基于工業機器人的紙卷自動包裝系統設計

胡連華　李新平,2　湯　偉

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安, 710021；

2.陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安, 710021；

3.陜西科技大學電信學院,陜西西安, 710021)

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基于工業機器人的紙卷自動包裝系統設計

胡連華1李新平1,2湯偉3

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安, 710021；

2.陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安, 710021；

3.陜西科技大學電信學院,陜西西安, 710021)

摘要：針對紙卷包裝流程和包裝機包裝工序,選用ABB 4600系列6自由度多關節型工業機器人和真空吸盤夾手,根據放封頭工序在ABB機器人軟件中進行編程；在整個控制系統中,選用西門子PLC作為主站,工業機器人作為從站,通過PROFIBUS-DP協議與西門子紙卷包裝DCS系統通信，實現了自動取放紙卷包裝封頭和整個紙卷包裝過程的全自動化。

關鍵詞：工業機器人；包裝；放封頭；PROFIBUS-DP協議

Paper Roll Packing Automatical by Using Industrial Robots

工業機器人在國外汽車制造、自動倉儲、食品加工和包裝等諸多行業得以廣泛應用[1-3]。工業機器人可代替人工完成產品堆放、包裝、輸送、分揀和打標等工作[4-5]。在造紙生產過程中,寬幅紙卷需要根據用戶需求經過復卷機分切為不同規格的紙卷,為了避免紙卷在運輸和存儲過程中破損,需要對紙卷外層進行包裝。紙卷包裝工作通常由人工手動完成,工作效率低,勞動力成本高,并且存在一定的安全隱患。為提高紙卷包裝效率,降低企業勞動力成本,減少人工操作帶來的安全隱患,越來越多的造紙企業在紙卷包裝過程中應用自動包裝系統實現整個紙卷包裝過程的全自動化[5-6]。文獻[7]介紹了一種采用工業機器人的紙卷自動包裝系統組成；文獻[8]針對全自動紙卷包裝機給出了一種西門子PLC系統和工業機器人硬件組態方法。本文針對某紙廠紙卷包裝線,給出了一種工業機器人替代人工放置內外封頭實現紙卷自動包裝的方案。

1應用背景

紙卷包裝生產線如圖1所示,主要由復卷機、紙卷移動系統、包裝機、放封頭機器人等組成。紙機生產的成品紙根據用戶需求經過復卷機分切成不同幅寬及長度的紙卷進入紙卷移動系統,紙卷移動系統中的移位車在油缸的作用下上升,移位車將紙卷由換線接紙工位送入包卷折紙工位,然后下降并退回?？刂葡到y根據已經檢測出的紙卷規格參數,自動選定所需的包裝紙卷,由送紙分配器輸送包裝紙。

紙卷包裝工序如圖2所示,當包裝紙帶通過送紙分配器和切紙槽到達噴膠工位后,紙頭停止,兩噴膠槍由紙帶中部向兩側移動并噴灑熱熔膠；機器人放置內封頭,放置完畢后吹氣將內封頭護在紙卷端部,紙卷驅動輥啟動,使紙卷開始轉動,送紙驅動輥啟動繼續將包裝紙頭送至紙卷和主驅動輥之間,放紙系統自動調節其張力以保證包裝紙緊貼在紙卷上。

根據設定的包裝層數和紙卷直徑,系統自動算出包裝紙長度。第一層包裝紙送出紙頭時,噴膠槍向包裝紙兩邊噴膠,當包第二層時噴兩側邊膠。紙卷包裝同時,折紙葉輪轉動,對超出紙卷寬度的包裝紙進行打折,當達到設定的包裝層數時,驅動輥自動停止,此時噴膠槍動作,由兩邊向中部移動噴膠。切紙刀動作將包裝紙切斷,驅動輥轉動,待包裝紙尾端全部與紙卷貼合且全部打折后,包卷結束。

圖1　紙卷包裝生產線示意圖

圖2　紙卷包裝流程

2機器人放封頭系統控制要求與系統選擇

機器人放封頭系統由搬運機器人(包括控制器和編程器)、機器人底座、機器人夾手、封頭檢測裝置和自動控制系統組成。系統檢測到被包裝紙卷的直徑后通知機器人系統,當紙卷需要放置封頭時由2個機器人從封頭放置處抓取并將其放在紙卷兩端。機器人夾具裝有一個傳感器,以確認封頭是否抓住。若抓住封頭后,機器人按照事先示教好的固定軌跡運行到擺放位置(擺放位置通過示教記錄實現),通過傳感器確定封頭是否放下,封頭擺放完畢,機器人回到起始位置等待下一個抓取命令,接到命令后重復以上動作。由于紙卷規格不一樣,封頭尺寸也不一樣,根據不同產品規格預先編好程序,機器人自動調用。

采用ABB 4600系列6自由度多關節型機器人,每個關節由伺服電機驅動,經減速機減速后分別控制臂旋轉、臂前后、臂上下、腕旋轉、腕彎曲以及腕扭轉動作,在一定角度內旋轉,其最大旋轉角度各不相同。旋轉角度通過伺服電機內編碼器反饋,與每個關節設定旋轉角度比較,形成閉環控制。抓取機構采用真空吸盤式夾手,真空吸盤由于是橡膠材料所制,吸取或者放下工件時不會對封頭造成損傷。

在紙卷包裝現場,紙卷直徑為0.8～1.5 m,封頭堆放位置與紙卷包裝機距離根據車間布局不同為2.5～4.0 m。自制放封頭吸盤機構長度為1 m,質量約8 kg,每張封頭質量為0.5～1.5 kg,機器人最大承重不超過10 kg。紙卷包裝速度為30～60 s/卷。根據表1選擇ABB IRB4600-40/2.55型機器人,其手臂載荷為20 kg,雙向最大臂展工作范圍為4.75 m,可以充分滿足紙卷包裝放封頭系統的需求,其工作范圍如圖3所示。根據表2可知,在上述工作范圍內所選擇機器人不到2 s 即可將封頭送至包裝機,可以充分滿足工作需求。

3紙卷包裝DCS系統設計實現

3.1紙卷包裝DCS系統設計

文獻[8]中給出了一種采用西門子PLC為核心的紙卷包裝系統。本設計中紙卷包裝系統采用西門子CPU416-3PN/DP為核心的PLC控制系統,其中貼標系統、紙卷移動系統、包裝機系統和機器人系統作為紙卷包裝系統的子系統,通過IM151采用PROFIBUS-DP通信方式構成整個紙卷包裝系統,其硬件組態如圖4所示。

圖4　紙卷包裝DCS硬件組態圖

型 號到達距離/m有效載荷/kg手臂載荷/kgIRB4600-60/2.052.056020IRB4600-45/2.052.054520IRB4600-40/2.552.554020IRB4600-20/2.502.512011

表2　ABB IRB4600-40/2.55機器人運動參數

圖3　ABB IRB4600-40/2.55工作范圍

3.2機器人控制系統設計

每套放封頭系統由2臺工業機器人組成,每個機器人帶動一個真空吸盤夾手。每個夾手上裝有1個真空吸盤電磁閥、1個抓緊電磁閥和1個吹氣電磁閥。

ABB 4600系列機器人自帶IRC5控制系統?？梢允褂肁BB公司的FlexPendant和RobotStudio軟件對IRC5系統編程。FlexPendant適用于修改程序(如位置和路徑),而RobotStudio適合用于更復雜的編程[9]。根據預先設計的放封頭機器人三維空間尺寸和手臂運行軌跡,設置軟件中的基坐標系、大地坐標系以及附加軸；定義工具坐標系和工件坐標系,以后添加更多對象時同樣需要定義相應坐標系。采用RAPID應用程序定義機器人任務,每個任務包含了一個RAPID程序和系統模塊,并實現一種特定的功能(如大臂或小臂的運動)。在IRC5系統中Multitasking選項下,可以同時運行和測試放封頭機器人程序[9]。

3.3機器人控制系統與包裝DCS系統通信

ABB工業機器人通過在其控制柜上配置DSQC352板卡與西門子系統實現PROFIBUS-DP通信[10],從而實現紙卷包裝DCS系統與放封頭機器人的數據交換。每個機器人IRC5控制系統配置作為PROFIBUS-DP從站,同時在S7 PLC PROFIBUS 網絡上配置IRC5從站,SIEMENC PLC作為主站。每個IRC5從站配置16個I/O,從站輸入與主站輸入對應,從站輸出與主站輸出對應。

4應用結果

紙卷自動包裝系統中,需要2臺機器人放封頭時能夠同步進行,相關技術已經相對成熟；配合視覺系統對封頭位置進行自動識別以及運行軌跡自動優化是目前工業機器人應用研究熱點[11-13]。工業機器人代替人工進行紙卷包裝,一次性投入大,但后續只需要維護成本,費用低效率高。本系統在造紙企業應用后,紙卷包裝效率得以大幅提高。隨著我國勞動力成本上升,越來越多的造紙企業會采用工業機器人完成紙卷包裝工作,工業機器人及其成套控制系統有著良好的應用前景。

參考文獻

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(責任編輯：董鳳霞)

·消息·

“2015中國國際造紙科技展覽會及會議”最新進展

由中國造紙協會、中國造紙學會和中國制漿造紙研究院共同主辦的“2015中國國際造紙科技展覽會及會議”將于2015 年9月16—18日在北京全國農業展覽館舉行。展覽面積13000 m2，內容涵蓋制漿造紙機械設備、零部件、輔助器材、自動化設備及儀器儀表；各類商品紙漿、紙及紙板；廢紙及廢紙利用技術、設備等；造紙化學品；環保及綜合利用新技術及設備；特種紙原料及設備等。

此前，2013 年9月在北京舉辦的“2013中國國際造紙科技展覽會及會議”、 2014 年9月在上海舉辦的“2014中國國際造紙科技展覽會及會議”均匯集了眾多在造紙行業有影響力的國內外造紙及相關企業，取得了圓滿成功。

目前展會的招展工作順利進行， Valmet、Voith、Andritz、A.Celli、Kadant、Buckman、PMP、BTG、Goebel、Sulzer、Leripa、Rollianz Lihua、LECHLER &STAMM、Bekaert、Maruishi、Spraying、泰國現代、臺灣永光、中紙裝備、長沙長泰、焦作崇義、淄博泰鼎、江蘇華東、福建輕機、山東汶瑞、山東昌華、山東晨鐘、遼陽造紙機械、上海輕良、河南中亞、河南大指、鄭州運達、湖南正大、四川高達、綿陽同成、浙江力諾、徐州工業用呢、山東豐信、鴨綠江磨片、杭州美辰、上海金旋、杭州順隆等100多家在造紙行業有影響力的國內外公司均已報名參展，芬蘭Arvelin 國際公司仍然組織芬蘭企業以國家展團的形式參展。展位面積已預訂80%。

在2014 年9月造紙科技展覽會期間，由中國造紙學會、中國制漿造紙研究院和芬蘭造紙工程師協會合作舉辦的為期一天的“2014 CIPTE 國際造紙技術報告會”，邀請了來自中國、芬蘭、德國的專家對涂布、生物質、能源高效利用等造紙工業領域的先進技術進行了演講，吸引了來自國內外造紙及相關企業、高等院校、研究院所的近260 名聽眾，取得了圓滿成功。2015 年，中國造紙學會和中國制漿造紙研究院將再度與芬蘭造紙工程師協會合作，共同舉辦“2015 CIPTE國際造紙技術報告會”，將就造紙行業的熱點問題與大家進行探討。

此外，展會期間還將繼續舉行技術交流會，就新產品、新技術等內容與行業內人士進行溝通交流。

中國國際造紙科技展覽會將繼續保持規模大、專業性強、國際參展商多、觀眾對口、研討會水準高及實用性強等特點，并力求在此基礎上不斷創新，以滿足迅速發展的中國造紙工業的需要。相信本展會必將成為制漿造紙工業名副其實的品牌展覽會。

·紙卷自動包裝·

HU Lian-hua1,*LI Xin-ping1,2TANG Wei3

(1.CollegeofLightIndustrialandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021;

2.ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021;

3.CollegeofElectrical&InformationEngineering,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: hulianhua@126.com)

Abstract：The paper rolls are often packed manually after rewinding. Manually packing paper rolls is low efficiency and high laborcost and has security risk. Most of paper mills are seeking ways of increasing productivity and reducing labor costin the paper roll packing process. In order to realize packing head placing and packing paper roll automatically, ABB 4600 series industrial robots and vacuum sucker pinch were selected as the main equipment according to paper roll packing and packing machine process. And the packing robots were programmed by using the ABB robot software according to the head placing steps. The head placing robots communicated with the packing DCS via PROFIBUS-DP protocol and worked as a whole control system. The Siemens PLC was master station and the head placing robots were slave stations. After the system running in the paper mill, the packing productivity was obviously improved.

Key words：industrial robot; packing; head placing; PROFIBUS-DP protocol

基金項目：陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014K05-38)；陜西省教育廳2013年重點實驗室科學研究計劃項目(13JS015)；西安市未央區科技計劃項目(201410)。

收稿日期：2014- 09- 16(修改稿)

中圖分類號：TB486；TS736；TP249

文獻標識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)04- 0048- 04.

作者簡介：胡連華先生,講師,碩士；主要研究方向：制漿造紙過程測量與智能控制。