基于多軸同步控制技術的條煙柔性碼垛系統設計

楊遠，王晉冰，劉旭，周林

基于多軸同步控制技術的條煙柔性碼垛系統設計

楊遠1，王晉冰2，劉旭3，周林3

（1.貴州大學，貴陽 550025；2.貴州省煙草公司貴陽市公司，貴陽 550002；3.貴州省煙草公司黔南州公司，都勻 558000）

克服原有的剛性吸盤的局限性，提高煙草物流中心的條煙碼垛效率。設計一種基于多軸同步控制技術的條煙柔性碼垛系統，以SIMATIC S7–1200 PLC為控制核心，通過PROFINET與Kinoc觸摸屏進行通信，將9個步進電機驅動器和傳感器同PLC外接的輸入、輸出模塊連接。工控機發送的數據經過PLC處理，通過主令同步的方式控制指令，實現柔性吸盤的同步，完成多樣化條煙的同時抓取。該控制系統通過搭建的實驗平臺驗證了其穩定性和高效性，該系統可以同時吸附5條高度和寬度不同的條煙，大大提高了條煙碼垛機器人的效率。相較于剛性碼垛系統，此柔性碼垛系統的碼垛效率峰值提高了24.9%左右。文中系統的設計提高了條煙的碼垛效率，并且提高了煙草包裝的智能化水平。

柔性碼垛；多軸同步控制技術；主令同步方式；PLC

在我國眾多人口中，大約有3億煙民，約占世界煙民人口的25%；而我國的煙草產量占世界的35%，煙草銷售量占32%[1-2]。隨著市場個性化時代的到來，異型煙的銷量在煙草市場突飛猛進，因此煙草物流中心面臨著巨大的挑戰[3]。煙草物流中心針對條煙堆疊智能化的問題，提出了一種基于吸盤的碼垛機器人，該碼垛機器人主要是將條煙按照一定的模式堆碼成垛，完成單元化的存儲和運輸，縮短了生產周期，提高了生產效率，降低了生產成本[4-6]。然而煙草銷量的迅速增加，促使碼垛機器人不斷地更新換代。國內許多研究者在異型煙碼垛技術上取得了顯著的成就，例如，張都等[7]通過采用疊層設備和鏈式撥煙裝置對異型煙進行混合式碼垛，包裝效率峰值可達到6 000 條/h。胡敏[8]通過將機器視覺系統和自動碼垛算法結合運用到碼垛系統，大大地提高了碼垛機器人的智能化水平，但是該碼垛系統的末端執行機構采用剛性吸盤，每次只能抓取1條或2條條煙。徐明陽等[9]采用以PLC為控制核心的方法，研發出了一套4抓柔性吸盤，克服了剛性吸盤的柔性化問題。在包裝領域，大量技術人員也把PLC控制器應用到自己的研發工作中[10-12]。

文中的研究以PLC控制器作為條煙柔性碼垛系統的控制核心，設計一套基于多軸同步控制技術的五抓柔性吸盤控制系統。

1 條煙碼垛系統

1.1 條煙碼垛系統的結構

條煙柔性碼垛系統主要分為抓煙皮帶、機械手、機械手末端執行機構、觸摸屏、倍速鏈等結構構成，其結構見圖1。抓煙皮帶由伺服電機提供動力，電機的啟停則是通過伺服驅動器來控制。抓煙皮帶上安裝了1對測長傳感器、5對條煙到位傳感器以及擋煙條，其功能是判斷條煙的品規以及到位情況。機械手使用的型號是EPSON LS20–B804S，LS20–B系列，是追求高速和高性價比的高性能機器人，通過將U軸容許力矩提高至1.00 kg·m2以達到大容量，其次通過高速移動改善了節拍時間，縮短了擺臂需要的時間。機械手末端執行機構是由5組吸盤組成，每組吸盤都有獨立的槽型光電和測高傳感器，用于原點的檢測和條煙高度的復核，測高傳感器還具有掉煙保護功能，其中第3組作為機械手末端執行機構的基準，只能進行軸方向的移動，其余4組在軸方向也能進行移動。每組吸盤由1個吸盤板和8個吸盤組成，每個吸盤板通過連接一個電磁閥來控制吸盤的吸氣和吹氣。觸摸屏作為人機交互界面，可以實現該系統的參數設置，末端執行機構的手動控制以及各電氣控制環節的信號顯示。倍速鏈是用于托盤的切換，可將碼垛完成的托盤移動到下一工位，把空托盤移至碼垛位置并同時發送允許碼垛信號。

圖1 條煙碼垛系統

1.2 條煙柔性碼垛控制系統的工藝流程

條煙輸送到抓煙皮帶末端擋煙板處，經過測長傳感器和測高傳感器對條煙的復核觸發抓煙信號。機械手移動到抓煙點上方等待抓煙信號，當PLC收到抓煙信號，5組吸盤開始變距進行抓取條煙。機械手抓取條煙后移動到放煙點上方等待允許碼垛信號，在移動過程中吸盤變距。倍速鏈將托盤移動到碼垛位置，并向機械手發送允許碼垛信號，收到允許碼垛信號的機械手開始放煙，放煙后機械手回到抓煙點上方等待指令。重復運行上述流程直到訂單完成，然后倍速鏈將碼放好的托盤送入下一工位，最后切換訂單，其工藝流程見圖2。

圖2 碼垛工藝流程

1.3 剛性碼垛系統

剛性碼垛系統對條煙的要求較高，必須保證所有條煙高度一致。面對異型煙銷量的突飛猛進，該系統只能通過多次數、少條數的方法進行抓取，雖然相較人工碼垛，剛性碼垛的效率有了進一步的提升，但是面對當今市場的多樣化還遠遠不夠。如圖3所示，該三維圖是一臺四抓的剛性碼垛系統，可實現同時吸附4條高度相同的條煙。針對柔性碼垛系統和剛性碼垛系統的差異，文中通過對系統的結構、抓取對象、拆單情況和煙姿要求進行了對比，見表1。在煙草物流行業中，分揀碼垛效率是煙草物流公司解決的關鍵問題。圖3的剛性吸盤可實現多條條煙的抓取，但是應對不了訂單的多樣化。要實現訂單多樣化，則需要減少末端執行機構的體積，同一時刻的抓煙條數也隨之減少。柔性碼垛系統既可以應對訂單多樣化問題，又可以實現多條煙的同時抓取，滿足了目前煙草物流公司的需求。

圖3 剛性碼垛系統

表1 2種碼垛系統的對比

Tab.1 Comparison of two palletizing systems

2 多軸同步控制技術

基于控制方式，多軸同步控制可分為機械同步方式和電控同步方式。其中機械同步方式是由多根軸和齒輪系組成，依靠著機械結構的方式來實現同步，這種同步控制方式機構復雜、機械加工精度要求高，因此已經被淘汰。電控同步方式主要有主從同步、虛軸法同步以及交叉耦合同步等方案。文中采用主令同步方式，該方式與主從方式相似，每個軸都是通過單獨的電機驅動，每個電機驅動器都是由同一個命令信號源來控制，然后控制器對信號源進行分配，將分配好的信號發送至電機驅動器上，完成整個同步控制過程[13-15]。由于主令同步方式的各電機之間沒有耦合，因此任何一個電機軸受到外界負載擾動都不會影響其他軸的正常運行，因此該方式符合條煙碼垛系統的需求，其系統結構見圖4。

圖4 主令同步方式原理

3 多軸同步技術控制系統硬件設計

根據工藝流程設計了多軸同步控制系統的硬件，該系統主要由PLC（主、從站）、步進電機、驅動器、Kinco觸摸屏和槽型傳感器組成。系統包含了4個軸原點光電和5個軸原點光電，用于檢測吸盤軸和軸的位置。對9個電機的單獨驅動保證了電機之間互不干擾，還能直觀地顯示各電機的故障信息。其硬件結構見圖5。

圖5 控制系統硬件結構

PLC全稱為可編程邏輯控制器，它具備復雜的邏輯算法控制能力，與此同時還具備計時、計數的功能，該系統使用的PLC是西門子S7–1200 PLC。S7–1200 PLC作為一款緊湊型控制器并沒有限制其功能，該控制器主要面向簡單而高精度的自動化任務，它還具備較高的靈活性，可以很大程度地滿足客戶的各種需求，麻雀雖小五臟俱全。它通過集成的PROFINET接口實現了同HMI與其余PLC的通信，并可以通過該接口進行編程，它還可以通過開放的以太網協議支持實現與第三方設備之間的通信。

該款PLC通過集成2個高速輸出來進行高速脈沖輸出或脈寬調制輸出。系統將PLC分成主站PLC和從站PLC，主站PLC控制著工控機、觸摸屏、從站PLC和機械手控制器；從站PLC控制機械手末端執行機構的吸盤運動，但對柔性吸盤的控制信息是從主站PLC發出，設置從站PLC的主要目的是減輕主站PLC的計算量。主站PLC、從站PLC和觸摸屏通過PROFINET接口實現相互之間的通信。

柔性吸盤主要有9個步進電機組成（4個軸的驅動電機，5個軸的驅動電機），每個電機都存在單獨的驅動器。X1步進電機和Z1步進電機控制著1號吸盤的軸運動和軸運動，X2步進電機和Z2步進電機則是控制2號吸盤，由于3號吸盤是作為軸的定位基準，因此只能通過Z3步進電機控制軸運動，X4步進電機和Z4步進電機則是控制4號吸盤，X5步進電機和Z5步進電機則是控制5號吸盤，再通過從站PLCX和PLCZ發送脈沖和方向信號進行吸盤的控制。步進電機具有良好的跟隨性，輸入的脈沖數與角位移嚴格成正比，因此幾乎不會產生累計誤差。步進電機雖然結構簡單、價格低，但是其可靠性極高，面對該系統的頻繁啟停也能極好的響應。由于步進電機的體積小、質量輕，因此減輕了機械手的負載，使該系統的使用壽命更高。多軸同步控制系統的電機輸出信號和原點光電輸入信號在PLC控制器上的地址見表2。

4 多軸同步技術控制系統的軟件設計

硬件系統是控制系統的載體，而軟件系統的優劣是衡量整個系統的穩定性和可靠性的關鍵。通過對PLC程序和人機界面的設定，不僅實現了多軸同步控制，還實現了人機界面對單個軸的運動控制，使條煙柔性碼垛系統末端執行機構能夠實現同步運行的同時，還能達到獨立控制。系統采用的是西門子的博途軟件進行PLC控制器的編程，人機交互界面是運用Kinco DTools V3.5.2軟件繪制的。

4.1 PLC程序設定

該系統的PLC控制流程見圖6。首先通過工控機下發碼垛數據到主控PLC中；啟動系統之后，PLC上電使能，進行、軸的復位，并檢測各軸的回零情況；完成復位之后，等待各軸數據的寫入；RC收到待機點信號，移動到待機點的同時，柔性吸盤變距；隨后通過測高傳感器和測長傳感器對條煙進行復核；復核無誤，RC收到抓煙信號，抓取條煙；在PLC檢測下無掉煙情況后，RC會收到放煙點上方信號并移動到放煙點上方；同時PLC會收到碼垛位置數據，柔性吸盤變距；在RC得到放煙信號時，電磁閥啟動，破真空放煙；放煙完成后，RC再次收到待機點信號，返回待機點，循環此過程。

表2 I/O分配

Tab.2 I/O allocation

圖6 PLC控制流程

該過程基于主令同步方式，系統通過對各軸的使能、復位、人機界面復位、軸變距、軸變距、軸和軸的速度設置、抓煙和放煙等線圈進行串聯，用一個觸點方式的控制，實現了一個信號源的多電機控制。其中的軸變距和軸變距是通過對上位機下發的條煙數據進行分配，再統一調用，讓各軸能實現同步變距。吸盤同步變距的過程中會出現吸盤位置的不佳，導致吸盤受到的負載較大，因此系統的同步性受到了破壞。該系統設計了相應的報警程序，通過比較目標位置和返回目標位置來觸發未返回目標位置線圈，達到報警效果，可以通過復位和人機界面復位解除報警，大大減少了人工排查故障的時間。

4.2 人機界面

條煙柔性碼垛系統的人機交互界面主要包含碼垛主界面、傳感器參數界面、數據交互界面、碼垛數據界面、吸盤電機界面和機械手界面。其中吸盤電機界面是控制柔性吸盤的主要界面，如圖7所示，界面中的位狀態切換開關是通過連接端口Net與電氣控制程序中的相關觸點直接連接，選取相應的地址類型，再輸入對應的觸點地址進行通信，實現了和軸的運動控制。柔性吸盤到達零點光電時電機會自動停止，該方式是通過點動正和點動負的常開觸點串聯一個零點開關常開觸點來獲取暫停軸的信號。

柔性吸盤界面主要包含了3個部分：報警信息、柔性吸盤位置信息和柔性吸盤控制。報警信息部分主要包含了各軸的功能塊故障報警、各軸尋零報警、和的抓煙未到位報警以及PLC通信報警，通過對報警信息的準確顯示，讓操作員能夠及時準確地處理故障，減少了排查故障的時間。柔性吸盤位置信息部分顯示了放/抓煙位置、當前位置、抓煙位置、放煙位置、當前位置、原點開關和已回零的信息，可通過該部分實時查看各軸位置信息和是否回零的信息。柔性吸盤控制部分控制著各軸的運動，軸的正負是將3號吸盤視為基準，朝向3號吸盤的方向視為正，背離3號吸盤的方向視為負；軸是統一向上為正、向下為負，各軸的方向通過界面按鈕對應的標識進行控制。柔性吸盤控制部分還有手動尋零按鈕和、軸速度控制按鈕，手動尋零按鈕可以直接控制各吸盤各軸的尋零動作，點擊更改、軸速度控制按鈕后，需要將設備急停—復位—啟動后生效。

圖7 人機界面

5 系統測試

通過現場測試來驗證系統的碼垛效果，對柔性吸盤的復位、人機界面復位、各軸的變距和速度設定進行了測試，現場測試環境見圖8。現場通過采集7組剛性吸盤碼垛數據和7組柔性吸盤碼垛數據來比較2種吸盤的效率，其中主要采集了總卷煙數量、常規煙總量和異型煙總量，同時采集了柔性吸盤末端執行機構的變距次數和差錯次數，主要的數據信息見表3。

圖8 現場測試

測試結果顯示，該柔性吸盤的同步性的差錯率≤0.1%，具有良好的可靠性和穩定性。現場通過柔性吸盤與剛性吸盤的比較，在標煙和異型煙合單碼垛的情況下，剛性吸盤的碼垛效率峰值為10 922條/h，柔性吸盤的碼垛峰值為13 652條/h，相較剛性吸盤提高了24.9%左右，大大提高了碼垛效率，滿足了煙草物流的實際需求。

表3 測試數據

Tab.3 Test data

6 結語

文中為了提高煙草物流中心的碼垛效率，設計出一套基于多軸同步控制技術的條煙柔性碼垛系統，打破了原有的剛性碼垛系統的局限性，實現了對多條條煙的同時抓取。該柔性碼垛系統以西門子S7–1200 PLC為控制核心，通過設置主從站PLC，加快了系統的運算過程，并采用主令同步方式來控制各電機的運動，實現了各吸盤的同步，再通過設計基于Kinco觸摸屏的人機交互界面來控制單個電機的驅動。通過現場的測試，數據結果顯示，該系統的碼垛效率遠遠大于剛性吸盤的碼垛效率，提高了煙草物流的碼垛效率，且具有較好的穩定性。

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Design of Flexible Cigarette Palletizing Control System Based on Multi-axis Synchronous Control Technology

YANG Yuan1, WANG Jin-bing2, LIU Xu3, ZHOU Lin3

(1. Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Tobacco Guiyang Company, Guiyang 550002, China; 3. Guizhou Tobacco Qiannan Company, Duyun 558000, China)

The work aims to overcome the limitations of the original rigid palletizers and improve the efficiency of cigarette palletizing in the tobacco logistics center. A flexible cigarette palletizing system based on multi-axis synchronous control technology was designed. With SIMATIC S7-1200 PLC as the control core, the system communicated with Kinco touch screen through PROFINET and connected 9 stepper motor drivers and sensors with the external input and output modules of PLC. The data sent by the IPC were processed by the PLC and synchronized by master control to achieve the synchronization of the flexible palletizers and complete the simultaneous grasping of diversified cigarettes. The stability and efficiency of the control system were verified by the experimental platform. The system could simultaneously adsorb 5 strips of cigarettes of different heights and widths, which greatly improved the efficiency of the cigarette palletizing robot. Compared to the rigid palletizing system, the flexible palletizing system increased the efficiency peak by about 24.9%. The designed system improves the efficiency of cigarette palletizing and increases the intelligence of tobacco packaging.

flexible palletizing; multi-axis synchronous control technology; master control; PLC

TB486

A

1001-3563(2023)03-0261-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.033

2022?04?12

貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2021]268）；貴州省科技計劃項目（黔科合支撐[2021]一般355）；貴州省煙草公司貴陽公司科技項目（黔煙筑科[2022]1號）

楊遠（1996—），男，碩士生，主攻機械設計制造及其自動化。

王晉冰（1983—），男，網絡工程師，主要研究方向卷煙商業物流自動化與信息化建設。

責任編輯：曾鈺嬋