軟膠囊生產線自動裝托工作站控制系統設計

褚偉鋒 蔣 力 葉利峰 李小江

杭州娃哈哈精密機械有限公司

智能裝備研究所

浙江 杭州 310018

0 引言

軟膠囊是繼片劑、硬膠囊、丸劑、針劑、口服液等之后發展起來的一種新的產品劑型。軟膠囊是將油狀功能性物質、功能性物質溶液或功能性物質混懸液、糊狀物甚至功能性物質粉末，定量壓注并包封于膠膜內，形成的大小、形狀各異的密封膠囊，其具有優良的隔離光、氧功能和良好的視覺效果[1-3]。

隨著社會經濟的發展，市場競爭日益激烈，產品包裝已成為促進銷售、增強競爭力的重要手段[4-7]。為突出軟膠囊產品特性，軟膠囊瓶包裝盒多采用帶透視窗口的形式。透視窗口可讓消費者直觀了解軟膠囊的顏色及外觀形態，還可以吸引消費者的注意力及好奇心，增加消費體驗感[8-9]。

為提升產品視覺效果，生產廠家通常要求軟膠囊瓶標簽朝向一致，且標簽正對包裝盒透視窗口。目前，軟膠囊生產線上瓶裝托工序主要是采用人工裝托的方式完成，勞動量大、重復性強，且裝托速度遠達不到包裝自動化產線的要求，極大地影響了生產效率及裝托流程中的衛生質量[10]。因此，本研究設計開發軟膠囊生產線自動裝托工作站，實現產品標簽檢測及定位、塑托自動分離、自動裝托等功能，以替代人工裝托，降低人工勞動強度，提升生產效率。本工作站能滿足生產線安全、高效、無污染的要求[11]。

1 自動裝托工作站系統構造及功能

軟膠囊生產線自動裝托工作站的功能區域主要有：入口分道及定位工位、標簽識別及校正工位、拉距定位工位、塑托上料轉運工位、自動裝填工位。其總體布局如圖1所示。

圖1 自動裝托工作站布局Fig. 1 Layout of automatic tray packing workstation

自動裝托工作站的入口分道及定位工位，采用雙通道輸送設計，可減少進瓶等待時間，能有效提高工作站的效率。桁架抓手1負責將分道及工位上就緒的軟膠囊瓶抓取至標簽識別及校正工位，進行標簽識別及方向校正后，將軟膠囊瓶運至拉距定位工位進行軟膠囊瓶二次定位，使瓶間距與塑托間距保持一致。塑托上料轉運工位采用6通道設計，實現塑托的輸送、分離、翻轉、定位等功能，其中桁架抓手3負責將塑托分離并運至翻轉機構。自動裝填工位通過桁架抓手2從拉距定位工位上抓取軟膠囊瓶裝入定位就緒后的塑托里，實現裝托功能。

2 控制系統設計

2.1 系統硬件結構設計

軟膠囊生產線自動裝托工作站系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖Fig. 2 System hardware structure diagram

可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）選用貝加萊X20CP1583，自帶1個Ethernet和1個POWERLINK接口；觸摸屏采用貝加萊T50系列6PPT50.0702-10B的7英寸屏。PLC通過Ethernet接口連接觸摸屏實現數據通信；通過POWERLINK接口連接ACOPOS P3系列伺服驅動器，控制抓手上7個伺服軸。抓手1為X、Y、Z三軸桁架機械手，其中X軸采用雙軸同步控制；抓手2和抓手3為Y、Z雙軸桁架機械手，其中抓手3的Y軸運動由氣缸控制。PLC通過擴展Ethernet/IP通信模塊連接鳴志STF03系列步進驅動器，控制6道旋轉電機及各個輸送電機啟停。

2.2 進瓶檢測程序設計

進瓶檢測流程包含分道進瓶流程及標簽檢測流程，如圖3所示。

圖3 進瓶檢測程序流程圖Fig. 3 Flow chart of the bottle-in inspection program

分道進瓶流程中軟膠囊瓶經分道入口進入通道1，當進瓶計數達到6瓶且通道1定位氣缸均已動作，輸出通道1進瓶完成信號，允許桁架抓手1抓取，同時分道出口切換至通道2，開始通道2進瓶。標簽檢測流程中抓手1將進瓶完成的軟膠囊瓶抓取運至標簽檢測工位后，啟動6道旋轉電機開始標簽檢測及位置校正。如檢測時間超時，將發出檢測超時報警，等待人工確認；如指定時間內檢測完畢，抓手1將這些位置校正后的軟膠囊瓶運至拉距定位工位，同時抓手1返回至待抓取位置，等待通道2進瓶完成，開始下一輪軟膠囊瓶標簽檢測及位置校正。

2.3 塑托上料程序設計

塑托上料程序如圖4所示。

圖4 塑托上料程序流程圖Fig. 4 Flow chart of plastic tray feeding program

人工將空塑托堆置于6通道輸送入口，通過長按上料就緒確認按鈕，阻托氣缸張開，允許塑托堆進入輸送系統。通過擋板、推板等氣缸配合動作，將6通道塑托堆推送至升降平臺，塑托堆通過升降平臺提升至待抓取位置。此時夾塑托氣缸動作，將第二層塑托夾住，并發送塑托就緒信號，允許抓手3抓取第一層塑托，實現塑托分離。抓手3將抓取的塑托運至翻轉工位，塑托經翻轉后被輸送至檢測工位，確認當前6通道塑托是否存在缺托問題。如缺托則當前列塑托被標記為異常，當塑托被輸送至裝填工位時，被標記為異常的塑托列被運至回收裝置。如為正常的塑托列，則輸出塑托整列完成信號，允許抓手2將抓取的軟膠囊瓶裝入該塑托列，完成裝托動作。

3 人機界面設計

觸摸屏用貝加萊T50系列6PPT50.0702-10B，采用Automation Studio軟件進行畫面組態設計，設計了主頁面、功能頁面、報警頁面、診斷頁面、設置頁面和配方頁面共6大頁面。以圖5所示的主頁面為例，可以顯示產品產量、進瓶計數、各抓手運動狀態、軸狀態、重點信號狀態、實時報警等主要信息。在手動模式下，用戶亦可進行進瓶計數值修改、抓手運動步驟切換、報警信息確認、信號復位等操作，方便用戶日常操作及故障恢復。

圖5 生產主頁面Fig. 5 Production main page

4 標簽檢測與位置校正

為實現標簽檢測與位置校正功能，選用基恩士LR-W70全光譜可變光點光電傳感器作為檢測元件，結合該傳感器特性及實際產品標簽樣式，以紅（R）、綠（G）、藍（B）3種基礎色為色標，進行標簽檢測測試，最終確認選用藍色色標的標簽在檢測過程中穩定性最好。考慮到軟膠囊瓶及標簽樣式各異的情況，為此開展了針對各類產品的檢測穩定性試驗，試驗結果如表1所示。

表1 產品標簽檢測結果Table 1 Results of product label inspection

根據試驗結果，確認了色標的通透性對傳感器檢測的穩定性有一定影響，最終確定以藍色非透明色塊作為標簽指定色標的標簽改造方案。

為快速實現標簽檢測及位置校正功能，需要提高檢測執行機構旋轉電機的轉速，這就導致標簽檢測停止時出現過沖現象，標簽定位一致性較差，為此設計了標簽位置校正回零程序。首先旋轉電機以較高速度進行正向旋轉檢測，當傳感器檢測到色標后旋轉電機快速停止，再以低速進行反向旋轉。當色標傳感器再次檢測到色標后立即停止，確保色標位置停在檢測停止位置上。通過該標簽位置校正回零程序，實現了標簽的快速檢測及位置校正。

5 結語

本研究所設計的膠囊自動化裝托工作站，已在某公司軟膠囊生產線上投入使用。裝托工作站產能可達到40瓶/min，設備整體運行穩定，標簽定位一致性好，故障率低。用其代替人工裝托，有效減少了人員的投入，提高了裝托效率，提升了生產線自動化水平。在實際應用過程中，由于受前道貼標機貼標質量的影響，當膠囊瓶出現歪標情況時會導致膠囊瓶標簽檢測環節超時，甚至檢測不到色塊等問題。目前上述問題是由程序通過檢測超時報警，通知人工處理的方式來解決，一定程度上影響了整機的效率，后續改進機型將考慮對歪標等異常情況進行自動處理并回收，減少人工干預，提高設備自動化水平。