雞蛋彩盒裝箱生產(chǎn)線設(shè)計與試驗(yàn)

張 融，王樹才，王玉泉，蔡恒亮，王鳳強(qiáng)

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.武昌工學(xué)院綠色風(fēng)機(jī)制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 武漢 430065；3.湖北神丹健康食品有限公司，孝感 432600）

0 引 言1

據(jù)統(tǒng)計，2019年禽蛋產(chǎn)量達(dá)3 500萬t，同比增長達(dá)8.2%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)3 000多億元，全球占比40%，但是，禽蛋在生產(chǎn)、流通等環(huán)節(jié)的破損率高達(dá)10%以上[1]，出口額度很少[2]。禽蛋包裝尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計未經(jīng)科學(xué)設(shè)計和試驗(yàn)檢驗(yàn)[3]，不能確定各類設(shè)計方案是否適應(yīng)長途運(yùn)輸和工業(yè)化自動生產(chǎn)線。中國近年來規(guī)模化蛋雞場數(shù)量日益增加，品牌雞蛋市場逐漸成熟，蛋品加工企業(yè)發(fā)展迅速，逐步形成禽蛋生產(chǎn)、加工、銷售一體化經(jīng)營模式[4]，紙漿包裝因?yàn)橘|(zhì)量輕在食品包裝發(fā)展進(jìn)程中承擔(dān)了重要角色[5]，蛋品禮品盒包裝，即蛋品彩盒進(jìn)入居民日常快速消費(fèi)品序列，尤其是特殊節(jié)假日彩盒市場需求大增。據(jù)實(shí)地調(diào)研，彩盒包裝更新周期短，規(guī)格多，批量小，蛋品彩盒裝入瓦楞紙箱主要依靠人工完成，效率低已經(jīng)成為彩盒包裝運(yùn)輸流程中的一個痛點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，阻礙了蛋品彩盒包裝全自動化的進(jìn)程。

以湖北神丹健康食品有限公司2019年生產(chǎn)的彩盒包裝保潔蛋為例，主要有4盒裝和6盒裝2類彩盒，同時2種6盒裝彩盒外形尺寸不同。中國國內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的彩盒規(guī)格沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，單一型號的彩盒入箱包裝生產(chǎn)線已無法適應(yīng)市場需求，信息化自動化技術(shù)的發(fā)展對禽蛋包裝自動化產(chǎn)線提出了更高的要求。

針對禽蛋及其包裝機(jī)械，王樹才等設(shè)計了雞蛋電子稱量分級包裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)[6]，關(guān)于禽蛋本身的物理屬性研究[7-8]、蛋雞福利養(yǎng)殖裝備及禽蛋基本特性參數(shù)試驗(yàn)[9-10]或者皮蛋封蠟機(jī)械[11]研究文獻(xiàn)較多。中國自動包裝技術(shù)應(yīng)用于藥品、食品領(lǐng)域較多，如李姿景設(shè)計了基于機(jī)器視覺的藥品包裝生產(chǎn)線自動檢測系統(tǒng)[12]；劉路明等研究了餅干包裝自動生產(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)[13]。劉成龍等對全自動袋式包裝生產(chǎn)線柔性設(shè)計進(jìn)行了探討[14]。為了提高運(yùn)行性能，孟維健等引入運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)算法，設(shè)計了柔性藥品裝箱生產(chǎn)線[15-16]。荷蘭MOBA公司研制的托舉式雞蛋分級包裝產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了多排轉(zhuǎn)單排并反轉(zhuǎn)掉頭的功能，產(chǎn)量達(dá) 18萬枚/h；國內(nèi)周雨程等也研制出一套自動化雞蛋分級包裝整機(jī)生產(chǎn)線，但效率略低[17]。這2類蛋品包裝機(jī)械主要實(shí)現(xiàn)了禽蛋清洗到裝入蛋盒的過程，蛋盒裝入彩盒，彩盒裝入包裝紙箱自動產(chǎn)線并未實(shí)現(xiàn)。在蛋品彩盒試驗(yàn)、入箱方式及對蛋品破損率、入箱效率的影響等方面的研究較少。王鶴騰等利用有限元分析軟件對植物纖維緩沖包裝建立模型，并進(jìn)行跌落試驗(yàn)，分析跌落沖擊時襯墊對內(nèi)裝產(chǎn)品加速度峰值的弱化程度[18]。Mckee在1963年通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了紙箱抗壓強(qiáng)度的簡化公式[19]。機(jī)械及包裝系統(tǒng)通常是非線性系統(tǒng)，王志偉等對兩層計算機(jī)堆碼包裝采用加速度傳感器和 I-Scan系統(tǒng)分別測取產(chǎn)品的加速度響應(yīng)和紙箱間的動壓力響應(yīng)[20]。對在產(chǎn)線運(yùn)輸過程中存在包裝件跳動現(xiàn)象，共振區(qū)域的激勵對非線性包裝系統(tǒng)響應(yīng)有一定程度的影響，可以通過掃頻試驗(yàn)獲取包裝件的共振頻率[21]。付威等利用掃頻試驗(yàn)，測得棗樹發(fā)生共振頻率范圍，避開了激振系統(tǒng)共振頻率，設(shè)計了紅棗收獲機(jī)[22]。

本文首先對彩盒進(jìn)行跌落試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、掃頻試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)，分別確定彩盒包裝內(nèi)禽蛋無破損的自由跌落高度、彩盒夾持力和彩盒的共振頻率，然后對蛋品彩盒入箱柔性包裝生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計和試驗(yàn)，并研制出生產(chǎn)線樣機(jī)試運(yùn)行11個月，測試彩盒入箱蛋品破損的相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證蛋品彩盒柔性包裝生產(chǎn)線的可行性，為其他蛋品彩盒入箱提供參考。

1 基本參數(shù)測定

1.1 跌落試驗(yàn)

為測定彩盒包裝中鮮蛋破損率為 0時臨界跌落高度和臨界高度下雞蛋受到的沖擊加速度，進(jìn)行跌落試驗(yàn)。跌落試驗(yàn)設(shè)備采用Lansmont公司生產(chǎn)的PDL 227跌落試驗(yàn)機(jī)，電機(jī)提升速度（固定）為4.88 m/min。

試驗(yàn)樣品有 6盒裝彩盒包裝（153 mm×274 mm×335 mm）和鮮雞蛋，均由湖北神丹健康食品有限公司提供，試驗(yàn)時間為2019年7月。樣品隨機(jī)分為10組，彩盒平均質(zhì)量M=2.796 kg，鮮蛋符合標(biāo)準(zhǔn) NY/T1551—2007[23]，保證雞蛋新鮮，蛋殼潔凈完好。鮮蛋小頭向下置入紙漿盒，4盒單層堆碼放入彩盒。在最上層一個雞蛋上，安裝美國SDI Model 2422-400三軸電容加速度傳感器，靈敏度10 mV/g。以10 mm為步長從270 mm開始逐漸增大自由落體高度，統(tǒng)計蛋殼破損情況。鮮蛋破損率跌落高度關(guān)系曲線圖如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)?shù)涓叨取?90 mm時，雞蛋開始出現(xiàn)破損。為保證彩盒包裝中的禽蛋破損率為 0，彩盒包裝生產(chǎn)線中跌落高度＜290 mm 均可滿足產(chǎn)線要求，此時，試驗(yàn)測得禽蛋上跌落最大綜合加速度a=97.30g（g為重力加速度，下同）加速度-時間曲線如圖2。

圖1 彩盒包裝雞蛋跌落破損曲線Fig.1 Drop damage curve of eggs packed in color box

注：紅色曲線為X軸向加速度，綠色曲線為Y向加速度，黃色曲線為Z向加速度，白色曲線為合加速度。g為重力加速度，m·s-2；下同。Note: The red curve is the X-axis acceleration, the green curve is the Y-direction acceleration, the yellow curve is the Z-direction acceleration,and the white curve is the combined acceleration.g is the acceleration of gravity, m·s-2; the same below.

1.2 彩盒包裝壓力試驗(yàn)

壓力試驗(yàn)設(shè)備采用中國寶大儀器有限公司 PT-8216壓力試驗(yàn)系統(tǒng)，測力分辨率：100 000倍；測驗(yàn)速度：0.5～200 mm/min。

為了試驗(yàn)測定彩盒包裝抗夾持能力和禽蛋破損率，取同一批次彩盒包裝樣本5盒，進(jìn)行壓力試驗(yàn)。將ASTM D4169-14標(biāo)準(zhǔn)整裝運(yùn)輸計算值作為試驗(yàn)預(yù)定壓力[24]，計算式見式（1）。

式中試驗(yàn)預(yù)定壓力L，N；試驗(yàn)單件產(chǎn)品平均質(zhì)量M=2.796 kg；裝箱高度H=2.7 m；試驗(yàn)單件產(chǎn)品高度h=0.335 m；安全因子F′取 4.5，計算獲得彩盒包裝試驗(yàn)預(yù)定壓力L=870.487 N。

包裝應(yīng)力sσ為

式中F為試驗(yàn)壓力，N；A為接觸面積，m2。

試驗(yàn)獲得單個彩盒包裝的抗載-位移曲線和雞蛋的破損率。彩盒包裝載荷位移關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 彩盒包裝載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of color box

由圖3可知，試驗(yàn)在0～870.487 N 是逐步加載壓縮的過程，彩盒包裝第1屈服點(diǎn)位置在（1.7，440）處，即440 N載荷下，包裝壓縮位移1.7 mm；載荷達(dá)到870.487 N預(yù)定載荷時，雞包裝壓縮位移為2.5 mm。

根據(jù)式（2），包裝第一屈服點(diǎn)σs1和預(yù)定載荷點(diǎn)σs2壓縮應(yīng)力值分別為4 067.77和9 380.67 N/m2。

壓縮試驗(yàn)過程包裝完好，無可見折痕，禽蛋破損率為0。試驗(yàn)說明，彩盒包裝結(jié)構(gòu)具備較好的抗載能力，彩盒包裝生產(chǎn)線直線模組機(jī)械手對禽蛋彩盒預(yù)定壓力L≤ 8 70 N時，均可滿足產(chǎn)線設(shè)計要求。

1.3 彩盒包裝振動試驗(yàn)

為了測定彩盒包裝后禽蛋的共振頻率、禽蛋加速度、加速度傳遞率和禽蛋振動破損率，進(jìn)行振動試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備選用美國 MTS公司制造 MTS 840電液振動臺，垂直振動加速度范圍 0.02～5.00g，頻率范圍為0.01 ～10 kHz。選用美國PCB公司356A24三軸加速度傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，356A24傳感器精度 10 mV/g（±15%）。取同一批次彩盒包裝樣本 10盒，對彩盒包裝進(jìn)行無約束和彈性約束掃頻試驗(yàn)，然后對彩盒包裝進(jìn)行固定約束隨機(jī)振動試驗(yàn)。掃頻試驗(yàn)設(shè)定掃頻范圍 1～100 Hz，加速度為 0.5g。禽蛋加速度-頻率曲線如圖4所示。

圖4a為彩盒包裝掃頻試驗(yàn)彈性約束下，禽蛋加速度-頻率曲線，圖4b為無約束狀態(tài)下禽蛋加速度-頻率曲線。掃頻試驗(yàn)結(jié)果顯示，無約束、彈性約束2種約束條件下，樣本的共振參數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)波動，彩盒共振頻率區(qū)間為10～15 Hz。無約束下其共振頻率、加速度傳遞率、加速度均稍低于彈性約束下的參數(shù)值。彩盒包裝禽蛋不同約束狀態(tài)下的掃頻試驗(yàn)共振結(jié)果參數(shù)見表1。

隨機(jī)振動試驗(yàn)用功率譜密度取至于 ASTMD 4169 Truck Level 振動等級，激勵選用隨機(jī)振動信號的加速度總均方根值Grms=0.52 g2/Hz，Grms=0.73 g2/Hz公路運(yùn)輸2項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)頻率范圍選擇0.01～200 Hz。將樣本固定在振動試驗(yàn)臺上，確保彩盒包裝在振動過程中不能在試驗(yàn)臺上移動。禽蛋小頭向下放置于盒內(nèi)，加速度傳感器固定在禽蛋大頭，保持加速度傳感器方向垂直于振動臺面。彩盒包裝置于圍欄中間，掃頻之后進(jìn)行3 h垂直振動試驗(yàn)，2種激勵下分別試驗(yàn)5次。試驗(yàn)獲得禽蛋加速度傳遞率-頻率曲線如圖5所示。

表1 彩盒的共振頻率和加速度Table 1 Resonance frequency and acceleration of color box

圖4 彩盒包裝禽蛋掃頻振動加速度Fig.4 Acceleration of sweep frequency vibration of eggs packed in color box

隨機(jī)振動試驗(yàn)顯示，在固定約束下，0.52和 0.73 g2/Hz振動激勵條件下，彩盒包裝破損率分別為0和2.08%。

禽蛋在運(yùn)輸過程中受隨機(jī)振動激勵的作用容易破損，運(yùn)輸包裝具有減振吸能的作用。運(yùn)輸工具或振動臺的振動引起的包裝內(nèi)禽蛋振動由加速度振動傳遞率決定。加速度傳遞率定義為禽蛋上產(chǎn)生的振動加速度與振動臺加速度幅值之比，無綱量。隨機(jī)振動傳遞率H（p），見式（3）[25]。

式中Sy(p)為激勵功率譜密度，g2/Hz；SS(p)為響應(yīng)功率譜密度，g2/Hz，Sy(p)見式（4）。

加速度功率譜密度表示隨機(jī)信號y(t)通過中心頻率帶寬的窄帶濾波器后的均方值，其函數(shù)是自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，Ry(θ)為隨機(jī)信號自相關(guān)函數(shù)，描述同一信號在相隔時間為T的2個數(shù)值之間的相互關(guān)系。式中p為中心頻率，Hz；θ為時間延遲，s；T為時間周期，s。自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為

圖5 包裝禽蛋的加速度傳遞率-頻率曲線Fig.5 Transmissibility-frequency curve of egg-packaged

雞蛋對振動的響應(yīng)為

式（4）～（6）帶入式（3），可得幅頻函數(shù)H2(p)為

式中u取瞬時t，u1取瞬時t+θ，所以u，u1為2個獨(dú)立的積分變量；us取瞬時t-u，us1取t+θ-u1，所以us，us1為2個獨(dú)立的積分變量。

頻率比λ=ωs/ω，ωs為外力激勵頻率，Hz；ω為隔振系統(tǒng)固有頻率，Hz。阻尼比ξ=CCC，C為黏性阻尼系數(shù)；CC為臨界阻尼系數(shù)。

由式（3）和式（7）知，H(P)= 1時，振動外力被全部傳遞到雞蛋上，沒有隔振效果；當(dāng)H(P)＜1時，隔振效果好；當(dāng)H(P)＞ 1時，振幅被放大；λ=1時，H(P)達(dá)到最大值，此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。若系統(tǒng)放大倍數(shù)不高，且產(chǎn)品脆值大，產(chǎn)品不易損壞；若放大倍數(shù)大，產(chǎn)品脆值小，允許承受的加速度值則較小，產(chǎn)品則易損壞。蛋品彩盒包裝系統(tǒng)在固定約束下，隨機(jī)振動試驗(yàn)傳遞率H(P) ＞ 1 ，振幅被放大。

室內(nèi)的彩盒包裝產(chǎn)線運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動傳遞驅(qū)動裝置為驅(qū)動鏈輪，設(shè)計功率 1.5 kW，鏈輪帶動長度為800 mm的輥道利用摩擦力推動彩盒和紙箱運(yùn)動。產(chǎn)品質(zhì)量輕，運(yùn)動速度慢，軌道平行度好，其上下振動激勵遠(yuǎn)小于公路運(yùn)輸。產(chǎn)線設(shè)計頻率按照要求避開試驗(yàn)共振頻率區(qū)間，而滾珠絲杠直線模組的固有頻率高于160 Hz[26]，避免了共振對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的影響，且系統(tǒng)激勵滿足小于等于公路運(yùn)輸激勵加速度Grms=0.52 g2/Hz，禽蛋彩盒包裝在線傳輸破損為 0，因此設(shè)計人生產(chǎn)線不會產(chǎn)生共振，符合振動設(shè)計要求。

2 生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)與入箱力學(xué)分析

2.1 生產(chǎn)線工作原理

蛋品彩盒入箱包裝過程中，需要完成對彩盒的分料、計數(shù)、定位、夾取、入箱等動作，彩盒入箱完成后輸送至封箱機(jī)處自動封箱。分料機(jī)構(gòu)阻斷進(jìn)料線上多余的彩盒，計數(shù)氣缸對彩盒計數(shù)，彩盒計數(shù)完成后輸送至夾取工位，直角坐標(biāo)機(jī)械手感應(yīng)到彩盒后進(jìn)行夾取；同時，在瓦楞紙箱線體上，入箱導(dǎo)向架感應(yīng)到空紙箱后動作，直角坐標(biāo)機(jī)械手完成入箱。入箱完成后，入箱導(dǎo)向架、直角坐標(biāo)機(jī)械手回歸原點(diǎn)等待下一次入箱。生產(chǎn)線三維結(jié)構(gòu)如圖6a，直角坐標(biāo)機(jī)械手如圖6b所示。

不同規(guī)格的彩盒對應(yīng)不同尺寸的瓦楞紙箱，因此，在柔性包裝過程中，需根據(jù)彩盒包裝形狀尺寸大小配備多種夾板及彩盒入箱導(dǎo)向框，同時，適當(dāng)調(diào)整瓦楞紙箱分料機(jī)構(gòu)夾持氣缸位置。換型機(jī)構(gòu)均采用快卸結(jié)構(gòu)，利用固定工位開螺紋孔、T型螺釘配合滑軌、蝶型螺帽等方式實(shí)現(xiàn)。該生產(chǎn)線可滿足4盒裝、6盒裝彩盒入箱，4盒裝彩盒規(guī)格為112 mm×310 mm×360 mm，6盒裝彩盒包裝為 153 mm×274 mm×335 mm 和 133 mm×306 mm× 336 mm兩種。在夾取過程中，4盒裝采用單列并排夾取；6盒裝采用雙列并排夾取。如有其他不同規(guī)格尺寸的彩盒和入箱數(shù)量變化，在人機(jī)交互界面修改參數(shù)和更換導(dǎo)向架和夾爪即可。

2.2 直線模組機(jī)械臂的設(shè)計

直線模組彩盒夾持機(jī)械臂設(shè)計為直角坐標(biāo)機(jī)械臂，該機(jī)械臂滿足笛卡爾空間直角坐標(biāo)系，其運(yùn)動由X，Y，Z三軸方向上的直線運(yùn)動組成[27]。產(chǎn)線上，彩盒包裝在預(yù)定的時間從輸送線精準(zhǔn)到達(dá)機(jī)械手夾持位置，然后機(jī)械手夾持彩盒移動輸送至包裝箱。根據(jù)要求，設(shè)計X，Z軸的最大有效行程分別為750和380 mm；機(jī)械臂X軸移動線速度0～199 mm/s可調(diào)，Z軸移動線速度0～149 mm/s可調(diào)；Y軸為夾爪板運(yùn)動軌跡，最大行程200 mm，最大線速度50 mm/s。整機(jī)設(shè)計額定功率1.5 kW，通過絲桿傳動，各臂分別沿著自身所在坐標(biāo)軸方向上做進(jìn)退、升降和伸縮運(yùn)動。

本產(chǎn)線直角坐標(biāo)機(jī)械手由X軸直線模組、Z軸直線模組、Y軸夾爪機(jī)構(gòu)組成，均為滾珠絲桿傳動。設(shè)計的絲杠導(dǎo)程為10 mm。夾爪機(jī)構(gòu)中，夾板一端固定，另一端由絲桿步進(jìn)電機(jī)推動夾爪活動板至指定位移處完成夾持動作，不同包裝對應(yīng)不同位移，夾爪固定板及活動板內(nèi)壁均采用4 mm厚乳膠包膠處理[28]。生產(chǎn)線上4盒或6盒彩盒并排收集后，推桿推進(jìn)距離根據(jù)彩盒型號不同由PLC控制器控制。為保證彩盒夾取，放入瓦楞紙箱高度必須低于安全高度，直角坐標(biāo)機(jī)械手Z向行程也根據(jù)彩盒型號不同而不同。夾板在下行入箱松開，然后上行至安全區(qū)域夾板歸位原點(diǎn)，Y軸夾板、X軸模組、Z軸模組均對應(yīng)3個光電開關(guān)，1個為原點(diǎn)開關(guān)，另外2個為前后安全限位開關(guān)。

圖6 蛋品彩盒生產(chǎn)線機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Mechanical structure diagram of production line of egg color box

2.3 機(jī)械臂軌跡規(guī)劃算法

直角坐標(biāo)機(jī)械臂路徑規(guī)劃是指在一定空間范圍內(nèi)，起始位置點(diǎn)運(yùn)動到目標(biāo)位置點(diǎn)的路徑。機(jī)械臂在多段連續(xù)軌跡控制中，將路徑細(xì)分為多段微小直線段進(jìn)行控制。各軸聯(lián)動的S曲線加減速控制算法主要是根據(jù)路徑的長度及給定時間，進(jìn)行路徑規(guī)劃，經(jīng)過DSP的處理，產(chǎn)生驅(qū)動控制電路能夠接收的脈沖信號，進(jìn)而驅(qū)動交流伺服電機(jī)精確地控制各軸的運(yùn)動速度和位置[29]。

在機(jī)械臂對稱中心上建立空間坐標(biāo)系，根據(jù)運(yùn)動單元和末端夾持手臂的空間位姿關(guān)系，得到機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固連坐標(biāo)系的變換，獲得夾持手臂的空間位置[30]。根據(jù)D-H矩陣建立機(jī)械臂運(yùn)動方程，各運(yùn)動單元空間位姿關(guān)系見式（8）[31]。

式中θi為關(guān)節(jié)夾角，rad；αi為關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角，rad；δi為連桿偏距，mm；di為Z軸位移，mm。

直線模組彩盒夾持機(jī)械臂各運(yùn)動單元見式（9）。

該模組未設(shè)計位姿旋轉(zhuǎn)，只有運(yùn)動單元的移動，矩陣變換為式（10）。

其中，

直線模組彩盒夾持機(jī)械臂末端位姿A5見式（11）：

A5矩陣變換為式（12）：

機(jī)械臂機(jī)構(gòu)末端的運(yùn)動設(shè)計為平面運(yùn)動，以四盒裝彩盒尺寸為112 mm×310 mm ×360 mm為例，包裝紙箱尺寸的為330 mm×540 mm×420 mm，紙箱箱蓋的垂直高度為170 mm。機(jī)械手動爪夾板與定夾板初始距離設(shè)為522 mm。機(jī)械手從初始位置（0,0）開始準(zhǔn)備取樣，到彩盒入箱，動作分9步完成：1）機(jī)械手從初始位置（0,0），下降380 mm；2）活動夾板平移62 mm夾持住彩盒；3）機(jī)械手提升至初始高度，此時活動夾板坐標(biāo)（62,0）；4）機(jī)械手平移701 mm至包裝箱處，機(jī)械手位置坐標(biāo)為（763,0），此時彩盒到達(dá)包裝箱正上方位置；5）機(jī)械手整體下降380 mm，坐標(biāo)變?yōu)椋?63,380）；6）機(jī)械手活動夾板慢慢松開，反向位移26 mm，彩盒再向下滑移；7）機(jī)械手提升380 mm；8）機(jī)械手完全松開，活動夾板反向位移 36 mm，返回坐標(biāo)點(diǎn)（737,0）；9）機(jī)械手平移快退歸位至（0,0）處，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個運(yùn)動周期。

2.4 夾持與跌落分析

2.4.1 機(jī)械手夾持應(yīng)力分析

機(jī)械手夾持力N要保證不夾破包裝內(nèi)雞蛋，又確保彩盒不滑移跌落，選用乳膠材料包覆夾持面增加表面摩擦系數(shù)，彩盒側(cè)面夾持應(yīng)力σ見式（13）。

式中天然乳膠材料摩擦系數(shù)f=0.7，m為被夾持彩盒的質(zhì)量，kg；s為夾持面積，m2。4盒裝彩盒夾板尺寸設(shè)計為230 mm×314 mm，夾持面積s設(shè)計尺寸為190 mm×314 mm，單盒產(chǎn)品平均質(zhì)量2.46 kg。由式（13）得：

6盒裝彩盒夾持面積設(shè)計為410 mm×314 mm，單盒產(chǎn)品平均質(zhì)量1.968 kg。彩盒側(cè)面夾持應(yīng)力為

根據(jù)壓力試驗(yàn)可知：

由式（14）可知，4盒裝、6盒裝機(jī)械手的臨界夾持應(yīng)力均未達(dá)到試驗(yàn)第一屈服點(diǎn)，不會造成盒內(nèi)禽蛋破損。

2.4.2 機(jī)械手夾持彩盒的跌落分析

由跌落試驗(yàn)可知，彩盒在290 mm處及以下高度自由跌落至剛性地板上，禽蛋無破損。機(jī)械手動作至第4步，彩盒到達(dá)包裝箱正上方位置，下底面與包裝箱垂直距離設(shè)計665 mm，機(jī)械手下行380 mm處，松開活動夾爪，彩盒自由跌落，此時彩盒與箱底接觸面距離267 mm，小于290 mm試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)。為了增加彩盒的安全系數(shù)，另外增加了3種防護(hù)：一是在彩盒入箱框上設(shè)計0.5 mm彈性鋼片斜面，彩盒自由落體到斜面上慢慢向下滑移；二是彩盒滑移過程中側(cè)壁紙箱給彩盒一定的摩擦阻力；三是，最后跌落到紙箱底部替換試驗(yàn)中的剛性地面減振。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果證明，彩盒禽蛋跌落破損率為0，滿足設(shè)計要求。

3 控制系統(tǒng)

3.1 硬件裝置

控制系統(tǒng)采用1個蘑菇頭開關(guān)、2個旋轉(zhuǎn)開關(guān)、2個氣缸磁性開關(guān)、14個光電開關(guān)的信號，控制3組直線模組、10個氣缸，利用西門子PLC S7-200 smart控制器（CPU ST40）進(jìn)行控制。CPU ST40擁有斷電數(shù)據(jù)保持功能，可自行設(shè)定存儲器地址，以實(shí)現(xiàn)斷電重啟后數(shù)據(jù)的自動恢復(fù)。模組安全限位及原點(diǎn)位采用臺邦 U型光電開關(guān)PM-F45P，彩盒橫向移動底部安全限位采用臺邦回歸型漫反射光電開關(guān) E3Z-R81，其余光電開關(guān)采用滬工E3F-DS10P1。X、Z軸直線模組采用漢德保110三相步進(jìn)電機(jī)，額定電流 7 A，保持力矩23 N·m；夾爪模組采用漢德保86二相步進(jìn)電機(jī)，保持力矩12.7 N·m。步進(jìn)電機(jī)均采用單相（2輸出）開環(huán)控制方式，絕對位置控制方式提高重復(fù)定位精度。觸摸屏采用MCGS TCP7062。

3.2 柔性控制系統(tǒng)

本文采用的TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互模型，可為柔性化生產(chǎn)線提供數(shù)據(jù)交互范式和接口技術(shù)，滿足柔性化生產(chǎn)線的工藝需求[32]。蛋品彩盒入箱柔性包裝生產(chǎn)線要求運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)蛋品包裝多品種、小批量生產(chǎn)。控制系統(tǒng)的設(shè)備調(diào)試和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)是 2個關(guān)鍵部分，控制流程如圖7所示，系統(tǒng)具備產(chǎn)品柔性、維護(hù)柔性和擴(kuò)展柔性。

圖7 控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow chart of control system

設(shè)備運(yùn)行自動模式下，對彩盒及紙箱的動作均由對應(yīng)光電開關(guān)進(jìn)行邏輯控制，若光電開關(guān)未采集到信號，則對應(yīng)動作停止，設(shè)備暫停并故障報警。特別涉及到故障安全型系統(tǒng)設(shè)定時，比如當(dāng)夾爪夾持彩盒沿X軸移動過程中，若中間彩盒出現(xiàn)輕微下滑，則對應(yīng)回歸型漫反射光電感應(yīng)信號后需立即停止機(jī)械手動作，避免發(fā)生設(shè)備剛性沖撞導(dǎo)致設(shè)備損壞。現(xiàn)場生產(chǎn)更換不同彩盒包裝時，需在手動模式下，點(diǎn)擊觸摸屏“換夾板”虛擬按鈕，此時機(jī)械手自動動作至指定位置方便操作人員手動卸裝對應(yīng)彩盒夾板，卸裝完成之后機(jī)械手回歸原點(diǎn)，極大地提高了柔性生產(chǎn)效率。

本控制系統(tǒng)基于MCGS V7.7進(jìn)行觸摸屏界面設(shè)計及與PLC通訊，觸摸屏界面主要有主控界面、手動模式界面、機(jī)械手控制界面、主要參數(shù)設(shè)定界面等，方便操作人員現(xiàn)場調(diào)試及維護(hù)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 破損率的測定

破損率為驗(yàn)證本包裝生產(chǎn)線可行性的重要參數(shù)，將破損率記為P：

式中n1為有破損蛋箱數(shù)；N1為包裝紙箱總數(shù)。

4.2 生產(chǎn)效率試驗(yàn)

在規(guī)定試驗(yàn)時間內(nèi)，統(tǒng)計蛋品彩盒整齊入箱的瓦楞紙箱數(shù)量，計算包裝生產(chǎn)效率η：

式中m1為彩盒整齊入箱的瓦楞紙箱數(shù)量；T1為試驗(yàn)時長，h。

4.3 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)樣本分為每箱 6盒裝和每箱 4盒裝 2組，8:30～11:30共3 h完成6盒裝入箱試驗(yàn)，14:30～5:30共3 h完成4盒裝入箱試驗(yàn)。從試驗(yàn)第一天起，每半天測定一次包裝線的效率、蛋品破損率，統(tǒng)計時間共 10 d。人工入箱產(chǎn)線現(xiàn)場，3人為1組，每日同時進(jìn)行相同彩盒的裝箱工作。在彩盒入箱完成后，從每10箱中隨機(jī)抽取1箱進(jìn)行人工查驗(yàn)，統(tǒng)計有破損蛋紙箱數(shù)，一箱中若發(fā)現(xiàn)一粒禽蛋破損，則視為破損箱。人工入箱破損抽查方法相同。試驗(yàn)現(xiàn)場見圖8。

試驗(yàn)結(jié)果如表2，在4組破損率均為0的情況下，自動化包裝線完成6盒入箱的效率均值為96.2箱/h，人工對照組效率為20.2箱/h；自動化包裝線完成4盒入箱效率均值為120.4箱/h，人工對照組效率為23箱/h。6 盒裝、4盒裝自動化包裝線彩盒入箱效率分別是人工手動裝箱效率的4.76和5.23倍。除此以外，人工包裝需要人工開箱、封箱、計數(shù)、搬運(yùn)等輔助工，該生產(chǎn)線自動包裝前端連接自動開箱機(jī)，后端連接自動封箱機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)無人看管自動工作，可節(jié)省輔助工3～6人。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.8 Experiment scene

表2 彩盒機(jī)械裝箱與人工裝箱對比試驗(yàn)Table 2 Comparative test of mechanical packing and manual packing for color box

5 結(jié) 論

1）本文對雞蛋彩盒進(jìn)行了跌落試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、掃頻試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)，確定了彩盒包裝內(nèi)雞蛋無破損防護(hù)性能參數(shù)，即臨界跌落高度、無破損夾持力、共振頻率和雞蛋運(yùn)輸系統(tǒng)激勵。跌落試驗(yàn)獲取雞蛋破損臨界跌落高度為290 mm；彩盒包裝壓力試驗(yàn)確定了彩盒夾持力需小于870 N；彩盒包裝掃頻試驗(yàn)確定了彩盒包裝件共振頻率范圍為10～15 Hz；隨機(jī)振動試驗(yàn)顯示包裝系統(tǒng)激勵必須滿足Grms≤0.52 g2/Hz。

2）在試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)下，設(shè)計了一條基于直角坐標(biāo)機(jī)械手、位置傳感和可編程邏輯控制器控制的蛋品彩盒入箱柔性包裝自動化生產(chǎn)線。包裝自動化生產(chǎn)線主要由直角坐標(biāo)機(jī)械手、PLC S7-1200主控及擴(kuò)展模塊、HMI人機(jī)界面、光電傳感器、氣缸、物料輸送機(jī)構(gòu)等組成。以光電傳感器的觸發(fā)信號作為物料的到位信號，通過PLC發(fā)出指令控制氣缸動作及直角坐標(biāo)機(jī)械手按既定路徑完成物料的夾緊、搬運(yùn)和松開動作，經(jīng)過柔性下降裝置實(shí)現(xiàn)蛋品彩盒自動入箱。本產(chǎn)線直角坐標(biāo)機(jī)械手X，Z軸的最大有效行程分別為750和380 mm；Y軸夾爪板運(yùn)動軌跡最大行程200 mm，最大線速度50 mm/s，整機(jī)設(shè)計額定功率1.5 kW。

3）現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示，包裝線完成每箱6盒、每箱4盒的彩盒裝箱效率分別是96.2和120.4箱/h，較企業(yè)原來的人工裝箱，本包裝封線完成彩盒6盒裝、彩盒4盒裝入箱效率分別是人工手動裝箱效率的4.76和5.23倍，同時節(jié)省3～6名勞動力，生產(chǎn)線運(yùn)行全過程蛋品破損率為0。

目前生產(chǎn)線生產(chǎn)速度設(shè)計較低，主要原因是該生產(chǎn)線的前一項(xiàng)工藝，即內(nèi)包裝入彩盒環(huán)節(jié)還需要人工完成，沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，人工手持內(nèi)包裝盒置入彩盒中，效率較低未來將通過改良內(nèi)包裝入彩盒工藝，提高包裝生產(chǎn)線的工作效率。