基于ABB120機器人的自動飲料機實訓平臺設計

中圖分類號：TP241.2 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0013-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.004

0 引言

當今時代，工業機器人技術的飛速發展正推動著各個制造業領域發生深刻變革，飲料行業也不例外。隨著消費者對飲料品質和生產效率的要求日益提高，傳統的人工操作模式已難以滿足市場需求。目前，飲料制作流程中存在諸多問題：一方面，人力成本不斷攀升，企業為維持生產規模，需投入大量人力進行杯子搬運、飲料灌裝等工作，這不僅增加了運營成本，還因人為因素導致生產效率受限，難以實現高效、穩定的連續作業[2]；另一方面，人工操作的不穩定性和隨意性使得產品質量參差不齊，無法保證每一杯飲料都具有相同的品質，這對品牌形象造成了潛在威脅。因此，開發一款能夠實現自動取杯、精準灌裝及可靠輸送的自動飲料服務機器人示教系統，已成為飲料行業邁向自動化、智能化生產的關鍵一步。

在國外，工業機器人在飲料制作領域的應用已相對成熟。許多知名企業投入大量資源研發自動化生產線，以提高生產效率和產品質量。例如，某些國際知名飲料品牌已在其生產線上廣泛應用機器人進行高速灌裝和包裝作業，通過精密的機械結構和先進的控制系統，實現了每小時數千瓶的高效生產，且產品質量穩定可靠。然而，這些自動化系統多為針對大型生產企業的定制化解決方案，成本高昂，靈活性不足，難以適應小型實驗室環境下的教學與科研需求。

在國內，相關研究也在逐步推進。近年來，隨著工業機器人技術的普及和應用領域的不斷拓展，國內高校和科研機構開始關注如何將機器人技術與教學實踐相結合，開發適合國情的實訓裝備。一些高校嘗試在機械、電氣等相關專業課程中引入工業機器人實驗項目，通過簡單的搬運、裝配等實驗任務，讓學生初步了解機器人的操作與編程。

但針對飲料制作這一特定領域的自動化實訓平臺研究仍處于起步階段，尚未形成系統化、成熟化的解決方案，這為本文基于ABB120機器人的自動飲料機實訓平臺的研究提供了廣闊的探索空間和創新機遇。與此同時，作為一所注重實踐與創新的高等學府，其機電工程學院在機械工程、電氣工程及機器人工程等領域擁有雄厚的師資力量和先進的實驗設備，為開展此類跨學科研究項目提供了堅實的學科基礎和優越的科研環境。

1基于ABB120機器人的自動飲料機實訓平臺總體設計

1.1 設計規劃與目標

本研究旨在開發一套基于ABB120機器人的自動飲料機實訓平臺，通過合理規劃與布局，結合先進的電氣控制技術與機器人編程技術，實現從取杯、灌裝到輸送的全流程自動化操作。該實訓平臺的建立將為學生提供一個理論與實踐相結合的學習環境，有助于提升學生在工業機器人應用、自動化控制系統設計等方面的專業技能與工程實踐能力，培養適應現代社會需求的高素質工程技術人才；同時，也為學校教學改革提供了新的思路與實踐案例，有助于推動相關專業課程設置與教學內容的優化升級，進一步提高學校的教學水平與科研實力。

1.2 系統總體設計

自動飲料機實訓平臺的系統設計采用了分層分布式控制策略，確保各個子系統既能獨立運行又可協同工作，實現復雜自動化任務的高效執行。系統包括ABB120機器人、自動取杯器、末端執行器、飲料裝杯系統、輸送裝置、傳感器、控制器等主要硬件設備，以保障系統運行的實時性和穩定性。整體結構如圖1所示。

1.3 系統整體控制方案

整個系統以ABB120機器人為主站，按鈕盒、傳感器、安全光柵、手機通信等都是通過ABB機器人的D652通信板卡接入機器人系統，為系統提供相關狀態及飲料種類，柱燈、飲料灌裝裝置、自動取杯裝置、手爪、語音控制器等通過I/O硬接線的方式接到D652板卡的輸出端，實現相關裝置的控制，如圖2所示。D652板卡接線圖如圖3所示。

系統總體控制流程如圖4所示。

1.4 系統控制流程

2 自動飲料機實訓平臺的關鍵模塊設計

2.1 自動取杯器設計

自動取杯器是自動飲料機的關鍵部件，直接影響飲料制作的效率與準確性。其設計需考慮杯子的規格、材質及堆疊方式。取杯器基本工作原理是利用機械結構完成取杯動作，常見的機械機構有吸盤式和夾爪式。吸盤式利用負壓吸附杯子，適用于表面光滑的杯子；夾爪式從兩側夾取杯子，對杯子形狀適應性更強。

本設計采用雙桿氣缸及工業吸盤，實現一次性紙杯的自動出杯，如圖5所示。

2.2 末端執行器設計

末端執行器的設計緊密圍繞ABB120機器人實訓平臺的特性和飲料灌裝操作的專業要求展開。首先，確定末端執行器與機器人的連接方式，確保穩固性和精度，以適應機器人高速、高精度運動。通常采用法蘭盤連接，通過高精度螺栓定位和固定，保證連接的可靠性和重復定位精度。

通過柔性手爪的設計，實現飲料裝杯過程的紙杯抓取，實現包括自動取放杯、自動灌裝、自動輸送等功能。具體設計方案如圖6所示。

2.3自動飲料灌裝裝置設計

自動飲料灌裝裝置采用成品抽水器，如圖7所示，通過改造增加繼電器，實現自動化控制。

3自動飲料機實訓平臺的安全系統設計

3.1 安全風險評估

在設計自動飲料機實訓平臺之初，團隊成員全面且深入地開展了安全風險評估工作，對平臺運行的各個環節進行了細致入微的分析與研判。

機械運動方面，ABB120機器人的高速運轉以及自動取杯器等部件的頻繁往復運動，均存在潛在的機械風險。機器人在執行取杯、灌裝、放置等任務時，其手臂和末端執行器會快速移動，若操作人員不慎將手指、頭發等伸入其運動軌跡，極有可能引發夾傷或卷入事故。

3.2 安全防護措施設計

基于風險評估的結果，為機器人實訓臺四周設置了堅固的防護欄，其高度不低于 1.5m ，框架材質選用高強度鋁型材，配合 5mm 厚度的亞克力透明板，能夠有效阻擋機器人異常情況下的運動部件飛出以及人員進入機器人工作區域。

同時，在操作側安裝兩個急停按鈕和安全光柵，如圖8所示，并將安全光柵接入機器人系統的急停回路中。只有在安全光柵沒有被觸發時，機器人方可啟動運行，一旦有人員將手或身體的其他部位伸到機器人的工作區域，安全光柵被觸發，機器人會立即停止運動，確保人員在維護、調試等操作時的安全。在自動取杯器和輸送裝置等運動部件的外露部分加裝了防護罩，防護罩采用透明的聚碳酸酯材料，既不妨礙操作人員觀察設備運行狀態，又能防正人員肢體直接接觸到運動部件，避免夾傷、擦傷等意外。

電氣安全防護方面，整個實訓平臺采用了可靠的接地系統，確保所有電氣設備的外殼均與地面良好連接，即使發生漏電情況，也能迅速將電流導入大地，降低觸電風險。在配電箱內安裝了漏電保護器和過載保護器，一旦檢測到漏電或過載電流，保護器會在極短時間內切斷電源，防止設備損壞和火災發生。為保障操作和維護過程中的安全用電，平臺配備了絕緣手套、絕緣鞋等個人防護用品，并在電氣設備周圍設置了絕緣膠墊，減少操作人員直接接觸地面時的觸電風險。同時，對所有電氣線路進行了規范的整理和固定，以避免因線路雜亂而導致短路、拉扯等故障。

通過以上綜合性安全防護措施構建起全方位的安全屏障，有效降低了自動飲料機實訓平臺的安全風險，保障了教學、科研活動的順利開展以及操作人員的人身安全。

4自動飲料機實訓平臺的應用與展望

4.1在學生實踐教學中的應用

自動飲料機實訓平臺為學校機器人工程專業的學生提供了絕佳的實踐學習機會。學生可以學習操作、維護、檢查、清潔、校準、編程、外部控制、自動運行及飲料灌裝工藝編程等技能。平臺還支持創新設計實訓，鼓勵學生根據需求優化自動飲料機的環節或系統。這些創新實踐有助于激發學生創造力和解決問題的能力，使他們能應對復雜工程問題。

4.2在學校科研工作中的應用

自動飲料機實訓平臺為學校科研人員在智能制造等領域的科研項目提供了支持。科研團隊可依托該平臺開展機器人視覺識別技術在自動取杯中的應用研究，通過安裝攝像頭等視覺傳感器，采集杯子圖像信息，利用圖像處理算法精確識別杯子位置、形狀、尺寸，優化取杯器動作控制，提高取杯準確性，為解決復雜場景下的機器人抓取問題提供依據和技術支持。平臺能夠實時采集運行過程中的各類數據，如設備的運行狀態、故障信息、維護記錄等，并將其存儲于數據庫中。科研人員可以通過數據分析與挖掘技術建立故障預測模型，提前預警潛在故障，合理安排維護計劃，縮短設備停機時間，延長設備使用壽命，提高運行效率，為實現智能制造裝備的智能化運維管理提供有益探索。

4.3 在社會服務方面的應用

自動飲料機實訓平臺積極為地方企業、職業培訓機構等提供技術服務與培訓支持。對于有自動化生產需求但缺乏技術研發能力的中小企業，平臺可以提供自動化生產線測試環境，企業可將新產品或新工藝的自動化生產方案在平臺上進行模擬測試與優化，降低實際生產中的風險和成本。該平臺也可用于開展社會培訓，培訓機構可以根據企業崗位需求，制定針對性培訓課程體系，借助平臺開展實踐教學，使學員能夠熟練掌握工業機器人的操作技能、編程方法以及常見故障的排除技巧，為學生就業做好充分準備，為企業培養應用型人才。

4.4 未來展望

立足當前自動飲料機實訓平臺的應用現狀，其在未來智慧實驗室建設、智能餐飲行業發展等方面具有廣闊的拓展空間。在智慧實驗室建設方面，平臺將進一步與實驗室其他設備實現互通，通過總控電氣系統，實現總控與所有機器人設備的高效通信，采集所有機器人的數據，實現設備狀態可視化，并通過總控屏幕控制所有機器人設備，提升實驗室設備管理的智能化水平和運行效率。在智能餐飲領域，基于現有平臺技術積累，可以研發更先進的智能餐飲解決方案，如開發具備智能點餐、智能支付、智能配送等功能的一體化餐飲服務系統，實現從點餐到取餐的全流程自動化、智能化服務，提升餐飲行業的服務效率和質量，為消費者提供更加便捷、個性化的用餐體驗，賦能智慧城市發展。

5 結束語

自動飲料機實訓平臺項目成果顯著，推動了學生實踐能力的提升、學校科研水平的進步以及社會服務能力的增強。其機械結構設計、電氣控制系統設計、機器人編程和安全系統設計均達到預期目標，運行穩定可靠。在教學中，該平臺通過基礎操作、系統維護和創新設計實訓，提升了學生的專業技能和綜合素質。在科研方面，它為智能制造和工業機器人領域的研究提供了有力支持。同時，平臺還積極服務社會，為地方企業和職業培訓機構提供技術支持和人才培訓。

然而，研究過程中也遇到了一些問題，如多系統協同的復雜性、機械與電氣的精度匹配以及安全防護的全面性等。通過優化設計、精準調試和強化安全測試，這些問題已得到有效解決。

未來，自動飲料機實訓平臺將在智慧實驗室建設和智能餐飲行業發展等方面繼續拓展和深化。通過融合人工智能、物聯網、大數據等前沿技術，平臺將實現更高效的設備互通、智能一體化和智慧化改造，為教學、科研和社會服務創造更多可能性，推動相關行業的持續創新與發展。

[參考文獻]

[1]李楠柯，高建華，張鳳龍，等.基于機器視覺的瓶裝水漏裝檢測系統設計[J].儀表技術，2020（3）：12-14.

[2]姚瑞祺，祝戰斌.《飲料生產技術》課程混合式教學應用研究[J].食品與發酵科技，2018，54（4）：78-80.