動打印，貼標(biāo)并周轉(zhuǎn)至下一工位，輸送線機尾設(shè)有換位結(jié)構(gòu)，通過伸縮氣缸，將機尾的換向模塊平移推動至出料的輸送帶，與之對接，輸送帶和機尾的換向模塊形成了一個無極的環(huán)形帶，實現(xiàn)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)的換向，進而回流至進料初始的位置，減少人員來回搬運的情況和人工周轉(zhuǎn)的工時。

2.2 貼標(biāo)機模塊的設(shè)計

貼標(biāo)模塊如圖3 所示，包含：三組貼標(biāo)頭、一組旋轉(zhuǎn)機械手、剝離平臺和多個斑馬打印機組成，貼標(biāo)頭由盤式標(biāo)帶的架帶、送帶、收帶、剎帶和出標(biāo)機構(gòu)組成，采用間歇式運動方式，機箱運輸旋轉(zhuǎn)機械手上集成了圓形的托盤，機箱產(chǎn)品由傳送帶運輸至圓形托盤上的限位位置后，旋轉(zhuǎn)機械手自動旋轉(zhuǎn)托盤上的機箱產(chǎn)品至貼標(biāo)頭的工作區(qū)域，貼標(biāo)位置的精度由3個光電傳感器聯(lián)合控制，識別機箱產(chǎn)品是否到位和機箱產(chǎn)品上的貼標(biāo)位置定位，識別產(chǎn)品到位后由系統(tǒng)控制多個斑馬打印機打印對應(yīng)型號的標(biāo)貼。標(biāo)貼傳動通過步進電機帶動送紙輥，依靠偏心壓輥與送標(biāo)膠輥的擠壓產(chǎn)生的摩擦力帶動標(biāo)帶運行。當(dāng)標(biāo)帶運行時，在張力的作用下帶動標(biāo)貼經(jīng)過剝離平臺，貼紙與底膠紙片分離，由吸盤吸取與機箱產(chǎn)品平行接觸并貼合。

圖3 貼標(biāo)機模塊

3 機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線的工藝流程

機箱產(chǎn)品上共有3 個不同種類的標(biāo)簽需要打印、撕標(biāo)、粘貼及運輸。基礎(chǔ)貼標(biāo)節(jié)拍：20 s/pc（貼標(biāo)節(jié)拍可調(diào)）。這種技術(shù)的某些運作模式與人工粘貼法的原理相似，就是將標(biāo)簽放置到真空墊表面墊上固定，直到貼附動作開始為止。在該自動化產(chǎn)線中，真空墊表面是由剝離平臺的工作面代替的，標(biāo)簽固定和定位在一個剝離平臺上，剝離平臺為一個上面具有幾百個小孔的平面，小孔是用來維持形成“空氣射流”。由吸盤抽取標(biāo)簽表面空氣并吸取，使剝離平臺上的標(biāo)簽分離并移動，讓其貼附到被包裝物品上。這是一項具有復(fù)雜性的技術(shù)，其具有較高的精度和可靠性，多適用于高速和高效的自動化貼標(biāo)生產(chǎn)線。這種自動化產(chǎn)線可靠快速地達到了貼標(biāo)位置和貼標(biāo)平整度的技術(shù)指標(biāo)，且效率較高，這種方法對于產(chǎn)品包裝件的高度有一定變化的頂部或側(cè)部貼標(biāo)難度較大，而對于外觀規(guī)整、表面平滑的機箱產(chǎn)品則非常適用。

3.1 工序流程

人工上料→傳動帶輸送產(chǎn)品到貼標(biāo)1 模組→貼電源標(biāo)簽→輸送產(chǎn)品到貼標(biāo)2 模組→打印+粘貼質(zhì)量跟蹤卡的標(biāo)簽→輸送產(chǎn)品到貼標(biāo)3 模組→貼裝置標(biāo)簽→傳送帶終端模塊實現(xiàn)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)方向換向→機箱產(chǎn)品回流至人工上料處。

3.2 具體操作流程

準(zhǔn)備標(biāo)貼：提前準(zhǔn)備卷料標(biāo)簽，放置在多個打印模塊的卷筒內(nèi)。

輸入打印內(nèi)容：通過人機交互屏輸入需要打印的信息。

人工上料：在進料線，人工放置需要打印的機箱，通過傳送帶將機箱送入打印設(shè)備。

機箱定位：機箱進入設(shè)備后，到達限位模塊，由擋板和左右限位擋片進行位置固定。

打印剝離：貼標(biāo)卷料由斑馬打印機打印相應(yīng)的內(nèi)容后，通過剝離平臺進行不干膠標(biāo)貼的分離。

自動貼標(biāo)：由貼標(biāo)模塊的機械手吸附不同規(guī)格的標(biāo)簽并粘貼至機箱不同位置。

自動出料：貼標(biāo)完后，限位打開，通過換向裝置，由傳動帶傳送至出料口。傳動帶節(jié)拍可通過開關(guān)調(diào)節(jié)。

本設(shè)備只需1 名工作人員就能操作，一方面，提高了貼標(biāo)的效率，減少了人工參與，降低了人工成本，提高了經(jīng)濟效益；另一方面，提高了標(biāo)簽粘貼的整齊度和美觀性，還避免了人工貼標(biāo)環(huán)節(jié)造成的二次污染，并且本設(shè)備占用空間小，安裝維護成本低，通用性高，能夠在不同結(jié)構(gòu)型號的機箱上貼標(biāo)。

4 機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線的優(yōu)勢

4.1 提高產(chǎn)品的裝配精度

傳統(tǒng)的手工貼標(biāo)模式，由于同工位的不同輪崗人員的操作水平不同，裝配環(huán)節(jié)貼標(biāo)位置的準(zhǔn)確度和外觀平整度差異較大，導(dǎo)致機箱產(chǎn)品的整體貼標(biāo)精度浮動較大，質(zhì)量把控環(huán)節(jié)的難度大大增加，一旦不良品率增高，就會給企業(yè)造成巨大的產(chǎn)能缺口。因此，生產(chǎn)裝配的過程中，這種手動貼標(biāo)模式往往適合產(chǎn)品種類多、批量裝配少的生產(chǎn)模式。對于種類單一、批量大的機箱產(chǎn)品，定制規(guī)劃自動化貼標(biāo)產(chǎn)線，能夠?qū)⑹謩淤N標(biāo)的工序模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。以調(diào)試好的固定參數(shù)，徹底解決人工粘貼精度幅度較大的問題。

4.2 提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)的人工裝配作業(yè)更多通過手工操作排單的模式來保證產(chǎn)品訂單的交期，人工裝配的生產(chǎn)效率不高，很難實現(xiàn)大規(guī)模的批量生產(chǎn)。當(dāng)前，在日益激烈的行業(yè)競爭中，這種效率較低的人工作業(yè)模式很難緩解產(chǎn)能的壓力。因此設(shè)計規(guī)劃自動化貼標(biāo)產(chǎn)線，通過應(yīng)用智能化裝配技術(shù)和現(xiàn)代化信息技術(shù)的結(jié)合，用自動化機械手來代替人工的重復(fù)勞動，實現(xiàn)機箱產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化。通過使用自動化貼標(biāo)產(chǎn)線，可以實現(xiàn)打印、標(biāo)簽、貼標(biāo)剝離和運輸周轉(zhuǎn)等多工位的合并，一個機箱產(chǎn)品完整的自動化生產(chǎn)節(jié)拍可以穩(wěn)定控制在4 s以內(nèi)，換算成一天7.5 h的有效工作時長，理論可達到6 750件/d的極限產(chǎn)量，足夠滿足交期緊張的產(chǎn)能需求，這樣的自動化流水模式大大提升了生產(chǎn)效率，提升了車間生產(chǎn)的整體產(chǎn)能。

4.3 降低人工工時成本

傳統(tǒng)模式的多工位、多工序、多人工的生產(chǎn)，不僅耗費大量工時成本，周轉(zhuǎn)運輸過程同樣冗雜繁瑣。該自動化貼標(biāo)產(chǎn)線占用空間小，通用性高，針對不同大小機箱均可進行自動貼標(biāo)周轉(zhuǎn)，是一種高度集成的柔性化、智能化貼標(biāo)產(chǎn)線。其集成了搬運、撕標(biāo)、打印、貼標(biāo)和皮帶運輸?shù)榷鄠€工序，大幅度減少人工參與，縮短產(chǎn)線的運輸周轉(zhuǎn)線，避免了成品周轉(zhuǎn)前后的反復(fù)搬運，同時還能夠避免人工粘貼搬運環(huán)節(jié)造成的二次污染及產(chǎn)品返工報廢的成本，大大降低了人工成本，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

4.4 降低產(chǎn)品的報廢率

相比傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，全自動貼標(biāo)產(chǎn)線采用高精度的標(biāo)簽識別系統(tǒng)以及標(biāo)簽定位系統(tǒng)，能夠有效降低誤差率，提高貼標(biāo)精度，保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)，降低誤差率。全自動貼標(biāo)機完全替代人工貼標(biāo)的環(huán)節(jié)，操作人員在操作過程中幾乎不會接觸到貼標(biāo)機的運轉(zhuǎn)部件，不僅消除了人為操作的危險性，也消除了人工粘貼的返工報廢，同時全自動貼標(biāo)機具有檢測系統(tǒng)，可以檢測標(biāo)簽是否能夠貼合，如果存在無法貼合的情況，會自動停機報警，這些優(yōu)勢都大大減少了因貼不好標(biāo)簽而造成的產(chǎn)品廢品率。

5 機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線的應(yīng)用價值

通過以上分析，相對傳統(tǒng)的手工貼標(biāo)，全自動貼標(biāo)簽機貼標(biāo)質(zhì)量優(yōu)，選用彈壓性覆標(biāo)模式貼標(biāo)，貼標(biāo)效果好、無皺褶；貼標(biāo)機使用靈敏，機箱產(chǎn)品在皮帶上平躺式貼標(biāo)，可以主動控制運輸、換向節(jié)奏，可單機出產(chǎn)，也可接流水線出產(chǎn)；貼標(biāo)產(chǎn)線實現(xiàn)了智能操控，主動光電追尋，具有無物不貼標(biāo)，無標(biāo)主動校正和標(biāo)簽主動檢測功用，避免漏貼和標(biāo)簽糟蹋；貼標(biāo)機穩(wěn)定性高，貼標(biāo)機調(diào)整簡略，貼標(biāo)速度、輸送速度可完成無級調(diào)速，根據(jù)需要進行調(diào)整產(chǎn)線節(jié)拍；貼標(biāo)機堅固耐用，整條采用型材支架結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可靠，整機堅實耐用。自動化貼標(biāo)產(chǎn)線適用范圍廣、通用性高，通用型的定位工裝可適用不同大小的機箱產(chǎn)品的不同位置貼標(biāo)，調(diào)整便利。

本產(chǎn)線實現(xiàn)了人工撕標(biāo)、貼標(biāo)、打印和周轉(zhuǎn)運輸?shù)裙ば虻淖詣踊脑欤c現(xiàn)有的人工操作模式相比更具集成度，以及較高的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化水平。同時，工業(yè)生產(chǎn)開展過程中可以直接在智能系統(tǒng)中輸送更多的程序與工作參數(shù)，精準(zhǔn)控制整個機箱產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，確保產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量與精度和生產(chǎn)需求相符。該機箱自動貼標(biāo)產(chǎn)線投產(chǎn)后能顯著提高企業(yè)整體的生產(chǎn)效率，減少人工周轉(zhuǎn)，降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化工序結(jié)構(gòu)。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 每臺機箱貼標(biāo)提升效率

6 結(jié)束語

總之，在智能化制造不斷被提及的工業(yè)背景下，將現(xiàn)有過度依賴人工作業(yè)的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑⒆詣踊墓I(yè)生產(chǎn)模式，切實有效地提高產(chǎn)能，減少成本，是每一個制造企業(yè)首要考慮的變革方向。由點到線地將人工單點工位逐步集成為流水線式自動化產(chǎn)線，由局部到整體提高車間生產(chǎn)的自動化程度，最終將以人為主的生產(chǎn)車間轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊a(chǎn)線主導(dǎo)生產(chǎn)的智能化工業(yè)車間，從長遠角度看，這樣才能有利于車間生產(chǎn)的工藝優(yōu)化，節(jié)能增效，提高企業(yè)生產(chǎn)的整體經(jīng)濟效益。