连杯酸奶自动分拣装箱与码垛一体化系统设计与实现

0 引言

近年来，世界各国的酸奶市场均有较大程度的增长，中国酸奶市场增长率继续领跑全球[1]。分拣和装箱工序是连杯酸奶生产的最后一道工序，在日常生产中由人工完成。生产人员工作内容包含产品日期有无检测和重量检测，产品人工装箱及码垛。按连杯酸奶每组1kg计算，每箱重量9kg，存在劳动强度大，生产效率低，影响了整个酸奶生产线的效率，严重制约生产产能。同时，生产过程中日期和重量的检测由装箱码垛人员兼顾完成且容易出现视觉疲劳，容易出现漏检和误判从而导致不良产品流入市场。

为达到 “减员、增效、提质、保安全”目标，采用“机器换人”是重要途径[2～4]。本文设计开发了连杯酸奶自动分拣装箱与码垛一体化系统，该系统通过工业机器人替代人工实现连杯酸奶分拣装箱和码垛，减小劳动强度。运用机器视觉检测生产日期和在线实时动态称重机构检测产品重量，大大提高检测的准确性和效率，杜绝没有生产日期和质量不达标产品流入市场。在提升企业生产效率同时，也提升了出货良品率，有效解决了以往人工操作所存在的问题。

1 总体结构设计

连杯酸奶的自动分拣装箱与码垛一体化系统三维总体结构如图1所示，由双层输送线、视觉缺陷检测机构、物料排序机构、动态称重机构、纸箱定位机构、NG料剔除机构、满箱输送线、装箱机器人、码垛机器人等组成。

图1 自动分拣装箱与码垛一体化系统三维总体结构

双层输送线负责输送连杯酸奶和空纸箱。满箱输送线负责将装满后的纸箱输送至码垛工位。视觉缺陷检测机构和动态称重机构分别负责在输送过程中对日期有无检测和采用动态称重机构对连杯酸奶重量检测。物料排序机构负责将连杯酸奶进行校正，使其朝向输送方向。纸箱定位机构负责将空纸箱从双层输送线的下层皮带线推送至满箱输送线的装箱工位。NG料剔除机构负责将NG产品，剔除至专门的NG料箱。装箱机器人和码垛机器人分别负责将三组连杯酸奶同时放置到纸箱，以及将满箱后的纸箱抓至栈板上并码垛整齐。

系统主要工序动作为：连杯酸奶经过裹包插管后，经过双层输送线的上层皮带线输送至装箱等待位。输送途中经过物料排序机构校正方向，并经视觉检测和重量检测。没有生产日期和重量不达标的NG产品，经NG料剔除机构，剔除至专门的NG料箱中，待人工统一处理。空纸箱经过双层输送线的下层皮带输送线，到达纸箱定位机构，并经其推送至装箱位。当空纸箱和3组连杯酸奶到位后，装箱机器人开始装箱。将9组连杯酸奶装箱完毕后，经过满箱输送线到达码垛工位，由码垛机器人将满箱后的产品在栈板上码垛整齐，再由转运工人将其转运到仓库。图2为自动分拣装箱与码垛一体化系统的工艺流程图。

图2 工艺流程图

2 关键机构设计

2.1 输送线及关联机构

本系统需要在狭小的空间内，快速完成连杯酸奶方向校正、NG料检测、连杯酸奶定位、空箱推送、满箱运输等功能，如图3所示。

图3 输送线及关联机构

双层输送线上层皮带线共分为三段。其中第一段为物料过渡段，采用低速设计，保证物料排序机构校正连杯酸奶时可控而不至于倾斜跑偏现象；第二段为高速输送段，用于将相邻连杯酸奶的间距拉开距离，避免称重误差；第三段输送线设置称重机构。该厂酸奶生产效率要求1件/s，静态称重系统不能满足效率要求，因需要等待物料平稳后并有1S～2S的稳定时间，才可以准确的读取数据。本系统采用动态称重系统，在皮带运转时对连杯酸奶进行动态的称重，实现不停机检测，大大提高运行效率。此外，第三段输送线线速度与第二段匹配，避免因物料速度变化而产生惯性，进而影响称重精度。

为增加系统稳定性，满箱输送线的装箱工位在两个方向设置固定挡板和另外两个方向设置推动气缸。当空纸箱到达装箱工位后，从四个方向将空纸箱定位，且定位位置均安装有检测传感器。若空纸箱未到达设定位置，系统会发生报警并停机。从而确保装箱时的位置唯一性，进而提高设备运行的稳定性。

2.2 装箱机器人

当3组连杯酸奶到达装箱等待位后，机器人收到信号，根据设定好的路径进行装箱工作。工作时通过机器人末端夹具（真空吸盘组）准确抓取物料。装箱机器人由六轴关节机器人、机器人底座、真空吸盘组、真空回路及检测装置等构成，如图4所示。

图4 装箱机器人三维图

为保证所有吸盘均能较好的贴合，选用多层风琴吸盘且吸盘抓取面低于正常面，使得吸盘具有较大的压缩量。设计4个φ30吸盘对应每组连杯酸奶（重量为1kg），每个吸盘可抓取重量为3.5kg。4个吸盘只要有1～2个吸盘吸住连杯酸奶，便不会存在抓取不牢问题。同时安装有真空压力传感器，可以实时监控吸盘组状态，确认物料抓取是否牢靠。当出现散脱情况，系统及时停止并发出报警信号，直到操作人员将警报解除。

2.3 码垛机器人

满箱产品到达码垛工位后，机器人开始抓取纸箱，将纸箱依次进行摆放码垛。当栈板A码垛完成后，系统发出满跺信号，并自动切换到栈板B开始码垛。若没有放置空栈板，系统会发出警报，提醒放置栈板。图5码垛机器人由四轴机器人、夹爪、机器人底座、栈板组及栈板检测报警系统组成。

图5 码垛机器人三维图

因连杯酸奶转运纸箱为无上盖纸箱，无法从上端面吸取且从两侧夹取时也易使箱体变形。而且奶制品在码垛时不易重摔，否则会造成外包装破损，因此，本系统采用拖底式夹爪。码垛机器人夹爪为组合型夹具，分为可移动防滑夹板和挂钩，如图6所示，其中挂钩安装在可移动夹板上，可随夹板一起动作。

图6 码垛机器人夹爪三维图

夹爪采用2组双缸双杆气缸，能同时抓取两箱产品。夹爪设置有检测物料传感器，监控纸箱是否准确抓取。通过在气缸增加缓冲装置，保证抓取过程不伤害到箱体。纸箱到达码垛工位时挂钩放下，通过夹板将纸箱定位夹紧。搬运时挂钩和夹板同时工作，防止机器人快速运动时纸箱脱落。到达码垛位正上方时挂钩打开，物料在夹板夹持下缓慢下降，完成码垛。

2.4 视觉缺陷检测

通过机器视觉对生产日期检测已取得成功应用[5,6]，本文视觉检测系统由相机（130万黑白，30帧）、镜头（12mm）、环形光源、控制器和支架构成。利用视觉算法实现生产过程中生产日期喷印的缺陷检测、有无检测、位置检测、重叠检测。检测速度可达到50件/min，能够快速、准确地判断生产日期是否存在异常，并及时剔除问题商品。

3 控制系统设计

电气控制系统选用西门子S7-1200作为控制器，PLC控制器是整个控制系统的核心[7]。系统具有自动控制、检测、保护、报警等功能。此外，机器人控制柜、示教盒、操作盘上设有急停按钮，在系统发生紧急情况时可通过按下急停按钮来实现系统急停并同时发出报警信号。PLC通过I/O模块连接口与扩展模块直接相连。PLC及其扩展模块I/O分配表如表1所示。触摸屏作为一种便捷的人机交互方式，在工业生产中得到广泛使用[8]。本系统的生产状态显示，以及启动、停止、暂停、急停等运转方式均通过触摸屏实现。

表1

系统通过PLC与机器人、视觉系统通讯，实现智能化操作以及自动分拣装箱和码垛功能，并能及时发出物料空缺报警，满跺报警等。系统具有手动操作模式和自动运行模式，可以通过触摸屏进行模式切换。根据连杯酸奶自动分拣装箱与码垛一体化系统的工作过程，其主程序流程图如图7所示。

图7 PLC主程序流程图

4 结语

针对连杯酸奶人工装箱码垛时存在的劳动强度大、生产效率低且易出质量事故等问题，设计和开发了连杯酸奶自动分拣装箱与码垛一体化系统。实际应用表明，按8小时工作制，所设计的一体化系统与传统人工装箱码垛对比，每天比人工生产18.1吨多4.5吨，产能提升25%，明显提高了生产效率，降低了劳动强度。且系统运行可靠，不存在连杯酸奶最终产品的质量缺陷，适用于酸奶的大批量生产，有效提高企业的经济效益。