滁菊自動(dòng)擺盤生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

彭玉平 秦子維 詹歌 李慧文 徐偉 曹旭

[摘要]針對(duì)滁菊烘干前處理過(guò)程勞動(dòng)力短缺、擺盤不均勻、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，本文采用自動(dòng)化生產(chǎn)線方案，開發(fā)一條能夠完成滁菊自動(dòng)擺盤的生產(chǎn)線。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程物料盤的自動(dòng)供給，開發(fā)了物料盤解垛機(jī)，創(chuàng)新應(yīng)用了雙層凸輪機(jī)構(gòu)，進(jìn)行上、下層物料盤交替支撐，實(shí)現(xiàn)物料盤逐個(gè)釋放，以完成物料盤的依次供給;針對(duì)擺盤過(guò)程，開發(fā)了滁菊擺盤機(jī)，擺盤機(jī)利用同一平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加，使物料盤能接住任意位置落下的滁菊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化擺盤;針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程物料盤的回收，開發(fā)了以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升臺(tái)帶動(dòng)物料盤提升，控制器存儲(chǔ)提升次數(shù)并依據(jù)提升次數(shù)運(yùn)算伺服電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)物料盤提升高度控制的堆垛機(jī)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成后自動(dòng)回歸初始位置，以及提升和推出物料盤至烘干架等動(dòng)作，完成裝滿滁菊的物料盤層疊于烘干架，實(shí)現(xiàn)物料盤的回收;通過(guò)擺盤生產(chǎn)線的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從物料盤供給、滁菊擺盤、物料盤回收的全自動(dòng)化生產(chǎn)，滁菊烘干前處理由原來(lái)的多人協(xié)同完成，到僅需1人就能完成，效率提高300%以上，解決了擺盤生產(chǎn)效率低，以及因滁菊花期短造成的勞動(dòng)力短缺而影響滁菊食品安全的問(wèn)題，對(duì)滁菊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較大意義。

[關(guān)鍵詞]滁菊;堆垛解垛;擺盤;生產(chǎn)線設(shè)計(jì);PLC

中圖分類號(hào)：TS203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

滁菊為多年生菊科草本植物，主產(chǎn)于安徽滁州地區(qū)，為安徽省地道藥材之一，現(xiàn)為國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品，名列全國(guó)四大名菊之首[1-3]。

目前，滁菊主要以茶飲產(chǎn)品出現(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)，滁菊成品的普遍生產(chǎn)方法是對(duì)滁菊進(jìn)行干燥加工，在進(jìn)行滁菊干燥前，需先進(jìn)行滁菊殺青[4]。現(xiàn)存的滁菊生產(chǎn)工序中，殺青設(shè)備和干燥設(shè)備已經(jīng)比較成熟，滁菊殺青完成到進(jìn)行烘干的中間處理環(huán)節(jié)，因滁菊生產(chǎn)規(guī)模小，處理對(duì)象比較復(fù)雜，且只能進(jìn)行人工作業(yè)，完成一次擺盤，至少需要4人完成。并且滁菊采摘期也較短，集中在每年的11至12月[5]，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)勞動(dòng)力的需求具有季節(jié)性，極容易造成滁菊加工過(guò)程人手短缺，直至造成滁菊產(chǎn)品品質(zhì)下降。此外，滁菊的人工擺盤易形成擺盤不均勻，從而造成不同批次產(chǎn)品質(zhì)量不一。自動(dòng)擺盤設(shè)備的出現(xiàn)能有效地緩解勞動(dòng)力供應(yīng)不足，并能提高生產(chǎn)效率，并能夠有效保證食品的安全。

目前，自動(dòng)擺盤機(jī)廣泛應(yīng)用于物流、交通、工廠的物料搬運(yùn)及農(nóng)機(jī)行業(yè)。竇蒙等[6]針對(duì)食品加工行業(yè)人工擺放物料的勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于PLC自動(dòng)饅頭擺盤機(jī)系統(tǒng);錢曉平等[7]針對(duì)湯圓機(jī)在湯圓制作過(guò)程中人工擺盤的不足，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種由步進(jìn)式升降裝置、吸盤裝置、移盤裝置等組成，是氣電結(jié)合驅(qū)動(dòng)與控制的自動(dòng)擺盤裝置。

針對(duì)解垛、堆垛等生產(chǎn)方式，在一些企業(yè)已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用。邯鋼集團(tuán)公司二軋廠[8]研發(fā)的型鋼自動(dòng)堆垛機(jī)組，滿足了型鋼自動(dòng)堆垛的需要;石征錦等[9]通過(guò)采用輥道式傳輸機(jī)構(gòu)和雙立柱提升機(jī)構(gòu)，配合傳感器等，實(shí)現(xiàn)了大型汽車部件倉(cāng)儲(chǔ)的精準(zhǔn)堆垛、解垛及傳輸。

綜上所述，食品自動(dòng)擺盤和物料堆、解垛技術(shù)雖有人進(jìn)行了研究，但處理的對(duì)象均是比較規(guī)則的物體，可采用機(jī)械手進(jìn)行抓取、翻轉(zhuǎn)、手持平移等操作，而滁菊類食品具有不定形的特點(diǎn)，目前開發(fā)的擺盤設(shè)備并不能直接應(yīng)用于滁菊的擺盤生產(chǎn)，并且滁菊烘干所指的物料盤自動(dòng)回收和供給與當(dāng)前企業(yè)采用的堆垛、解垛也有較大的差別[10]，開發(fā)一條能夠完成物料盤自動(dòng)解垛、堆垛及滁菊自動(dòng)擺盤的生產(chǎn)線對(duì)促進(jìn)滁菊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有較大的促進(jìn)作用，并能為類似設(shè)備的開發(fā)提供參考價(jià)值。

1 工作原理

1.1 生產(chǎn)線的組成及特點(diǎn)

滁菊自動(dòng)擺盤生產(chǎn)線由解垛機(jī)、擺盤機(jī)和堆垛機(jī)三大部分組成，分別實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能，并由輸送帶串聯(lián)成一個(gè)整體。

其特點(diǎn)是：在解垛機(jī)上解垛時(shí)，利用雙層凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上、下層物料盤交替支撐，從而達(dá)到對(duì)物料盤的逐個(gè)釋放;在擺盤機(jī)上進(jìn)行滁菊擺盤時(shí)，利用同一平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加，使物料盤能接住任意位置落下的滁菊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擺盤;在堆垛機(jī)上堆垛時(shí)，利用控制器存儲(chǔ)提升次數(shù)并運(yùn)算每次提升脈沖數(shù)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)數(shù)，提升方向及高度，再配合物料盤從堆垛機(jī)上平移推出動(dòng)作，使物料盤層疊擺放。

1.2 整體工作流程

參照現(xiàn)有的滁菊生產(chǎn)工藝，殺青完的滁菊由殺青設(shè)備上的輸送帶直接輸出，在殺青設(shè)備出口處經(jīng)過(guò)刮板刮掃后，使滁菊呈薄層輸出。為實(shí)現(xiàn)滁菊干燥自動(dòng)化生產(chǎn)，迫切需要開發(fā)的自動(dòng)化設(shè)備是擺盤生產(chǎn)線。

滁菊自動(dòng)擺盤生產(chǎn)線工作過(guò)程如圖1所示，該生產(chǎn)線在解垛機(jī)處將堆疊成摞的物料盤逐個(gè)釋放到下方輸送的輸送帶上，物料盤沿輸送帶向擺盤機(jī)移動(dòng);在擺盤機(jī)處，薄層輸出的滁菊因失去輸送帶支撐，依靠自身重力下落，此時(shí)，布置在下方的擺盤機(jī)控制物料盤運(yùn)動(dòng)，通過(guò)物料盤在接收平面內(nèi)橫、縱向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料盤滿載;完成擺盤后，載滿滁菊的物料盤由輸送帶運(yùn)送至堆垛機(jī)處;堆垛機(jī)將擺滿滁菊的物料盤提升至相應(yīng)高度，并推出至烘干推車，通過(guò)控制系統(tǒng)存儲(chǔ)提升次數(shù)，并運(yùn)算每次提升高度，實(shí)現(xiàn)逐一堆垛。最終，經(jīng)過(guò)解垛機(jī)、擺盤機(jī)和堆垛機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行，完成滁菊的自動(dòng)擺盤、物料盤的自動(dòng)供給和回收，擺滿物料盤的烘干推車再由人工移至干燥設(shè)備內(nèi)干燥。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)與技術(shù)

2.1 解垛機(jī)的依次釋放機(jī)構(gòu)

解垛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)為實(shí)現(xiàn)物料盤依次下落，如圖2所示，其主要由支架、凸輪機(jī)構(gòu)、電機(jī)及流利條等結(jié)構(gòu)組成。輸送帶位于解垛機(jī)下方，用于運(yùn)輸物料盤;凸輪機(jī)構(gòu)呈對(duì)稱布置，對(duì)物料盤起支撐任用;在支架的四周固定流利條，減少物料盤與支架的間隙，防止物料盤晃動(dòng)并消除下落時(shí)的阻力;同時(shí)，在輸送帶的側(cè)邊也安裝流利條，對(duì)物料盤運(yùn)輸時(shí)起限位作用。

解垛機(jī)實(shí)現(xiàn)物料盤依次下落的關(guān)鍵技術(shù)在于凸輪機(jī)構(gòu)，如圖3所示。凸輪機(jī)構(gòu)通過(guò)上下層級(jí)的凸輪控制滾子從動(dòng)件伸出或縮回，實(shí)現(xiàn)物料盤支撐或釋放;上下層級(jí)的凸輪由同一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)需要供給物料盤時(shí)，上層的凸輪滾子從動(dòng)件向機(jī)內(nèi)伸出，阻擋住上層的物料盤，同時(shí)下層的凸輪滾子從動(dòng)件向外擴(kuò)張，釋放下層物料盤;物料盤依靠自身重力掉落至輸送帶上。

2.2 自動(dòng)擺盤的平面運(yùn)動(dòng)

擺盤機(jī)為殺青工序至烘干工序的關(guān)鍵裝備，決定著滁菊擺盤能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而因菊花類食品具有不成形的特點(diǎn)，機(jī)械手抓取方式不適用于菊花，比較好的方式是使用物料盤接收下落的菊花，對(duì)此，在擺盤時(shí)需使物料盤能達(dá)到菊花接收平面內(nèi)的任意點(diǎn)。

滁菊殺青和烘干的工藝及設(shè)備均比較成熟，所以擺盤機(jī)開發(fā)時(shí)，滁菊從殺青設(shè)備中的引出方式及需要使用的物料盤形式均為已知。擺盤機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由上層輸送帶、下層平移機(jī)構(gòu)組成;上層輸送帶與物料盤直接接觸，沿橫向輸送物料盤，并在上層輸送帶的側(cè)邊安裝有流利條，對(duì)物料盤運(yùn)輸時(shí)起限位作用;下層平移機(jī)構(gòu)主體為懸空的同步帶輸送機(jī)，采用連接零件將上層輸送帶整體固定在下層同步帶，由下層同步帶拉動(dòng)上層輸送帶縱向運(yùn)動(dòng);擺盤機(jī)通過(guò)上層輸送帶和下層平移機(jī)構(gòu)橫、縱向運(yùn)動(dòng)組合，從而使物料盤能達(dá)到菊花接收平面內(nèi)任意點(diǎn)。

2.3 堆垛機(jī)的自動(dòng)化堆疊

堆垛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)為物料盤有序放置于烘干推車，堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其主要結(jié)構(gòu)有支架、鏈條機(jī)構(gòu)、推出機(jī)構(gòu)、提升板、限位軸及伺服電機(jī)等。

鏈條機(jī)構(gòu)由鏈條、鏈輪及伺服電機(jī)等組成，提升板為堆垛機(jī)提升臺(tái)，用于提升物料盤，固定于鏈條上，鏈條由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于需要較精確步進(jìn)距離的場(chǎng)合;推出機(jī)構(gòu)由絲桿和滾珠螺母及推板組成，推板固定于滾珠螺母上，在提升板上沿絲桿移動(dòng)，通過(guò)絲桿運(yùn)行不同轉(zhuǎn)向，前進(jìn)或后退，將物料盤推出堆垛機(jī);堆垛機(jī)待機(jī)時(shí)，提升板置于輸送帶之下，當(dāng)物料盤輸送到提升板上時(shí)，物料盤沿輸送帶運(yùn)動(dòng)被阻擋，此時(shí)會(huì)觸發(fā)傳感器，伺服電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，物料盤被提升至相應(yīng)高度，并由推出機(jī)構(gòu)推至烘干架，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，直至完成物料盤堆垛。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)所設(shè)計(jì)的滁菊自動(dòng)擺盤生產(chǎn)線，采用三菱FX1N-60MR作為主控，此型號(hào)PLC能以步進(jìn)梯形圖編程，編程較為便利[11];輸出方式為晶閘管形式，可輸出高速脈沖，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制，且輸入輸出點(diǎn)數(shù)之和達(dá)到60個(gè)，滿足該生產(chǎn)線的控制要求，如表1所示。

根據(jù)前文介紹的生產(chǎn)線工作原理，生產(chǎn)線工作流程如圖6所示。

當(dāng)生產(chǎn)線開始工作，需判斷解垛機(jī)下方的輸送帶上是否存在物料盤，及可能出現(xiàn)的位置，通過(guò)輸送帶上安裝到位開關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)該判斷;當(dāng)需要解垛機(jī)釋放物料盤時(shí)，則PLC控制凸輪旋轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)此旋轉(zhuǎn)的電機(jī)為大減速比異步電機(jī)，為保證到位準(zhǔn)確性及設(shè)置凸輪歸原點(diǎn)，在凸輪上固定磁石，并使用磁性開關(guān)作為檢測(cè)傳感器;當(dāng)物料盤輸送至擺盤機(jī)，通過(guò)到位開關(guān)傳感器確定物料盤的初始位置和運(yùn)動(dòng)的各個(gè)極限位置，此時(shí)擺盤機(jī)下方平移機(jī)構(gòu)需具備雙向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)應(yīng)用轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)，PLC同時(shí)需控制殺青機(jī)上用于輸出的輸送帶，控制供料。當(dāng)物料盤輸送至堆垛機(jī)，物料盤觸發(fā)到位傳感器，告知解垛機(jī)開始工作。解垛機(jī)上鏈條機(jī)構(gòu)，推出機(jī)構(gòu)均需布置歸原點(diǎn)和極限位置傳感器，且?guī)?dòng)提升板提升的電機(jī)為伺服電機(jī)，通過(guò)PLC存儲(chǔ)提升次數(shù)并運(yùn)算每次輸出脈沖量，控制提升高度，最終實(shí)現(xiàn)逐一堆垛;為實(shí)現(xiàn)本生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)，還使用了超聲波及光電傳感器對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行安全檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，停止機(jī)械動(dòng)作，并輸出警示。

4 結(jié) 論

針對(duì)滁州本地特產(chǎn)滁菊烘干時(shí)易出現(xiàn)勞動(dòng)力短缺、擺盤不均勻、擺盤效率低等問(wèn)題，本文研制了一條自動(dòng)化滁菊烘干生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)物料盤的自動(dòng)供給、滁菊均勻擺盤、和物料盤回收。通過(guò)擺盤生產(chǎn)線的應(yīng)用，整個(gè)滁菊烘干過(guò)程由原來(lái)的多人協(xié)同完成，到僅需1人操作，人均生產(chǎn)率提高300%以上。

開發(fā)的物料盤解垛機(jī)，創(chuàng)新應(yīng)用了同軸雙層凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)凸輪從動(dòng)件交替伸出和縮回，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行上、下層物料盤交替支撐，實(shí)現(xiàn)物料盤逐個(gè)釋放，完成物料盤依次供給;擺盤機(jī)采用物料盤接收下落菊花的方式，解決了不定形的食品擺盤問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了滁菊擺盤自動(dòng)化生產(chǎn)，并保證了食品安全，使滁菊干燥自動(dòng)化成為可能;解垛機(jī)通過(guò)控制器運(yùn)算每次伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈沖數(shù)，配合物料盤推出動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)物料盤層疊回收，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

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Design of Production Line for Laying Chuzhou Chrysanthemum

Peng Yuping，Qing Ziwei，zhan Ge，Li Huiwen，Xu Wei，Cao Xu

（Chuzhou University，College of Biology and Food Engineering，Chuzhou，Anhui 239000）

Abstract：In order to solve the problems such as labor shortage， non-uniform and low production efficiency in the process of drying Chuzhou Chrysanthemum， an automatic Laying production line is developed in this paper.Aiming at the automatic supply of the material tray in the drying process， the Feeding of material tray machine is developed， and the double-layer Cam Mechanism is innovatively applied to support the upper and lower material trays alternately to realize the release of the material trays one by one to complete the material tray supply in turn. In view of the process laying Chuzhou Chrysanthemum to a tray， a Laying Machine for Chuzhou Chrysanthemum was developed. The Laying machine can catch Chuzhou Chrysanthemum falling from any position by using two vertical movements superposed in the same plane， thus realizing the automatic laying process of Chuzhou Chrysanthemum to material trays.A Stacker Machine is developed， which uses servo motor to drive the material plate lifting， and the controller stores the lifting times and calculates the rotation of servo motor according to the lifting times to realize the control of the material tray lifting height， through the movement mechanism action after the completion of the automatic return to the initial position， as well as lifting and launching the material tray to the drying rack and other actions， the material tray full of Chuzhou Chrysanthemum is stacked on the drying rack to complete the material tray recovery; It has realized the fully automatic production from material tray supply， Chrysanthemum laying to tray and material tray recovery. The drying pre-treatment of Chuzhou Chrysanthemum used to be finished by many people， and now only one person can finish it. The efficiency has been increased by more than 300% ， and the low production efficiency of laying Chuzhou Chrysanthemum to tray has been solved， as well as Chuzhou Chrysanthemum Short flowering period caused by the shortage of labor， resulting in the impact of Chuzhou Chrysanthemum food safety issues， the development of chrysanthemum industry is of great significance.

Key Words：chuzhou chrysanthemum，feeding or stacking trays，laying sth.to a tray，production line design，PLC

收稿日期：2019-12-24

基金項(xiàng)目：滁州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018ZN019）。

作者簡(jiǎn)介：彭玉平，男，碩士，助教，研究方向?yàn)槭称分悄苎b備。

通信作者：詹歌，男，博士，講師，研究方向?yàn)槭称费邪l(fā)與食品包裝。