張東，管志光,2a ，張廣淵

(1. 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014;2.山東交通學(xué)院 a.工程機(jī)械學(xué)院; b. 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

美國、日本、德國、意大利是包裝機(jī)械四大強(qiáng)國[1]，美國對包裝機(jī)械的研究較早，已經(jīng)形成了完整而獨(dú)立的包裝工業(yè)體系，包裝機(jī)械產(chǎn)品豐富、種類繁多。德國包裝機(jī)械在設(shè)計(jì)和制造上居于領(lǐng)先地位，生產(chǎn)的包裝機(jī)械占整個(gè)歐洲的70%，其出口量占世界包裝機(jī)械出口市場的29%，位居世界第一[2]。我國的包裝機(jī)械技術(shù)與世界先進(jìn)水平存在較大差距，主要體現(xiàn)在自動(dòng)化程度低、產(chǎn)品可靠性差、精度較低和技術(shù)更新慢等方面[3]。隨著信息技術(shù)與現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展，包裝機(jī)械進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，全自動(dòng)柔性與包裝精度成為了該領(lǐng)域許多學(xué)者和公司研究的熱點(diǎn)[4]。國內(nèi)外現(xiàn)有的汽車剎車盤包裝系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了折箱自動(dòng)化，但是在折箱之前需要專門的人員對汽車剎車盤位置進(jìn)行調(diào)整，存在較大的人為誤差，人工參與包裝限制了汽車剎車盤包裝系統(tǒng)的工作效率。開發(fā)精度更高、速度更快和功能更復(fù)雜的定量包裝機(jī)械，已經(jīng)成為工業(yè)強(qiáng)國的共識(shí)[5-6]。包裝機(jī)械控制系統(tǒng)能對生產(chǎn)過程中各信號(hào)狀態(tài)、故障情況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，并能定位故障點(diǎn)，從而進(jìn)行針對性處理[7]。針對目前國內(nèi)落后的汽車剎車盤全自動(dòng)柔性包裝系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，本文研發(fā)了一條集成化、高效化、智能化的汽車剎車盤全自動(dòng)柔性包裝系統(tǒng)生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率，降低了人工成本。

1 包裝系統(tǒng)總體布局

本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)柔性包裝系統(tǒng)針對某公司生產(chǎn)的剎車盤包裝，要求每個(gè)包裝盒包裝兩片或一片剎車盤，每個(gè)剎車盤均需覆膜，封箱前發(fā)放合格證和說明書，當(dāng)包裝盒中放置兩片剎車盤時(shí)，要求兩剎車盤背靠背放置，且剎車盤中間放置隔板。因此，該包裝線主要包括自動(dòng)卸件模塊、自動(dòng)覆膜包裝模塊、自動(dòng)開箱模塊、工件自動(dòng)翻轉(zhuǎn)模塊、機(jī)器人裝箱模塊、自動(dòng)發(fā)放證書模塊、自動(dòng)折蓋封箱模塊等部分。其總體布局如圖1所示。

圖1 流水線總體布局Fig.1 General layout of a packaging line

1.1 自動(dòng)卸件、覆膜包裝模塊

自動(dòng)卸件和覆膜包裝模塊位于剎車盤自動(dòng)柔性包裝線前端，由皮帶式接料輸送系統(tǒng)、精確定位機(jī)構(gòu)、自動(dòng)覆膜封口包裝機(jī)、熱塑成型機(jī)以及多個(gè)位置傳感器組成。兩模塊動(dòng)作銜接良好，工件經(jīng)自動(dòng)覆膜后外形美觀，便于后續(xù)工序的定位和取放。

1.2 工件自動(dòng)翻轉(zhuǎn)模塊

工件自動(dòng)翻轉(zhuǎn)模塊由專用夾取工裝、精確定位機(jī)構(gòu)、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)移位設(shè)備以及多個(gè)位置傳感器組成。當(dāng)一包裝箱需放入兩工件時(shí)，工件姿態(tài)為背靠背，此模塊在機(jī)器人抓取之前便將工件姿態(tài)調(diào)整好，便于機(jī)器人分類取放。當(dāng)一包裝箱只放入一工件時(shí)，自動(dòng)翻面移位設(shè)備只移位不翻面，兩機(jī)器人可同步工作。

1.3 自動(dòng)開箱模塊

自動(dòng)開箱模塊由自動(dòng)開箱機(jī)構(gòu)、自動(dòng)折底封底機(jī)構(gòu)以及多個(gè)位置傳感器組成。模塊采用立式儲(chǔ)存紙板方式，可在不需停機(jī)狀態(tài)下隨時(shí)補(bǔ)充紙箱板；合理化設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同吸取成型、折底與貼膠帶封底一次同步成型；通過處理各位置傳感器及相鄰模塊的交互信號(hào)，能夠精確控制各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，完成開箱工序。

1.4 自動(dòng)發(fā)放證書模塊

自動(dòng)發(fā)放證書模塊由兩臺(tái)自動(dòng)發(fā)卡機(jī)組成，通過處理各位置傳感器及相鄰模塊的交互信號(hào)，能夠在準(zhǔn)確發(fā)放合格證、說明書及緩沖隔板的同時(shí)精確計(jì)數(shù)。

1.5 機(jī)器人裝箱模塊

機(jī)器人裝箱模塊由兩套工業(yè)機(jī)器人本體、專用可調(diào)夾具及精準(zhǔn)控制系統(tǒng)組成。選用高可靠性工業(yè)機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)核心，具有高負(fù)載和大臂展，經(jīng)系統(tǒng)集成后由精準(zhǔn)程序自動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)穩(wěn)定；專門設(shè)計(jì)的可調(diào)式夾具，能適應(yīng)不同直徑的工件，通過靈活可靠的關(guān)節(jié)型夾爪實(shí)現(xiàn)對工件的取放，完成裝箱工作。

1.6 自動(dòng)折蓋封箱模塊

自動(dòng)折蓋封箱模塊由自動(dòng)折蓋機(jī)構(gòu)、自動(dòng)封箱機(jī)構(gòu)以及多個(gè)位置傳感器組成。模塊自接收到自動(dòng)輸送模塊傳來的紙箱后，可連貫完成折蓋、輸送、貼膠帶封箱等一系列動(dòng)作，最后將封好的紙箱進(jìn)行碼垛。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)采用S7-1200 PLC為控制器，通過接收上位機(jī)命令實(shí)現(xiàn)剎車盤的自動(dòng)包裝。S7-1200 PLC根據(jù)各傳感器信號(hào)控制包裝線的順序運(yùn)行并將相關(guān)信息傳送至上位機(jī)，上位機(jī)對多種信號(hào)進(jìn)行處理。上位機(jī)采用組態(tài)軟件WinCC，主要負(fù)責(zé)命令的傳達(dá)及相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理。

2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

汽車剎車盤自動(dòng)柔性包裝線工作時(shí)，各模塊按設(shè)定流程順序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)剎車盤的包裝。由于本系統(tǒng)主要根據(jù)各接近開關(guān)信號(hào)控制機(jī)械手、各部分運(yùn)輸線、開箱、封箱、工件翻轉(zhuǎn)、證書發(fā)放及狀態(tài)指示燈等，因此需要輸入點(diǎn)數(shù)為25，輸出點(diǎn)數(shù)為42，部分I/O地址分配如表1所示。下位機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)汽車剎車盤自動(dòng)柔性包裝線的可靠運(yùn)行，各傳感器、按鈕、指示燈和工控機(jī)均與PLC連接[8]，步進(jìn)電機(jī)控制工件翻轉(zhuǎn)，交流電機(jī)控制運(yùn)輸線，機(jī)械手控制剎車盤的翻轉(zhuǎn)、裝箱、證書發(fā)放等功能?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

表1 I/O地址分配表

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the control system

2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

由于在運(yùn)行過程中，需要對運(yùn)行節(jié)拍、包裝個(gè)數(shù)等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示保存，并將相關(guān)信息通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布，因此設(shè)計(jì)了通過WinCC Web Navigator 進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布[1]，但網(wǎng)絡(luò)端僅具有瀏覽監(jiān)視功能，不具有操作功能。PLC采集到工作參數(shù)后，通過以太網(wǎng)方式與工控機(jī)通信在線顯示相關(guān)參數(shù)并發(fā)布。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布步驟如下[9]：

(1)創(chuàng)建Web站點(diǎn)。打開組態(tài)好的汽車剎車盤自動(dòng)柔性包裝線WinCC項(xiàng)目，進(jìn)行“Web組態(tài)器”設(shè)置。定義一個(gè)Web標(biāo)準(zhǔn)站點(diǎn)，在IP地址中選擇一個(gè)地址，創(chuàng)建好后激活該站點(diǎn)；

(2)發(fā)布過程畫面。打開Web瀏覽發(fā)布器，添加需要發(fā)布的畫面、腳本等；

(3)WinCC用戶管理器設(shè)置。打開用戶管理器，增加一個(gè)新組并添加新用戶，設(shè)置用戶密碼，在權(quán)限里選擇“Web訪問-僅監(jiān)視”，設(shè)置起始畫面；

(4)測試。完成所有步驟后開始進(jìn)行測試，打開IE瀏覽器，輸入第一步創(chuàng)建的Web站點(diǎn)，在彈出的窗口中輸入用戶名和密碼，進(jìn)入發(fā)布的畫面，此畫面為局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布；

(5)外網(wǎng)發(fā)布。外網(wǎng)發(fā)布需要借助虛擬服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，也可以通過專用軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)通過專用軟件發(fā)布網(wǎng)址。打開軟件，在http欄里輸入WinCC的地址，設(shè)置好端口，即可發(fā)布。WinCC外網(wǎng)發(fā)布有利于管理人員的監(jiān)控，更加方便快捷。顯示的主界面如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布Fig.3 Web publishing

3 實(shí)際應(yīng)用

研發(fā)的全自動(dòng)柔性包裝系統(tǒng)已于2020年7月在萊州某剎車盤包裝企業(yè)投入實(shí)際生產(chǎn)使用，如圖4所示。全自動(dòng)柔性包裝系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)與服務(wù)器通過實(shí)時(shí)通信，根據(jù)服務(wù)器發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對剎車盤的包裝，并通過人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控各子模塊的流程狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了全方位、無人值守的全自動(dòng)包裝系統(tǒng)。

圖4 剎車盤包裝系統(tǒng)應(yīng)用Fig.4 Application of packaging line for automobile brake discs

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)柔性包裝系統(tǒng)由自動(dòng)開箱模塊、工件自動(dòng)翻轉(zhuǎn)模塊、機(jī)器人裝箱模塊、自動(dòng)發(fā)放證書模塊、自動(dòng)折蓋封箱模塊等部分組成。采用PLC作為控制器實(shí)現(xiàn)了包裝線各模塊的邏輯控制，控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，人機(jī)界面友好，功能齊全，提高了工作效率及包裝質(zhì)量，節(jié)約了勞動(dòng)成本。今后考慮完善系統(tǒng)運(yùn)行中的報(bào)警功能，提高整個(gè)生產(chǎn)線運(yùn)行的可靠性。