多品質色號瓷磚自動分選包裝直連線的研發應用

楊學克

摘 要：本文主要針對目前建陶行業在瓷磚成品分選包裝環節生產工序較多、用工需求較大、成本高、效率低的問題，介紹了一套創新的自動化分選包裝工序及技術裝備，重點闡述該項目研發和應用的技術方案和創新點，對其研制過程中的技術難點和解決方案進行了分析，同時對該項目產品的質量和特性也做了簡單描述，該項目必將為建陶產業生產方式轉型升級具有重要的推動作用。

關鍵詞：多品質;自動分選;磚垛分類編組;勾夾輸送;智能;遠程監控

1 研制概述

自從中國經濟進入“新常態”以來，曾經產能高速擴張的中國建陶行業也面臨著產業重新整合、技術進一步升級、成本與效益進一步優化的要求。目前行業流行的兩種成品瓷磚分選包裝作業流程：一種是“自動揀磚線”+人工作業陳放場+“獨立型自動包裝線”，另一種是“單一品質直連型自動包裝線”+人工輔助多品質瓷磚分選包裝作業。這兩種作業流程仍然沿襲了原有人工分選包裝作業的工序流程，雖然以自動化裝備代替人工實現了部分工序的自動化作業，大幅降低了工人的勞動強度并有效提升了生產效率，但是在降低用工數量與成本、簡化工序環節等方面效果有限。

為此，鼎吉包裝不斷改進及研發新的功能裝備，擴展公司產品功能，積累大量工程案例及經驗。在集成各種直連分選包裝自動化技術的基礎上，又率先研發“多品質色號瓷磚自動分選包裝直連線”項目。隨著該項目所涉及的創新工藝與技術裝備的日臻完善，必將成為建陶產業生產方式轉型升級的重要推動力之一。

2 研制工作的主要技術環節

2.1 設計技術參數的確定

（1）整線設備的功能需求

A、兼容800×800、600×600、900×600、800×400和600×300等多種規格;

B、能夠自動辨識瓷磚側面的品質色號標記并將瓷磚的品質色號信息錄入控制系統;

C、能夠根據瓷磚的品質色號分類疊摞成垛、包裝捆扎及在托盤上堆垛;

D、瓷磚疊摞成垛時可以根據客戶要求選擇面對面或面對背的疊摞方式;

E、以瓦楞紙板包裹磚垛時可以根據客戶要求選擇加裝塑料包角或雙層折疊紙板等方式加強對磚垛四角的防護;

F、磚包堆垛可以根據客戶要求選擇在儲磚架上以立置、平置或立置加平置等方式的單排或雙排堆垛，也可以選擇在物流托盤上以立置拼砌成空心或實心等排列模式的單層或多層堆垛;

G、如果是在物流托盤上堆垛可以按照客戶要求將所有外露的磚包以正面朝外或客戶標識朝上的規則擺放;

H、可根據客戶需求加裝遠程監控系統，利用互聯網技術遠程連線整線所有PLC，對整線及各個單機設備的開機率、故障率、運行狀況、現場故障原因及隱患實施遠程實時監控，遠程實時修改PLC控制軟件。

（2）整線設備的性能要求

A、產能。以600×600 規格的瓷磚考核，24小時產能達到 16000 m2;

B、瓷磚品質等級及色號要求。可根據瓷磚的品質色號總數及各個品質色號的產量占比選擇相適應的功能裝置組合成自動分選包裝線配置方案。

2.2 整線總體技術方案

2.2.1整體規劃

該項目立足于中國建陶行業目前的產品特點：規格大、產量大并且品質色號分類較多、以及未來可能的產品趨勢：小批量多規格頻繁切換的訂單化生產，采用了“瓷片分選疊磚-磚垛分類編組-磚垛包裝捆扎-磚包堆垛”工藝模式，解決了國外現有的“磚包分類堆垛”裝備不能滿足國內產量大，回避了采用多個堆垛設備對應多種品質色號所帶來的成本劣勢，迎合了“充分利用并改造現有包裝線使之升級為自動分選包裝線”的市場需求。本項目所研發的“自動分選包裝線”主要由五大技術與裝備構成：瓷磚分選疊磚技術與裝備、磚垛分類編組技術與裝備、磚垛包裝捆扎技術與裝備以及磚包堆垛技術與裝備，分別對應本項目的“瓷片分選疊磚-磚垛分類編組-磚垛包裝捆扎-磚包堆垛”五個主要工藝流程：具有多種品質色號屬性的瓷磚首先在分選疊磚裝備中按其品質色號分類疊摞成數量一致（通常是兩個磚包的容量）的磚垛，每個磚垛中的所有瓷磚具有共同的品質色號屬性。完成疊摞的磚垛經匯流后被依次送入下游的分類編組裝備。分類編組裝備具有兩組磚垛搬運機械手和多個（與瓷磚品質色號總數相同）編組通道，其中一個機械手用于將輸入的磚垛分類搬運到指定的編組通道上并疊摞成瓷磚數量更多的磚垛。編組通道用于分類累積瓷磚。當某個編組通道上累積的瓷磚數量超過下游堆垛托盤（儲磚架）的額定容量時，另一個機械手將連續搬運此編組通道上的瓷磚輸出到下游的包裝捆扎裝備，直至達到一個堆垛托盤（儲磚架）的容量。磚垛經由包裝捆扎裝備以包裝紙板包裹成瓷磚箱包，最后被堆垛裝備堆疊在托盤（儲磚架）上，由此完成瓷磚的分選包裝堆垛功能。本工藝模式通過在多個編組通道上分類累積不同品質色號的瓷磚、然后以一個堆垛托盤（儲磚架）的容量為基數整批上載到包裝堆垛裝備的方式，實現用單臺堆垛裝備完成多種品質色號磚包的分類堆垛功能。

2.2.2技術方案

（1）瓷磚分選疊磚裝備

由多個疊磚工位串聯組成，疊磚工位的數量不少于瓷磚品質色號的總數，并根據產能要求設置適當的冗余。每個疊磚工位均采用降垛式疊磚方式：單片瓷磚從磚垛上方平置輸送進入疊磚工位，磚垛隨著疊摞瓷磚數量的增加而同步下降，以保持從上方疊入的瓷磚有最小的跌落高度。單片瓷磚采用獨創的勾夾輸送線穿過磚垛上方，并根據分選要求驅動擒縱功能使瓷磚下落到磚垛上。采用勾夾輸送方式具有大的承載能力，特別適用于重量較大、經過磨邊加工側邊濕滑的大規格瓷磚。

（2） 磚垛分類編組裝備

由貫通上下游的磚垛輸送線、多個與其平行的磚垛編組通道、以橫跨輸送線與所有編組通道的前后兩組可二維運動的機械臂構成。兩組機械臂負責在輸送線與編組通道之間搬運磚垛，實現磚垛的分類下載編組與連續整批上載。根據瓷磚的規格大小，可選用不同的機械手夾頭實現單垛搬運或雙垛并聯搬運，根據產能要求及編組通道容量，編組通道可配備一個或兩個移送馱車。

（3）磚垛包裝捆扎裝備

由磚垛理直裝置、包裝紙板配送裝置、塑料包角施放裝置、磚包成型裝置和磚包捆扎裝置構成。各個功能裝置的主要工作尺寸與參數均采用無級可調設計，具有多種規格瓷磚的兼容能力。

（4）磚包堆垛裝備

由磚包翻轉裝置、合包裝置、堆垛機械手和翻托裝置構成。堆垛裝備可設置兩個堆垛工位輪流工作，實現大產能要求的連續不間斷堆垛功能。可四維運動的堆垛機械手配合相應的翻托裝置，可滿足各種堆垛排列方式與多層堆垛要求。

（5）瓷磚進入分選疊磚裝備后，控制系統將會一路跟蹤其流傳位置并將其品質色號信息傳遞到下游的分類編組裝備。分類編組裝備可以實時顯示各個編制通道中的磚垛的品質色號信息。包裝捆扎裝備可以在磚包表面自動噴印瓷磚的品質色號信息。

（6）通過在現場控制系統中加裝遠程通訊終端，利用互聯網技術實現遠程服務器與現場PLC的實時通訊，對整線及各個單機設備的開機率、故障率、運行狀況、現場故障原因及隱患實施遠程實時監控。

2.3 整線技術方案中的關鍵單機設備

2.3.1 瓷磚品質色號標記智能識別裝置

利用人工智能視覺技術自動識別瓷磚品質色號信息，并將此信息傳送到下游的瓷磚分選裝備。識別裝置包括圖像傳感器以及裝載有圖像捕捉與分析軟件的工控機。利用圖像捕捉與分析軟件實時獲取每片瓷磚的劃線標記區域二維圖像，再通過濾色、銳化、標定、掃描等圖像處理手段獲取標記信息。

2.3.2 多工位瓷磚分選疊磚機

根據瓷磚的品質色號信息在不同的疊磚工位將瓷磚分類疊摞成垛并向下游匯流輸出磚垛，同時向下游設備傳送磚垛的品質色號信息。

2.3.3 多通道磚垛分類編組機

根據磚垛的品質色號信息將磚垛分類下載到不同的編組通道上積累瓷磚數量，直至達到或超過一個物流托盤或儲磚架的滿載瓷磚數量，然后將此通道上的同一品質色號的磚垛連續上載到連接下游設備的輸送線架上。

2.3.4 多規格瓷磚包裝捆扎機

以瓦楞紙板包裹磚垛形成有一面裸露的六面體磚包并捆扎固定。根據包裝的防護要求，可在磚包四角內側夾襯塑料包角，或者將磚包四角處的紙板雙層折疊加厚。

2.3.5 多功能磚包堆垛機

利用可三維運動的機械臂和可翻轉夾頭，將磚包以立置、平置或立置加平置的方式堆疊在儲磚架上。進一步地，利用一組翻轉機構可將堆疊在儲磚架上的磚包整體轉移到物流托盤上形成各種磚包拼砌方式及單層或多層堆疊的托盤垛方。

2.3.6 基于互聯網通訊技術的遠程監控系統

利用互聯網技術遠程連線整線所有PLC，對整線及各個單機設備的開機率、故障率、運行狀況、現場故障原因及隱患實施遠程實時監控，遠程實時修改PLC控制軟件。系統包括一組與現場設備控制系統的PLC相連的現場通訊終端、以及遠程控制終端與服務器。

2.4 整線方案中的關鍵電氣控制系統

（1）瓷磚品質色號信息跟蹤技術

用于在人工錄入瓷磚的品質色號信息后實時跟蹤每一片瓷磚或其所屬磚垛的位置、并根據分選包裝的工序流程發出相應的控制指令。

（2）現場故障實時診斷分析技術

用于設備常見故障的實時診斷并提出解決方案。將所有故障分成兩個危害等級：暫時可以維持設備運行的警示級和必須立即停機的危險級，系統將在人機操作界面顯示屏上顯示故障的可能原因并提出解決方案，同時根據故障危害等級發出不同的燈號警示。

（3）基于以太網的遠程監控技術

用于遠程登錄客戶現場設備的控制系統，實時監測PLC工作狀態，分析故障原因，更改控制程序。系統采用以太網技術和移動互聯網平臺建立遠程連接與通訊。

3 研制過程中的技術難點及解決辦法

（1）瓷磚品質色號信息跟隨與抗人為干擾技術

在瓷磚經過品質色號檢驗并將信息錄入控制系統后，需要實時跟蹤瓷磚或者磚垛的輸送位置并將瓷磚或者磚垛連同其品質色號信息同步傳送到下游設備。在此過程中，由于現場出現的各種意外原因而引發人工下載個別瓷磚或磚垛，導致瓷磚或磚垛的品質色號信息對應關系發生錯亂。如采用通常的列隊傳送信息方式，需要人工干預信息隊列，重新恢復對應關系，其過程冗長費時、容易出錯，且不易及時發現與糾正。為此開發的地址傳遞與信息追隨技術，具有較強的抗人為干擾能力，較好地滿足了現場偶爾發生的人工干預需求。

（2）翻面后的拋光（拋釉）磚防污輸送技術

為滿足面對面的疊磚方式要求，需要在疊磚之前將部分瓷磚做翻面處理。由于經過拋光或拋釉加工的新鮮成品瓷磚其表面抗污能力較弱，當翻面后用傳統線架輸送時容易在瓷磚表面留下污漬。為此專門開發使用了專利輸送技術：錐輥輸送線架，在輸送翻面后的瓷磚時只有瓷磚邊緣與輸送線架接觸，最大程度地降低了污損磚面的可能性。

（3）經過磨邊的大規格瓷磚分選輸送技術

為滿足多工位分選疊磚要求，需要以夾持輸送的方式使每片瓷磚依次通過各個疊磚工位的上方并根據分選要求釋放到指定的疊磚工位上。由于經過磨邊加工的新鮮成品瓷磚其側面濕滑，并且大規格瓷磚的自重較大，當采用傳統的依靠皮帶在瓷磚側面形成的夾持摩擦力夾持并輸送瓷磚時，難以保證夾持瓷磚的可靠性，容易發生掉磚卡磚問題。為此專門開發使用了新型鉤輪輸送技術：以帶有一組突出下緣的皮帶輪夾握并勾住瓷磚側面的水平皮帶輸送通道，在瓷磚到達指定疊磚工位的上方時向外側抽出有凸緣的皮帶輪，使瓷磚自由下落到疊磚工位上，以此實現瓷磚的分選疊磚功能。

（4）瓷磚分選疊磚中的疊磚工位動態分配技術

由于單個疊磚工位的最大產能通常不能滿足疊磚機的最大產能要求，因此當某種品質色號的瓷磚產量占比很大時，往往需要為其指定兩個疊磚工位共同承擔其產量。為此在疊磚機的控制軟件中專門開發使用了疊磚工位動態分配控制技術，可以根據瓷磚的品質色號產量實時占比，動態調度疊磚工位。

（5）磚垛或磚包搬運機械臂夾頭的多規格兼容技術

由于建筑陶瓷市場環境的變化，為滿足銷售的多樣性需求，瓷磚生產過程中的規格切換也越來越頻繁。為此專門開發使用了新型多規格兼容夾頭，采用無級可調結構，一種夾頭型號可適用于多種瓷磚規格。

（6）磚垛或磚包旋轉與翻面裝置的多規格兼容技術

傳統的磚垛或磚包旋轉與翻面裝置通常只能適用于一兩種瓷磚規格，無法滿足包裝線的多規格兼容性要求。為此專門開發使用了新型專利技術：具有多規格兼容能力的磚垛或磚包旋轉與翻面裝置。

（7）瓷磚包裝捆扎裝備的多規格兼容技術

傳統的瓷磚包裝捆扎裝備通常只能適用于一兩種瓷磚規格，為滿足包裝線的多規格兼容性要求專門開發專利技術：具有多規格兼容能力的磚垛理直切分機構、塑料包角置放機構和紙板折疊成箱機構，大幅擴展了包裝捆扎裝備的多規格兼容能力。

（8）瓷磚包裝捆扎裝備的雙層紙板包角技術

隨著環境保護意識及相關法規的不斷強化，瓷磚包裝的環保要求越來越高。傳統的采用塑料包角防護瓷磚的包裝方式由于使用了不可降解材料，面臨著逐漸被淘汰的前景。一種新型包裝方式：采用雙層對折紙板代替塑料包角防護瓷磚四角，已經開始得到部分海外客戶的重視與應用。為滿足這種新型包裝方式的需求，專門開發使用了新型專利技術：具有對折耳片功能，可在紙箱四角形成雙層紙板防護功能的紙箱成型機構，為未來的瓷磚包裝環保技術的應用與推廣建立了裝備基礎。

（9）磚包在物流托盤上的多層堆垛技術

隨著包裝線多規格兼容性要求的提高，對堆垛機堆垛方式的多樣性也提出了兼容要求。為此專門開發使用了具有可翻轉功能的磚包夾頭以及具有多層堆垛功能的翻托機構，以滿足在物流托盤上以多種拼砌模式與疊摞方式堆疊磚包的需求。

（10）基于以太網的遠程監控技術

用于遠程登錄客戶現 場設備的控制系統，實時監測PLC工作狀態，分析故障原因，更改控制程序。系統采用以太網技術和移動互聯網平臺建立遠程連接與通訊。

4 產品質量及特性

4.1 產品主要性能指標

該項目具有單位產值能耗低、更能大量節省用人成本、設備投入少、適應性強，能適應國內各種生產環境等優點，該產品主要技術與性能指標見表1。

4.2 產品質量及優勢

該產品以GB5226.1-2002《機械安全機械電氣設備第1部分：通用技術條件》標準和企業標準Q/DJ 1-2016《墻地磚自動分選包裝線》為依據，主要與國內外墻地磚包裝同樣產品的設備參數進行比較得出結論。見表2。

從表2參數比較看出，我司的多品質色號瓷磚自動分選包裝直連線具有以下特性：

（1）單位產值能耗低

墻地磚直連自動包裝生產成套設備能耗值為265.1 KWh，與國內其他包裝生產設備相比最大節約超過40%。

（2）大量節省用人成本

運用我司提供的直連自動包裝技術，大大減少整條生產線用人數量，減低勞動強度，節省企業用人成本，提高企業經濟效益。

（3）生產設備投入少

通過多品質色號自動分選包裝技術，極大提高設備自動化運行程度，可實現多色號瓷磚智能分配，實現生產、包裝、堆垛全自動化生產，提高設備的利用率，降低設備投入成本。

（4）適應性強，應用范圍廣

我司是針對國內墻地磚的特殊物流環境和包裝技術要求再次提升改造進行研制，有效解決國內外墻地磚包裝技術問題，應用范圍廣，適應性強，適應國內外各種墻地磚包裝生產環境。

5 產品特點

（1）采用直連自動包裝技術，可以提高設備自動化程度，可實現多色號瓷磚智能分配;

（2） 通過墻地磚防護包角的自動化裝置，克服瓷磚包裝自動化在國內應用普及的最大障礙，為陶瓷生產企業在瓷磚包裝環節實現自動化，從而降低勞動強度、改善用工環境及降低生產成本創造條件;

（3）基于互聯網的工業遠程控制監控技術能實時監控遠程客戶現場的設備狀態和生產狀態，解決國內復雜網絡環境的網絡尋址困難問題，實現了同時對PLC及HMI的監控，自動化程度高，提高服務質量和降低售后服務成本。

6 主要創新點

多品質色號瓷磚自動分選包裝直連線為國內首創，適應中國及東南亞各國的陶瓷包裝生產模式，已獲得專利授權12項，其中國家發明專利3項，實用新型專利9項。

該產品主要有以下幾個方面創新：

（1）實現了不同色號品質產品的自動分選和多工位緩存的功能。與國外現有的采用多工位堆垛裝備實現分品質色號在不同的托盤上堆垛磚包工序不同，采用在包裝工序之前首先對不同品質色號的瓷磚分選疊摞，并按瓷磚的品質色號下載到多個緩存通道上分類編組，編組數量以單個托盤的承載數量為基準。經過編組的瓷磚以單個托盤的承載量為一組，重新上載完成包裝堆垛工序。本文所采用的工序能夠有效解決國外現有的多工位堆垛裝備不能適用于國內流行的大規格瓷磚箱包的問題，同時，項目的實施能夠充分利用行業現有的自動包裝及堆垛裝備，降低現有裝備改造成本。

（2）采用本文工序，不需要整線全程跟蹤定位瓷磚（磚垛）及其品質色號信息，能夠有效減少人為干擾環節，降低瓷磚定位及信息傳遞系統成本。瓷磚成組工序所具有的瓷磚大容量緩存功能，能夠從容應對現場的突發故障，有效提升整線工作的可靠性。

（3）疊磚工序采用獨創的勾夾輸送技術，能夠有效適應行業流行的經過磨邊加工的大規格瓷磚產品，輸送功能穩定可靠，疊磚釋放功能快捷輕柔。

（4）包裝工序采用獨創的多規格兼容技術，能夠適應建陶行業向多品種多規格小批量定制化產品結構的轉型需求。

（5）堆垛工序采用獨創的并垛翻托技術，能夠滿足多種規格的磚包單層堆垛或多層堆垛的需求。

（6）可在包裝工序前后組合獨創的磚垛翻轉或磚包翻轉功能，滿足用戶的特殊的包裝要求或堆垛要求。

7 結 語

本研發項目在行業內屬技術首創，在流水線上完成瓷片分選疊磚-磚垛分類編組-磚垛包裝捆扎-磚包堆垛作業的思路和方法，大幅提高了瓷磚分選包裝工序的自動化水平，為未來中國建陶行業生產模式的轉型升級創造了較好的技術條件，將影響陶瓷和石材行業的發展方向，提高陶瓷和石材企業自動化應用水平。

該成套設備的成功研發，再次大幅度地減少了企業對于人力的依賴，減少人工勞動強度，保護勞動者身體健康，提高社會經濟效益。