基于吞拿魚罐頭包裝生產(chǎn)線的機器人整體方案設計

王 紅

（東莞市李群自動化技術有限公司，廣東東莞 523808）

0 引言

近年來，食品安全越來越受到關注，食品包裝領域的自動化需求也被提上日程。吞拿魚罐頭在韓國屬于日常生活必備的食品，市場需求量巨大，人們的需求也越來越高，期望總價不變的情況下要涵蓋不同口味，即要求吞拿魚罐頭包裝生產(chǎn)線支持柔性化生產(chǎn)，根據(jù)客戶指定的口味模式任意組合包裝。常規(guī)的生產(chǎn)線是批量重復性生產(chǎn)類型,只能支持單一化或者有限的模式生產(chǎn)，長處在于高效率生產(chǎn)，但根據(jù)客戶指定任意類型生產(chǎn)卻無法滿足[1]。針對這一點，本文提出了一種整線設計方案，采用多個機器人組合的分布式控制和上位機控制互相結合的方式，可以滿足客戶多品種組合的要求，又可以實現(xiàn)高效率生產(chǎn)。

1 設計背景

客戶生產(chǎn)線在韓國漢城，整體上可將整條罐頭包裝生產(chǎn)線分為3 段。第1 段是來料和理料（不同品類的罐頭分配到相應的傳送帶）；第2段是按照要求分揀不同種類的罐頭進行組合輸出，罐頭質(zhì)量有90 g、100 g、135 g、150 g、165 g 5種，90 g 罐頭和100 g 罐頭的直徑是一致的，135 g 罐頭、150 g 罐頭、165 g罐頭的直徑是一致的，90 g的罐頭與165 g的罐頭高度差約6 mm，不同質(zhì)量罐頭的高度不一致，這個需要硬件設計具有很強兼容性；第3段是以第2段的輸出為輸入進行封膜包裝和裝箱。第1段和第3段為客戶設計，本文不做贅述。本文主要講解第2段，硬件布局如圖1所示。#1傳送帶和#2傳送帶是來料傳送帶，這2 條傳送帶上的物料可能相同也可能不同；#3 傳送帶為組裝傳送帶，按照客戶指定需求，組裝不同類型罐頭然后輸出到下一個工站，5臺蜘蛛手機器人（Delta）以直線形式排開，接受主機指令執(zhí)行正確的分揀任務，視覺系統(tǒng)為第2段的輸入源，主要用來識別輸入罐頭的品類?？蛻舻慕M裝需求包含如圖2 所示的14 種模式，且要求不同模式可隨時切換，同時每一種模式產(chǎn)能要求均為260 pcs/min。

圖1 硬件布局

圖2 吞拿魚罐頭的14種組合方式，A/B代表2種不同類型的罐頭

2 解決方案

2.1 硬件方案

如上述所述，系統(tǒng)中包含的5臺蜘蛛手機器人和3條傳送帶，其中#1傳送帶和#2傳送帶是來料傳送帶，#3傳送帶為組裝傳送帶。為了滿足客戶14種模式的不同組合及后期的任意擴展需求，5臺機器人中心均布局在#3傳送帶正上方并按直線方式依次排布，工作范圍覆蓋#1、#2、#3 3 條傳送帶，這樣做的目的是每臺機器人均可以被指定在#1傳送帶或者#2傳送帶上抓取物料，然后放置到#3 傳送帶上實現(xiàn)多種組合模式。為了快速識別物料的品類，在#1傳送帶和#2傳送帶的入口處分別設置了視覺識別系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)將識別的信號傳遞上位機，上位機將信號匹配后傳遞給機器人。因為線體較長（約7 m），為了保證傳送帶跟蹤精度，3條傳送帶每條均安裝2個編碼器，硬件設計上保證2個編碼器信息同步，前段編碼器信號主要輸送給#1、#2、#3 機器人，后段編碼器信號主要輸送給#4、#5機器人。

2.2 電氣方案

按照14種組合模式，5臺機器人的功能分布是前3臺機器人為1 組，后面2 臺為1 組，如圖3 所示。因為其他器件及接線方式比較常規(guī)，這里重點描述多組編碼器的電氣處理方案。系統(tǒng)中有3條傳送帶，為了實現(xiàn)機器人對傳送帶上物料的動態(tài)跟蹤，每條傳送帶前后均有2個編碼器，考慮到編碼器本身為無源器件，即采用機器人輔助編碼器接口的＋5 V 電源輸出給編碼器供電。如果用1個接口給編碼器供電，同時1個編碼器輸送給多臺機器人（>2 臺），會出現(xiàn)編碼器欠壓的狀況，方案中采用了拆解的方式，如圖4 所示。#1 傳送帶的編碼器由#2 機器人的輔助編碼器口供電后，把信息同時輸送給#1、#2、#3機器人；#2傳送帶的編碼器由#3機器人的輔助編碼器口供電后，把信息同時輸送給#1、#2、#3機器人；#3傳送帶的編碼器由#1機器人的輔助編碼器口供電后，把信息同時輸送給#1、#2、#3 機器人；#4、#5 機器人接線方式類似，不再贅述。這種接線方式既可以保證電氣穩(wěn)定，不出現(xiàn)一個電源供多個導致欠壓，又相對簡潔，不需要引入其他電源設備。

圖3 硬件及電氣系統(tǒng)布局

圖4 軟件系統(tǒng)邏輯設定

2.3 軟件方案

軟件方案包含1 臺上位機，負責視覺信號的處理、用戶模式指定、生產(chǎn)信息收集、錯誤代碼顯示[1－4]；2組相機，負責查看自己傳送帶上的物料品類，然后把信息傳遞給上位機，上位機處理好后通知#1 號機器人。5 臺機器人基于TCP/IP 協(xié)議形成菊花鏈式網(wǎng)絡拓撲結構[3,5]，#1 機器人與#2 機器人鏈接，#2機器人與#3機器人鏈接，因為只有2種罐頭類型，前3臺機器人定位1 組，抓取1 種物料，后2 臺機器人定位1 組，抓取另外1 種物料。輸入傳送帶上的配合操作如下：#1 和#2傳送帶為來料傳送帶，視覺系統(tǒng)將物料信息通知#1 機器人，#1機器人分揀完畢后將剩余物料信息通過網(wǎng)絡傳輸給#2機器人分揀，#2 機器人操作完畢后通過網(wǎng)絡傳輸給#3 機器人操作。#3傳送帶為輸出線，這條線與#1、#2傳送帶不同，其沒有輸入源，通過設計讀取編碼器信號值固定長度后即自動產(chǎn)生一個數(shù)字信號作為輸入源，有了輸入源之后，利用傳送帶跟蹤功能給出的跟蹤對象，機器人即可以往跟蹤對象上放置物料。類似輸入傳送帶，這條傳送帶上的物料同樣是#1機器人動態(tài)跟蹤完畢后，通過網(wǎng)絡傳輸給#2機器人進行操作。可見#1、#2、#3 機器人均要同時跟蹤#1、#2、#3 3 條傳送帶，這里需要重點說明的是#1、#2、#3 機器人傳送帶跟蹤功能需要開發(fā)多通道輸入、輸出功能，要求多個輸入通道互相獨立，不能混淆，意思是軟件中對應#1傳送帶的隊列不能與#2傳送帶輸入隊列獨立分開，不能互相訪問，具備互鎖功能，保證隊列元素不能交叉使用。同時#1 機器人在提取完2 個輸入隊列、1個輸出隊列的信息后把剩余隊列的信息傳遞給#2機器人，類推，#2機器人提取信息完畢后傳遞給#3機器人。為了保證信息不重復、不堆積，開發(fā)了查重、剔除、排序功能，查重算法采用與前5 位對比機制而非遍歷機制[6－7]，這樣可以有效保證計算效率，避免跟蹤對象變多、隊列無限增大、計算效率降低的情況?？梢圆捎眠@個快速方法的前提是對象進入隊列時的排隊機制，根據(jù)編碼器的位置信息，靠近傳送帶下游的排在隊列底部，依次向上推。

3 結果驗證及分析

從方案實施完畢正式投入生產(chǎn)，至今已2 年多，客戶現(xiàn)場一直持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。在不同產(chǎn)品組合之間，可以實現(xiàn)如圖2所示的14 種方式組合，且不同組合可以在上位機上隨時切換。在效率方面，峰值可以實現(xiàn)280 pcs/min，超出客戶預期7.6%。實際生產(chǎn)證明本文所采用的方案不但滿足了客戶柔性化生產(chǎn)需求，而且極大地提高了客戶的生產(chǎn)效率。

4 結束語

在吞拿魚罐頭生產(chǎn)包裝中，傳統(tǒng)的大量、重復性、單一類型的自動化方案已經(jīng)無法滿足客戶多樣化組合的需求，因此提出了一種柔性化的生產(chǎn)方案。采用5臺機器人串形鏈接、2組視覺、3條并行傳送帶、多組傳感器作為硬件基礎，軟件上采用上位機的主站控制和各個機器人互相通信控制的分布式控制相組合的方式，上位機負責接受用戶指令并下發(fā)給機器人，機器人收到指令后會通過內(nèi)部信息互通，分配任務，執(zhí)行任務，完成多種模式的組合。產(chǎn)線交付2年多一直穩(wěn)定生產(chǎn)，可以實現(xiàn)客戶指定的14種組合模式無縫切換生產(chǎn)，生產(chǎn)效率峰值可達到280 pcs/min，超出客戶預期7.6%。實踐證明，本文提出的方案不僅實現(xiàn)了客戶的柔性化生產(chǎn)需求，而且極大地提高了生產(chǎn)效率。