皮革自動碼垛裝置的研發

朱國斌，劉 元

（嘉興南洋職業技術學院，浙江 嘉興 314031）

作為皮革制造大國，由于皮革原材料和產品性能特點，其標準化程度低，加工環節中碼垛、鞣制削薄、配皮等環節主要依靠人工，行業自動化水平不高。未來幾年要夯實“中國制造”的地位，提升中小皮革企業的生存空間，就要依靠技術進步，加大新產品的設計和研發力度，加快轉型升級[1]。

在皮革生產過程中，皮革表面噴漆處理是一道重要的工序。為了保護噴漆表面質量，須采用將皮革噴漆面逐一相貼合的方式碼垛，即將皮革噴漆面朝上、朝下交替碼在垛架上。目前這一工序要由2人協作完成，勞動強度大，工作時間長，效率低。本文主要介紹了皮革自動碼垛裝置的設計，以滿足企業機器代替人工實現自動化生產、提高生產率的需求。

1 皮革自動碼垛概述

1.1 皮革自動碼垛的過程

皮革自動碼垛裝置在提升傳送帶末端裝有檢測裝置，檢測皮革到位情況。提升傳送帶末端設有可擺動的收皮裝置：一條傳送帶及一導向板裝置。收皮裝置上裝有調節手輪，用于調節導向板與傳送帶的間隙，用彈簧調整導向板與傳送帶對皮革的預壓力[2]。

當正面（漆面朝上）收皮時，擺臂自導軌右端向左端開始轉動，此時輔助壓輥A縮回，輔助壓輥B伸出，皮革在擺臂傳輸帶驅動下沿導板下行，擺臂慢慢向左擺動，皮革通過收皮裝置正面向上落在碼架上，輔助壓輥B有預緊的壓在碼架皮革上，防止皮革滑落。當擺臂擺動到最左端時，電磁鐵會拉縮導向板，使傳送帶與導向板間隙增大，剩余皮革快速落在碼架的左側，完成一張皮革的碼放。當反面（漆面朝下）收皮時，擺臂自導軌左端向右端開始移動，輔助壓輥A伸出，輔助壓輥B縮回，皮革在擺臂傳輸帶驅動下沿導板下行，擺臂慢慢向右擺動，皮革通過收皮裝置反面向上落在碼架上，擺動到最右側時，電磁鐵會拉縮導向板，使傳送帶與導向板間隙增大，剩余皮革快速落在碼架的右側，完成一張皮革的碼放。此過程循環往復，達到快速高效皮革碼垛的目的。

1.2 皮革自動碼垛裝置的結構

皮革自動碼垛裝置主要由皮革輸送裝置、導向壓板、擺臂、輔助壓輥、驅動電機、碼垛架等組成，還包括機械傳動裝置、控制系統等裝置。其中擺臂部分為碼垛裝置的核心部分，包括檢測裝置、驅動電機、限位器、調節裝置、輔助壓輥等[3]，詳見圖1。

圖1 皮革自動碼垛結構及原理

2 皮革自動碼垛裝置的系統要求

該裝置在工藝控制上要求整機自動運行，并可以根據皮革的基本長度，自動調整輸送量，實現對中碼垛，皮革寬度可調范圍的從1 000 mm～2 500 mm不等。皮革碼垛的擺臂及碼放速度可以設定，實現與噴漆及輸送帶速度的精密配合；碼垛裝置的預設以速度、長度實測值、碼垛數量情況能夠實時顯示，擺臂輸送松緊度可以實時調整。為了簡化人員操作，采用友好的人機交互界面，方便設定觀測參數、控制設備并有效監視設備的運行過程。

3 皮革自動碼垛裝置的主控方式

結合皮革自動碼垛裝置面向工業環境，具有穩定性高、體積大小適合、控制程序簡單、控制程序無需經常改變、成本低的特點，故采用PLC+觸屏方案，程序幾乎無需維護。

4 硬件配置

4.1 視覺檢測裝置

視覺檢測裝置通過CCD圖像攝取裝置將被攝取的皮革形狀、基本長度等轉換成圖像信號，并傳送至圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字信號，對系統進行控制，再根據判斷結果來控制擺臂的幅度及速度等動作。視覺檢測裝置安裝在噴漆前段輸送帶的正上方，當傳輸皮革時，視覺檢測裝置將自動攝取目標，系統將處理后的信號反饋給控制器，實現聯動控制。機器視覺檢測的特點是可提高生產的柔性和自動化程度，其結構包括三部分：照明、鏡頭、相機等，本設計主要采用日光燈背向照明，線掃描CCD單色相機。

4.2 位置檢測裝置

根據碼垛工作需要，位置檢測裝置分別安裝于擺臂的前、后兩端，采用每端三個均布的方式，實現系統對擺臂擺動的起始時間、擺動方向、幅度、擺動速度等的精確控制。本設計采用數字式檢測，裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強，便于顯示處理[4]。

4.3 碼垛架及輔助壓輥

碼垛架為鞍馬形狀，承載擺臂往復運動逐層堆加的皮革，當堆碼高度達到上限值時，系統會及時報警，同時聯動控制輸送帶暫緩輸送。擺臂的兩個輔助壓輥起到交替支撐，防止皮革在堆疊時單側滑落，因此在碼垛架兩側設置輔助壓輥裝置。

4.4 伺服驅動系統

根據碼垛工作前后連續性的特點，要求運轉平穩，不會產生振動，精度高，響應快，加減速時間短，過載能力強，控制可靠等。系統對速度的精度和響應要求較高，故采用伺服控制。伺服驅動系統采用“脈沖+方向”控制模式，PLC控制模塊控制伺服驅動器的速度和方向。

4.5 PLC配置及人機界面

碼垛裝置控制系統是對多個數值的閉環控制，因此對PLC的運算速度、可靠性要求較高，為此選用西門子S7-300系列。S7-300系列PLC具有強大的PID控制功能，編程簡單，易實現PID閉環控制。根據碼垛裝置控制系統要求及人機交互需要，觸摸屏需要具有較大尺寸和積極的響應速度，因此選用西門子TP270系列，具有功能強、可靠高、易于實現和S7-300之間的通信、模擬調試。碼垛裝置的控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 皮革碼垛機的控制系統示意圖

5 軟件設計

碼垛裝置運行時，首先由PLC對系統進行初始化，檢測CPU、存儲器以及各I/O端口等狀態，進行系統的自檢測，確認系統各部分是否正常；循環掃描輸入端口信號，設定執行參數，開始運行[5]。PLC主要輸入輸出接口包括自動、手動按鈕；自動運行開始；伺服故障輸入；伺服電機；運行信號等。軟件系統功能圖見圖3。

圖3 軟件系統功能圖

6 結論

本文根據某皮革企業實際生產情況及對皮革自動碼垛的技術要求，研發了一種新型皮革碼垛裝置。設備經企業使用，性能穩定可靠，效率高，解決了皮革自動碼垛等關鍵問題，達到企業要求的主要性能指標，對于降低企業生產成本、提高產量等方面具有重要的現實意義。