機器人在袋裝產品的自動裝框應用

吳科龍　李雪鋒　譚澤華

摘要：真空包裝的鹵燒鴨、水果，PE保鮮袋包裝的水果、蔬菜等，因其外形多樣，無法用常規的吸盤、夾具進行抓取。表面凹凸不平，甚至無法準確定位，吸盤無法適應。果、蔬、肉等產品由于表面松軟及外觀要求，普通的夾具會破壞產品的里部及外觀。該設計在運輸過程中，將產品頂起，然后進行抓取，解決了傳統抓手無法克服的問題。通過實際應用，該方案解決了真空包裝、PE膜包裝無法自動化包裝的難點，為客戶節省了7人，班，生產效率提高300%以上，改善了勞動環境。

關鍵詞：工業機器人;工業自動化;袋裝產品裝框;軟袋裝框

中圖分類號：TP242.2 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0171—03

0引言

聚乙烯薄膜袋、聚氯乙烯包裝袋等塑料袋廣泛應用在工業、食品自動包裝行業，但由于聚乙烯薄膜袋、聚氯乙烯包裝袋厚度薄、硬度不高，傳統的吸盤抓手無法抓取包裝產品的袋子。而機械式夾具由于靠夾緊力、摩擦力抓取產品，會破壞里面的產品。本設計采用頂升式將袋裝產品頂起，并用手指式夾爪將產品夾起。該結構設計簡單，但結構和方法新穎，具備穩定、可靠、實用的特點。采用夾爪加頂升機構，可以完全避免吸盤式漏抓、抓取不牢的情況，保證了穩定性、可靠性。同時提高了生產的自動化和包裝效率，減少勞動人員，為企業增加效益。

1總體方案

系統布局如圖1所示，機器人自動裝框系統主要由工業機器人、手指式夾爪、產品輸送帶、圓型輸送皮帶、頂升機構、輸框滾筒、光電傳感器組成。

1.1主要硬件組成

1.1.1工業機器人

本方案中采用啟帆工業機器人，型號為SRD20-1700機型。該機型有效負載20kg，行程1700 mm，6軸機器人，如圖2所示。選型中參考了生產速度、夾具自重和產品質量、生產線速度配合等因素。結合方案的空間距離、路徑、抓放節拍等綜合因素考慮，暫定工業機器人每分鐘約10個循環。若夾具每次抓取4袋，即機器人每分鐘循環運動約8.25次，滿足速度要求。

1.1.2產品輸送帶

輸送帶作用是輸送袋裝產品，將產品輸送到抓取位。輸送帶結構簡單，由皮帶、動力機構、張緊機構等組成。傳送帶設計時考慮產品質量、線速度、皮帶有效寬度等。

1.1.3圓型輸送皮帶

圓型輸送皮帶是由截面為圓形的PU材質組成的環形皮帶。輸送皮帶的主動輪、從動輪均有與圓形皮帶截面一致的圓弧槽，圓型皮帶安裝在槽內。皮帶與皮帶之間有空間，有利于安裝其他機構。

1.1.4頂升機構

頂升機構是由氣缸、頂桿組成的機構。該機構由電磁閥、氣缸、頂桿、光電等組成。該結構簡單，當光電感應到有物料到達時，電磁閥啟動后氣缸向上頂起。

1.1.5輸框滾筒

輸框滾筒主要功能是利用滾筒的摩擦力將塑料框輸送到抓取位置。其主要由動力機構、滾筒、框架組成，該設備結構簡單，是一種常見的標準設備。滾筒設計時主要從輸送產品的長寬、質量、線速度等考慮。

1.1.6光電傳感器

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器分別安裝在輸送機構的開始端和末端，用于檢測產品到達位置的檢測。

2末端執行器結構設計

該夾爪的工作原理：左、右汽缸分別在收縮狀態時，夾爪為打開最大狀態，伸出狀態時為夾爪最小狀態。打開、收縮的大小可以通過汽缸調節大小。夾爪桿為304不銹鋼制造，符合食品、化工的要求，且光滑無阻力。夾具的結構如圖3所示。

其中，夾爪的力必須大于產品質量，且必須有安全余量。當夾具抓取產品時，其受力圖如圖4所示。夾力F跟驅動力F的關系如下。

3控制系統設計

3.1系統控制模塊

電氣控制采用三菱FX3U系列PLC，該PLC廣泛應用于各種自動生產線上。根據系統控制需求，系統I/O端口如表1所示。

3.2生產工藝流程

工藝流程如圖5所示。

產品經上游工序包裝好后輸送到產品輸送帶上，輸送帶將產品輸送到圓形皮帶機構上，當產品到達末端時，光電傳感器1得到信號，頂升機構1動作，將產品頂起。與此同時，產品輸送帶、圓形皮帶繼續動作，將后面的產品往向輸送。當光電傳感器2得到信號，頂升機構2動作，將產品頂起。光電傳感器1、2將信號發送給PLC，PLC再將信號發送給工業機器人，工業機器、夾具動作，將產品抓起并放人框中。

4應用驗證

測試時與上工序包裝機進行對接，當有產品到達并符合觸發條件時，各機構進行動作且執行預先設定的動作、數量，動作過程如下：

（1）圖6所示為初始化狀態，工業機器人在抓取位上方等待，塑框到位，頂升機構收縮，輸送帶運動;

（2）如圖7所示，當產品到達頂升工位1時，頂升機構將產品頂起，并等待下一組產品到達;

（3）如圖8所示，產品達到頂升工位2時，頂升機構將產品頂起;

（4）如圖9所示，機器人抓取產品，并放入框中，完成一個抓取裝框的過程。

5結束語

本設計適用于吸盤機構和夾爪無法適應的塑料包裝的產品，如散裝水餃、散裝肉丸、袋裝醋、袋裝牛奶、袋裝洗衣液、袋裝洗潔精等。由于采用將產品頂起后，再抓取產品裝箱，不再受產品的外形限制、包材限制及產品特性限制，提高了生產線的自動化水平，減少人工并提高了效率。

采用自動化前，需要10人/班進行生產，每分鐘裝3框左右，而且由于靠近機器附件，勞動環境惡劣，如噪聲、高溫、長時間站立等。自動化上線后，整線需要2人/班進行巡視設備，節省至少7人/班，為企業節省了人工開支。生產速度達到10框左右，提高近3倍效率，對機器進行了隔離，解決了高溫、噪聲、長時間站立等問題，改善了勞動環境。