YF716型包裝機組物料站自動供料系統的設計

中圖分類號：TS43 文獻標志碼：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型包裝機組物料站是許昌煙草機械有限責任公司研制的新一代超高速包裝機組物料站，主要用于為ZB48、ZB48A、ZB49、ZB416等包裝機組全自動供給鋁箔紙、內框紙、小盒透明紙等3種輔料。該設備實現了物料裝盤、開卷、上膠帶、拼接及廢料回收全過程的自動化[1-4]

隨著工業自動化的不斷發展，基于機器人和機器視覺的自動取上料系統得到了廣泛的應用[5]。王平等設計了一種可以準確抓取商標紙垛并去除牛皮紙的商標紙自動供料系統，提高了卷煙包裝自動化水平。白波等利用機器人和機器視覺技術設計了一種煙箱壞自動供料系統，實現了條煙的自動化包裝。倪明堂等8利用三軸聯動機器人設計了一種料倉式懸臂直角坐標式自動上料單元，實現接觸器包裝盒產線的自動存料、抓取搬運等功能。楊劍鋒等利用工業機器人和圖像識別技術設計了一種自動上箱系統，實現了對紙箱的自動解帶、識別、上料和抓取。劉明鑫采用直角坐標機器人構建三維系統，實現了對多層軟袋物料的智能抓取。當前的卷煙生產線已經實現了多種輔料的自動化上料，然而關于盤卷類輔料的自動上料的文獻較少。為此，本研究基于YF716包裝機組物料站設計了一種自動供料系統，以期提高盤紙上料的自動化水平。

1 問題分析

YF716包裝機組物料站供給的3種物料分別為鋁箔紙、內框紙、小盒透明紙。這3種物料都屬于盤卷類物料。當前設備的物料供給方式為“V型槽 + 提升機”，這種方式需要人工提前將物料搬運到V型槽上，然后通過提升機實現物料的自動裝盤。以小盒透明紙為例，盤紙的重量為 23kg ，外徑為400mm ，內徑為 120mm ，寬度為 160mm ，人工搬運到V型槽時，勞動強度大、操作不便，并伴有安全風險。

盤紙通常放在托盤上，通過AGV小車進行搬運，為了減輕勞動強度，省去從托盤人工搬運到V型槽的步驟，希望通過自動供料系統從托盤上直接拿取物料，實現盤紙的自動化裝盤，提高設備的自動化程度。

2系統設計

2.1 系統結構

如圖1所示，物料站自動供料系統主要由龍門式機械臂、末端執行裝置、外圍框架及視覺系統組成。系統接收主機發出的上料指令后，3D視覺相機對存放在托盤上的物料進行拍照并完成粗定位；龍門式機械臂帶動末端執行裝置上的2D視覺相機來到待抓取工件上方拍照，進行盤紙中心的精確定位；龍門式機械臂根據定位結果帶動末端執行裝置抓取盤紙，將盤紙安裝到上盤工位，實現盤紙的自動化上料。工作流程如圖2所示。

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

2.2 龍門式機械臂

龍門式機械臂由X、Y軸直線運動機構、Z軸提升機構、翻轉裝置組成，如圖3所示。X軸直線運動機構由2個平行的直線運動單元組成，兩者之間通過聯動軸連接。Y軸直線運動機構同樣由兩個平行的直線運動單元組成，通過滑塊固定在X軸上，Z軸提升機構固定在Y軸上。Z軸通過兩個伺服電機驅動可以沿著X、Y軸兩個方向移動。由于待抓取的盤紙為平放狀態，上料時需要將盤紙翻轉 90^° 進行裝盤，在Z軸提升機構末端增加了一個翻轉裝置，翻轉裝置由帶有減速器的伺服電機直接驅動。

2.3末端執行裝置

末端執行裝置主要由套筒、擋圈、滾珠、氣動爪鉗、摩擦塊組成，結構如圖4所示。套筒上裝有多個滾珠，可以有效降低套筒伸人盤紙內芯時的摩擦力；3個摩擦塊通過螺栓和氣動爪鉗固定，通氣后可以實現擴張與收縮；在轉運物料時，機械臂帶動末端執行裝置移動至盤紙正上方，Z軸提升機構帶動套筒伸入盤紙內芯，達到一定位置后氣動爪鉗帶動摩擦塊擴張，摩擦塊撐起盤紙內芯以達到抓取目的。提升抓取到一定高度后，翻轉裝置進行 90^° 翻轉，在機械臂的移動下進行最后的上盤操作。在轉運過程中，盤紙被末端執行裝置夾緊牢固，不會因機械臂的運動而掉落。

2.4 視覺系統

2.4.1系統組成。視覺系統由一個3D視覺相機和一個2D視覺相機組成。3D視覺相機固定在托盤位置正上方，2D視覺相機通過相機支架固定在末端執行裝置上。視覺系統工作時，先由3D視覺相機對托盤上的物料進行快速識別，獲取托盤物料上的深度信息和位置信息，然后機械臂根據獲取的位置信息帶動末端執行裝置移動到目標盤紙正上方，2D視覺相機再次拍照識別得到盤紙中心的精確位置坐標。

2.4.22D視覺相機檢測方法。3D視覺相機主要獲取盤紙的深度信息，而盤紙中心位置的精準識別主要靠2D視覺相機完成。2D相機的圖像識別算法直接決定系統的識別精度，該測量方法主要由圖像預處理、圖像分析等步驟組成。首先，采用高斯濾波對圖像進行預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芯進行圓擬合以求得圓心坐標。2D視覺相機的算法流程如圖5所示。

2.5 控制系統

控制系統以PLC為控制核心，通過EtherCat總線讀取系統信息后對氣動爪鉗等執行部件進行控制；與機械臂通過Ethernet/IP協議進行通信，控制龍門式機械臂執行指令，同時機械臂通過Modbus/TCP控制末端3D和2D相機;通過Modbus/TCP協議將各運行數據及設備操作等功能集成至HMI觸摸屏中。

3應用效果

選用小盒透明紙作為實驗對象，使用本系統對50件存放在托盤上的小盒透明紙進行測試。測試現場如圖6所示。記錄每卷盤紙的上盤時間、成功率，每卷盤紙的上盤時間為從拍照識別開始到上盤成功結束。經過測試，每卷盤紙的上盤速度均在5min 內，上盤成功率達到 100% ，滿足YF716包裝機組物料站的供料需求。

4結語

針對YF716包裝機組物料站在上料環節存在的操作不便、勞動強度大等問題，本研究基于龍門式機械臂和機器視覺技術設計了一種能夠將盤卷類物料直接從托盤抓取上料的自動供料系統，實現了盤紙的自動化上盤。現場測試結果表明，盤紙的上盤速度均在 5min 內，上盤成功率達到 100% ，可以代替原有的“V型槽 + 提升機”供料形式，降低人工勞動強度的同時提高了主機的自動化水平。

參考文獻：

[1]謝明金，韓紅彬，瞿華瀅，等.YF716型包裝機物料站自動拼接機構的研制及應用[J].中國煙草學報，2024，30(5):56-61.

[2]李俊.YF716型包裝機組物料站拉紙驅動裝置設計[J].河南科技，2025，52(1)：33-36.

[3]劉杰，蘇發枝，孔方亮，等.新型包裝機物料站避讓包裝機切刀算法研究[J].自動化技術與應用，2020，39(9)：21-24.

[4]孔方亮.包裝機物料站膠帶自動供給裝置結構設計[J].機械管理開發，2024，39(4)：164-165.

[5]計時鳴，黃希歡.工業機器人技術的發展與應用綜述[J].機電工程，2015，32(1)：1-13.

[6]王平，白波，王強.ZB25包裝機組商標紙自動供料系統的設計[J].煙草科技，2024，57(9)：99-105.

[7]白波，王平，劉元，等.基于機器人技術的煙箱壞自動供料系統設計[J].煙草科技，2025，58(4)：80-87.

[8]倪明堂，馮應龍，宋國慶，等.全自動接觸器包裝盒產線自動上料單元[J].機電工程技術，2022，51（1)：104-110.

[9]楊劍鋒，徐智勇，趙云斌，等.機器人自動上箱系統在卷煙裝封箱機組的應用[J].煙草科技，2013(2)：20-23.

[10]劉明鑫.多層軟袋物料自動上料遠程監控系統設計[D].鄭州：鄭州輕工業大學，2022.

[11]彭晶鑫，石秀東，姚晨明，等.基于機器視覺的零件圓心距在線測量系統設計[J].輕工機械，2021，39(5)：74-78.

（欄目編輯：文雯）