YF716型包裝機(jī)組物料站自動(dòng)供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中圖分類號：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168(2025)13-0045-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.008

Design of the Automatic FeedingSystem for Material Station in YF716-Type PackagingMachine

ZHANG Kangning (Xuchang TobaccoMachinery Co.，Ltd.，Xuchang 461OoO， China)

Abstract: [Purposes] To address the issues of low automation level and high labor intensity in the paper rollfeeding process at the material station of the YF716 packaging unit，an automatic paper roll feeding system was designed.[Methods] This system mainly consists of a gantry-type robotic arm，an end effector，a vision system，and a peripheral frame.The gantry-type robotic arm is composed of X- and Υ- axis linear motion mechanisms，a Z-axis lifting mechanism，and a flipping device，enabling coordinated movement with the end effector to grip and position paper rolls.The end effector consists of a gripping sleeve， a telescopic pneumatic claw，and friction blocks.The vision system consists of a 3D vision camera and a 2D vision camera to accurately locate the center of the paper roll.[Findings] Experimental results demonstrate that the automatic feeding system completes the loading of each paper roll within 5 minutes， achieving a loading success rate of 100% .[Conclusions] The proposed system improves the automation level of the YF716 packaging unit's material station ，reduces manual labor intensity，and provides ffective technical support for enhancing the automation level of roll packaging production lines.

Keywords: packaging machine material station; automatic feeding; end efrctor;3D vision camera

0 引言

YF716型包裝機(jī)組物料站是許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研制的新一代超高速包裝機(jī)組物料站，主要用于為ZB48、ZB48A、ZB49、ZB416等包裝機(jī)組全自動(dòng)供給鋁箔紙、內(nèi)框紙、小盒透明紙等3種輔料。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了物料裝盤、開卷、上膠帶、拼接及廢料回收全過程的自動(dòng)化[1-4]

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，基于機(jī)器人和機(jī)器視覺的自動(dòng)取上料系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[5]。王平等設(shè)計(jì)了一種可以準(zhǔn)確抓取商標(biāo)紙垛并去除牛皮紙的商標(biāo)紙自動(dòng)供料系統(tǒng)，提高了卷煙包裝自動(dòng)化水平。白波等利用機(jī)器人和機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種煙箱壞自動(dòng)供料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了條煙的自動(dòng)化包裝。倪明堂等8利用三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種料倉式懸臂直角坐標(biāo)式自動(dòng)上料單元，實(shí)現(xiàn)接觸器包裝盒產(chǎn)線的自動(dòng)存料、抓取搬運(yùn)等功能。楊劍鋒等利用工業(yè)機(jī)器人和圖像識別技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)上箱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對紙箱的自動(dòng)解帶、識別、上料和抓取。劉明鑫采用直角坐標(biāo)機(jī)器人構(gòu)建三維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對多層軟袋物料的智能抓取。當(dāng)前的卷煙生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種輔料的自動(dòng)化上料，然而關(guān)于盤卷類輔料的自動(dòng)上料的文獻(xiàn)較少。為此，本研究基于YF716包裝機(jī)組物料站設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)供料系統(tǒng)，以期提高盤紙上料的自動(dòng)化水平。

1 問題分析

YF716包裝機(jī)組物料站供給的3種物料分別為鋁箔紙、內(nèi)框紙、小盒透明紙。這3種物料都屬于盤卷類物料。當(dāng)前設(shè)備的物料供給方式為“V型槽 + 提升機(jī)”，這種方式需要人工提前將物料搬運(yùn)到V型槽上，然后通過提升機(jī)實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)裝盤。以小盒透明紙為例，盤紙的重量為 23kg ，外徑為400mm ，內(nèi)徑為 120mm ，寬度為 160mm ，人工搬運(yùn)到V型槽時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作不便，并伴有安全風(fēng)險(xiǎn)。

盤紙通常放在托盤上，通過AGV小車進(jìn)行搬運(yùn)，為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，省去從托盤人工搬運(yùn)到V型槽的步驟，希望通過自動(dòng)供料系統(tǒng)從托盤上直接拿取物料，實(shí)現(xiàn)盤紙的自動(dòng)化裝盤，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，物料站自動(dòng)供料系統(tǒng)主要由龍門式機(jī)械臂、末端執(zhí)行裝置、外圍框架及視覺系統(tǒng)組成。系統(tǒng)接收主機(jī)發(fā)出的上料指令后，3D視覺相機(jī)對存放在托盤上的物料進(jìn)行拍照并完成粗定位；龍門式機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行裝置上的2D視覺相機(jī)來到待抓取工件上方拍照，進(jìn)行盤紙中心的精確定位；龍門式機(jī)械臂根據(jù)定位結(jié)果帶動(dòng)末端執(zhí)行裝置抓取盤紙，將盤紙安裝到上盤工位，實(shí)現(xiàn)盤紙的自動(dòng)化上料。工作流程如圖2所示。

1.3D視覺相機(jī);2.龍門式機(jī)械臂；3.2D視覺相機(jī)；4.末端執(zhí)行裝置；5.緩存托盤；6.主機(jī)；7.外圍框架。

2.2 龍門式機(jī)械臂

龍門式機(jī)械臂由X、Y軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸提升機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)裝置組成，如圖3所示。X軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由2個(gè)平行的直線運(yùn)動(dòng)單元組成，兩者之間通過聯(lián)動(dòng)軸連接。Y軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同樣由兩個(gè)平行的直線運(yùn)動(dòng)單元組成，通過滑塊固定在X軸上，Z軸提升機(jī)構(gòu)固定在Y軸上。Z軸通過兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以沿著X、Y軸兩個(gè)方向移動(dòng)。由于待抓取的盤紙為平放狀態(tài)，上料時(shí)需要將盤紙翻轉(zhuǎn) 90^° 進(jìn)行裝盤，在Z軸提升機(jī)構(gòu)末端增加了一個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置，翻轉(zhuǎn)裝置由帶有減速器的伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

2.3末端執(zhí)行裝置

末端執(zhí)行裝置主要由套筒、擋圈、滾珠、氣動(dòng)爪鉗、摩擦塊組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。套筒上裝有多個(gè)滾珠，可以有效降低套筒伸人盤紙內(nèi)芯時(shí)的摩擦力；3個(gè)摩擦塊通過螺栓和氣動(dòng)爪鉗固定，通氣后可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張與收縮；在轉(zhuǎn)運(yùn)物料時(shí)，機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行裝置移動(dòng)至盤紙正上方，Z軸提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)套筒伸入盤紙內(nèi)芯，達(dá)到一定位置后氣動(dòng)爪鉗帶動(dòng)摩擦塊擴(kuò)張，摩擦塊撐起盤紙內(nèi)芯以達(dá)到抓取目的。提升抓取到一定高度后，翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行 90^° 翻轉(zhuǎn)，在機(jī)械臂的移動(dòng)下進(jìn)行最后的上盤操作。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，盤紙被末端執(zhí)行裝置夾緊牢固，不會(huì)因機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)而掉落。

2.4 視覺系統(tǒng)

2.4.1系統(tǒng)組成。視覺系統(tǒng)由一個(gè)3D視覺相機(jī)和一個(gè)2D視覺相機(jī)組成。3D視覺相機(jī)固定在托盤位置正上方，2D視覺相機(jī)通過相機(jī)支架固定在末端執(zhí)行裝置上。視覺系統(tǒng)工作時(shí)，先由3D視覺相機(jī)對托盤上的物料進(jìn)行快速識別，獲取托盤物料上的深度信息和位置信息，然后機(jī)械臂根據(jù)獲取的位置信息帶動(dòng)末端執(zhí)行裝置移動(dòng)到目標(biāo)盤紙正上方，2D視覺相機(jī)再次拍照識別得到盤紙中心的精確位置坐標(biāo)。

2.4.22D視覺相機(jī)檢測方法。3D視覺相機(jī)主要獲取盤紙的深度信息，而盤紙中心位置的精準(zhǔn)識別主要靠2D視覺相機(jī)完成。2D相機(jī)的圖像識別算法直接決定系統(tǒng)的識別精度，該測量方法主要由圖像預(yù)處理、圖像分析等步驟組成。首先，采用高斯濾波對圖像進(jìn)行預(yù)處理以合理消除噪聲；其次，為了將待抓取工件與背景分割，對圖像進(jìn)行閾值分割；最后，采用亞像素邊緣檢測和最小二乘法對盤紙內(nèi)芯進(jìn)行圓擬合以求得圓心坐標(biāo)。2D視覺相機(jī)的算法流程如圖5所示。

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過EtherCat總線讀取系統(tǒng)信息后對氣動(dòng)爪鉗等執(zhí)行部件進(jìn)行控制；與機(jī)械臂通過Ethernet/IP協(xié)議進(jìn)行通信，控制龍門式機(jī)械臂執(zhí)行指令，同時(shí)機(jī)械臂通過Modbus/TCP控制末端3D和2D相機(jī);通過Modbus/TCP協(xié)議將各運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備操作等功能集成至HMI觸摸屏中。

3應(yīng)用效果

選用小盒透明紙作為實(shí)驗(yàn)對象，使用本系統(tǒng)對50件存放在托盤上的小盒透明紙進(jìn)行測試。測試現(xiàn)場如圖6所示。記錄每卷盤紙的上盤時(shí)間、成功率，每卷盤紙的上盤時(shí)間為從拍照識別開始到上盤成功結(jié)束。經(jīng)過測試，每卷盤紙的上盤速度均在5min 內(nèi)，上盤成功率達(dá)到 100% ，滿足YF716包裝機(jī)組物料站的供料需求。

4結(jié)語

針對YF716包裝機(jī)組物料站在上料環(huán)節(jié)存在的操作不便、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，本研究基于龍門式機(jī)械臂和機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)⒈P卷類物料直接從托盤抓取上料的自動(dòng)供料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了盤紙的自動(dòng)化上盤。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，盤紙的上盤速度均在 5min 內(nèi)，上盤成功率達(dá)到 100% ，可以代替原有的“V型槽 + 提升機(jī)”供料形式，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高了主機(jī)的自動(dòng)化水平。

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（欄目編輯：文雯）