基于PLC的橢圓形魚罐頭機器人自動裝箱生產線

周燦宇

ZHOU Can－yu

（廣州鷹金錢企業集團公司，廣東 廣州 510900）

（Guangzhou Eagle Coin Enterprise Group Corp，Guangzhou，Guangdong 510900，China）

隨著社會的高速發展，產品的生產也越來越高速和自動化。目前中國很多產品在生產過程中，產品的裝箱仍然采用人工包裝，工人的勞動強度越來越大，制約了企業生產能力的提高，嚴重影響企業的發展［1］。橢圓罐魚罐頭產品由于包裝外形的特殊性，一直無法采用自動裝箱技術。為了實現橢圓罐魚罐頭全自動裝箱，采用基于PLC控制的機械手進行取罐、取隔層紙、放罐和放隔層紙等，以此為重點開發一條橢圓形魚罐頭自動裝箱生產線。

1 魚罐頭裝箱生產線的組成

魚罐頭自動裝箱生產線由開箱機、機器人裝箱系統、分罐伺服輸送系統、箱輸送系統、封箱機以及罐頭輸送系統等設備組成。通過罐頭輸送和箱輸送系統，將開箱機、機器人裝箱機和自動封箱機進行有效連接。利用PLC控制系統和伺服控制系統實現魚罐頭裝箱生產線的全自動化。圖1是魚罐頭自動裝箱線總體布局圖。

圖1 罐頭自動裝箱生產線布局圖Figure 1 Fish can automatic packing production line layout

2 魚罐頭自動裝箱生產線的工作原理

魚罐頭自動裝箱系統的關鍵是魚罐頭的排列輸送，確保罐頭的有序排列，核心是采用PLC控制的機械手，實現自動裝罐、自動放罐和自動抓放隔層紙。

經過貼標后的橢圓魚罐頭，通過單排輸送鏈，進入伺服分列機，由伺服分列系統將魚罐頭有序排列成3列，進入三列輸送鏈和緩沖區，并直接進入裝罐提升機，等待機器人抓手動作。紙箱在采用自動開箱機進行開箱后，通過紙箱輸送鏈將空紙箱輸送到裝箱輸送鏈，設定規格是每次裝箱為4箱，每箱為24罐（每層6罐，共4層）。在機械手裝罐動作開始前，空紙箱進入裝箱導向框，當進入紙箱數量達到4個時，空紙箱就位完畢。隔層紙通過人工加滿隔層紙后，通過手工推送進入隔層紙提升機的工作位置。

在紙箱、隔層紙和罐頭分別到位后，本裝箱機器人機械手采用真空吸取系統，當機械人的PLC控制系統收到相應信號后，從原點開始工作，完成取（放）隔層紙、取（放罐頭）等動作。分別完成4次放罐和5次放隔層紙后，完成一個周期的機器人裝箱動作。裝滿罐頭后的紙箱，通過裝箱輸送鏈輸送到自動裝箱機，完成裝箱工序。

3 裝箱生產線的構成

針對橢圓魚罐頭外形的特殊性，需要對機器人裝箱系統和相關系統等進行專門設計，充分利用成熟的開箱和封箱設備以及相關的輸送連接，保障裝箱生產線的自動化運行。

3.1 機器人裝箱系統

3.1.1 原理 魚罐頭機器人裝箱系統采用PLC控制系統，利用伺服電機實現動作。該系統采用氣壓驅動，在一個機械臂上安裝2個機械手，通過機械手的上下方向的直線運動和左右方向的直線運動實現1次裝罐頭和隔層紙的動作，罐頭裝箱運動方向見圖2。機械手抓取動作由真空系統實現，該系統需實現自動加罐頭和隔層紙兩類物料，采用2個真空吸料系統，分別吸（放）罐和吸（放）隔層紙。罐頭通過輸送帶的輸送進入裝罐提升機，紙箱通過自動開箱機的折疊成型，由紙箱輸送帶將紙箱按需進入裝箱位置［2］。

圖2 裝罐工作方向示意圖Figure 2 Canned packing work direction

3.1.2 動作分析 機器人自動裝箱的布局見圖3。裝罐系統開始動作時，罐頭輸送帶排列鏈上的罐頭通過機械抓手上的真空吸頭，將罐頭真空吸取，并將其裝進紙箱內；在放罐的同時，利用另外一個吸頭完成隔層紙的吸取；當完成放罐動作后，機械手上升向右移動，并且下行吸罐，同時吸紙系統完成放隔紙動作，當完成設定的4層罐頭數和5層隔層紙后，機械手回復原位，一次裝箱周期動作完成。

圖3 機器人裝箱系統示意圖Figure 3 Pack robot system schematic diagram

機器人手抓的具體動作經4個循環，每個單循環動作：原位→取隔層紙→移動→取罐頭（放隔層紙）→移動→放罐頭（取隔層紙）→移動（來回共4個循環動作）→復位。紙箱輸送系統將整箱輸送到自動封箱機完成封箱操作，空紙箱同步輸送進入裝箱位置，實現裝罐、加隔層紙、封箱全過程的自動化。機械人裝箱的全部動作過程由PLC編制的程序實現，由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中實現上升／下降、左行／右行、吸緊／放松功能［3］。

3.1.3 機器人裝箱的工作流程及PLC程序編制 根據對機器人自動裝箱動作的分析，可以對機械手每個動作響應條件的判斷，分別對進箱動作、隔層紙到位和裝罐層數等工作參數進行判斷，形成機器人自動裝箱的工作流程，具體工作流程見圖4。

圖4 裝罐工作流程圖Figure 4 Can work flow chart

根據上述工作流程，將采用西門子S7－200系列的PLC進行編程控制。對控制系統的I／O分配進行確定。I／O分配表是編寫PLC程序和進行現場接線的重要依據［4］。根據魚罐頭裝箱的控制需要，分別對控制信號、輸入信號和輸出信號進行I／O分配，分配情況略。并根據各個動作分別建立通用輔助繼電器地址分配。根據上述的工作流程要求及I／O分配情況和地址分配情況進行PLC程序編程，并分別對原點位置、手動程序、連續程序、單周期和單步動作等動作進行設計［5，6］。

對上述設計系統進行模擬程序校驗，及時進行修正。程序運行無誤后，下載到PLC中，進行調試。觀察機械手的上下、左右、抓取和放松等動作開關及指示燈的亮滅情況［7］。通過一系列的調試、運行、修改，達到了預期的目的。

3.2 魚罐頭分列伺服輸送系統

橢圓形魚罐頭由于包裝外形的特殊性，不同于圓形罐頭，直接可以進入裝箱系統。在進入裝箱系統前，必須進行方向性的排列，保證魚罐頭在排列方向的規則化。這樣才能確保裝箱動作的正常進行。橢圓魚罐頭伺服分列輸送系統的組成見圖5。分別由入罐單列輸送帶、出罐輸送帶、伺服電機、擺罐系統、分列輸送和機架等組成。

圖5 分列伺服輸送系統示意圖Figure 5 Servo conveying system schematic diagram

分列伺服系統工作時，伺服電機脈沖細分驅動器控制伺服電機的運行，從而推動擺罐裝置移動到達指定的位置，實現準確定位。當罐頭從單列輸送帶進入，為了達到分列精準，系統通過PLC、伺服驅動器、伺服電機、接近限位開關、光電計數器組成，將罐頭1列分為3列。分列時，由原始位開始每列順延單次進罐8個，3列罐頭同時達到滿列限位時，伺服分罐自動停止。系統從那列先行退出滿列限位，則伺服分罐再由該列開始進行放罐，伺服系統根據設定程序，為機器人裝箱提供平衡穩定的3列罐頭，保證自動裝箱。

3.3 罐頭排鏈輸送系統

魚罐頭經過伺服分列系統后，變成3列罐頭，罐頭通過輸送排列鏈進入機器人裝箱系統的取罐升降機，取罐升降機的平面示意圖見圖6。

圖6 罐頭排鏈輸送系統示意圖Figure 6 Cans of chain conveyor system schematic diagram

為保證機器人手抓罐頭過程中，取得足夠數量的罐頭，不至于漏罐，在輸送排列鏈上的緩沖區的罐頭必須滿足進入取罐升降機的罐頭數量。本設備設定每次裝箱數量是4箱，每列罐頭進入升降機的數量是8罐，每次進入的罐頭共24罐。設定緩沖區的罐頭數量是每列不少于2倍的進罐數量。

在緩沖區最低緩沖數量的位置裝了具有計數和接觸功能的光電開關，當每次進入取罐升降機的每列數量達到8罐時，每列罐頭都到達升降機輸送鏈末端，并通過接近開關響應，3列都滿足時，限位壓緊氣缸動作，壓緊罐頭，升降機內輸送鏈上的罐頭升高到設定的高度，機器人機械手響應，進行取罐動作。

當緩沖區儲存的罐頭數量沒有達到設定的數量時，光電探頭傳送給PLC的信號沒有響應。需要3個光電探頭和3個罐頭到位檢測同時滿足響應后，機器手才動作。

3.4 隔層紙供給系統

隔層紙供給系統主要是由隔紙升降支架、隔層紙倉、升降氣缸、支架和光電探頭等組成。該供給系統的示意圖見圖7。專門抓取隔層紙的機械手在吸取隔層紙時，機械手底部的真空吸盤在貼近隔層紙的瞬間，形成真空狀態，隔紙吸附在真空吸盤上，通過機械手臂的位移，將隔層紙準確送到紙箱內。機械手每次吸附4張隔層紙。對隔層紙的高度和有無通過光電檢測頭進行檢測，確保每個位置有足夠的隔層紙。

圖7 隔層紙供給系統示意圖Figure 7 Interlayer paper supply system diagram

4 結論

魚罐頭自動裝箱系統生產線的機械手采用氣壓驅動，節能、無污染、高效、低成本、安全可靠。利用PLC進行動作控制，取罐、放罐、取放隔層紙均采用模塊化設計思想，結構清晰，易于修改。本裝置在目前中國圓罐自動裝箱生產線較為成熟的基礎上，對橢圓形魚罐頭自動裝箱生產線的伺服分列部分和自動裝箱進行了設計和優化，實現了異型罐頭的自動裝箱技術的突破。

機器人裝箱系統在橢圓魚罐頭自動裝箱生產線的投入使用后，運行狀況良好，按每次同時裝罐4個箱，每箱24罐的數量計算，裝箱速度達到20箱／min，完全滿足生產需求。該控制系統安全可靠，配置合理，達到了運行安全、可靠、操作簡單，節省人工成本，降低勞動強度，達到提高的目的。

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7 張萬忠.可編程控制器入門與應用實例［M］.北京：中國電力出版社，2005.