基于吞拿魚罐頭包裝生產(chǎn)線的機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)

王 紅

（東莞市李群自動(dòng)化技術(shù)有限公司，廣東東莞 523808）

0 引言

近年來，食品安全越來越受到關(guān)注，食品包裝領(lǐng)域的自動(dòng)化需求也被提上日程。吞拿魚罐頭在韓國屬于日常生活必備的食品，市場需求量巨大，人們的需求也越來越高，期望總價(jià)不變的情況下要涵蓋不同口味，即要求吞拿魚罐頭包裝生產(chǎn)線支持柔性化生產(chǎn)，根據(jù)客戶指定的口味模式任意組合包裝。常規(guī)的生產(chǎn)線是批量重復(fù)性生產(chǎn)類型,只能支持單一化或者有限的模式生產(chǎn)，長處在于高效率生產(chǎn)，但根據(jù)客戶指定任意類型生產(chǎn)卻無法滿足[1]。針對(duì)這一點(diǎn)，本文提出了一種整線設(shè)計(jì)方案，采用多個(gè)機(jī)器人組合的分布式控制和上位機(jī)控制互相結(jié)合的方式，可以滿足客戶多品種組合的要求，又可以實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)。

1 設(shè)計(jì)背景

客戶生產(chǎn)線在韓國漢城，整體上可將整條罐頭包裝生產(chǎn)線分為3 段。第1 段是來料和理料（不同品類的罐頭分配到相應(yīng)的傳送帶）；第2段是按照要求分揀不同種類的罐頭進(jìn)行組合輸出，罐頭質(zhì)量有90 g、100 g、135 g、150 g、165 g 5種，90 g 罐頭和100 g 罐頭的直徑是一致的，135 g 罐頭、150 g 罐頭、165 g罐頭的直徑是一致的，90 g的罐頭與165 g的罐頭高度差約6 mm，不同質(zhì)量罐頭的高度不一致，這個(gè)需要硬件設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)兼容性；第3段是以第2段的輸出為輸入進(jìn)行封膜包裝和裝箱。第1段和第3段為客戶設(shè)計(jì)，本文不做贅述。本文主要講解第2段，硬件布局如圖1所示。#1傳送帶和#2傳送帶是來料傳送帶，這2 條傳送帶上的物料可能相同也可能不同；#3 傳送帶為組裝傳送帶，按照客戶指定需求，組裝不同類型罐頭然后輸出到下一個(gè)工站，5臺(tái)蜘蛛手機(jī)器人（Delta）以直線形式排開，接受主機(jī)指令執(zhí)行正確的分揀任務(wù)，視覺系統(tǒng)為第2段的輸入源，主要用來識(shí)別輸入罐頭的品類。客戶的組裝需求包含如圖2 所示的14 種模式，且要求不同模式可隨時(shí)切換，同時(shí)每一種模式產(chǎn)能要求均為260 pcs/min。

圖1 硬件布局

圖2 吞拿魚罐頭的14種組合方式，A/B代表2種不同類型的罐頭

2 解決方案

2.1 硬件方案

如上述所述，系統(tǒng)中包含的5臺(tái)蜘蛛手機(jī)器人和3條傳送帶，其中#1傳送帶和#2傳送帶是來料傳送帶，#3傳送帶為組裝傳送帶。為了滿足客戶14種模式的不同組合及后期的任意擴(kuò)展需求，5臺(tái)機(jī)器人中心均布局在#3傳送帶正上方并按直線方式依次排布，工作范圍覆蓋#1、#2、#3 3 條傳送帶，這樣做的目的是每臺(tái)機(jī)器人均可以被指定在#1傳送帶或者#2傳送帶上抓取物料，然后放置到#3 傳送帶上實(shí)現(xiàn)多種組合模式。為了快速識(shí)別物料的品類，在#1傳送帶和#2傳送帶的入口處分別設(shè)置了視覺識(shí)別系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)將識(shí)別的信號(hào)傳遞上位機(jī)，上位機(jī)將信號(hào)匹配后傳遞給機(jī)器人。因?yàn)榫€體較長（約7 m），為了保證傳送帶跟蹤精度，3條傳送帶每條均安裝2個(gè)編碼器，硬件設(shè)計(jì)上保證2個(gè)編碼器信息同步，前段編碼器信號(hào)主要輸送給#1、#2、#3 機(jī)器人，后段編碼器信號(hào)主要輸送給#4、#5機(jī)器人。

2.2 電氣方案

按照14種組合模式，5臺(tái)機(jī)器人的功能分布是前3臺(tái)機(jī)器人為1 組，后面2 臺(tái)為1 組，如圖3 所示。因?yàn)槠渌骷敖泳€方式比較常規(guī)，這里重點(diǎn)描述多組編碼器的電氣處理方案。系統(tǒng)中有3條傳送帶，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)傳送帶上物料的動(dòng)態(tài)跟蹤，每條傳送帶前后均有2個(gè)編碼器，考慮到編碼器本身為無源器件，即采用機(jī)器人輔助編碼器接口的＋5 V 電源輸出給編碼器供電。如果用1個(gè)接口給編碼器供電，同時(shí)1個(gè)編碼器輸送給多臺(tái)機(jī)器人（>2 臺(tái)），會(huì)出現(xiàn)編碼器欠壓的狀況，方案中采用了拆解的方式，如圖4 所示。#1 傳送帶的編碼器由#2 機(jī)器人的輔助編碼器口供電后，把信息同時(shí)輸送給#1、#2、#3機(jī)器人；#2傳送帶的編碼器由#3機(jī)器人的輔助編碼器口供電后，把信息同時(shí)輸送給#1、#2、#3機(jī)器人；#3傳送帶的編碼器由#1機(jī)器人的輔助編碼器口供電后，把信息同時(shí)輸送給#1、#2、#3 機(jī)器人；#4、#5 機(jī)器人接線方式類似，不再贅述。這種接線方式既可以保證電氣穩(wěn)定，不出現(xiàn)一個(gè)電源供多個(gè)導(dǎo)致欠壓，又相對(duì)簡潔，不需要引入其他電源設(shè)備。

圖3 硬件及電氣系統(tǒng)布局

圖4 軟件系統(tǒng)邏輯設(shè)定

2.3 軟件方案

軟件方案包含1 臺(tái)上位機(jī)，負(fù)責(zé)視覺信號(hào)的處理、用戶模式指定、生產(chǎn)信息收集、錯(cuò)誤代碼顯示[1－4]；2組相機(jī)，負(fù)責(zé)查看自己傳送帶上的物料品類，然后把信息傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)處理好后通知#1 號(hào)機(jī)器人。5 臺(tái)機(jī)器人基于TCP/IP 協(xié)議形成菊花鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3,5]，#1 機(jī)器人與#2 機(jī)器人鏈接，#2機(jī)器人與#3機(jī)器人鏈接，因?yàn)橹挥?種罐頭類型，前3臺(tái)機(jī)器人定位1 組，抓取1 種物料，后2 臺(tái)機(jī)器人定位1 組，抓取另外1 種物料。輸入傳送帶上的配合操作如下：#1 和#2傳送帶為來料傳送帶，視覺系統(tǒng)將物料信息通知#1 機(jī)器人，#1機(jī)器人分揀完畢后將剩余物料信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給#2機(jī)器人分揀，#2 機(jī)器人操作完畢后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給#3 機(jī)器人操作。#3傳送帶為輸出線，這條線與#1、#2傳送帶不同，其沒有輸入源，通過設(shè)計(jì)讀取編碼器信號(hào)值固定長度后即自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字信號(hào)作為輸入源，有了輸入源之后，利用傳送帶跟蹤功能給出的跟蹤對(duì)象，機(jī)器人即可以往跟蹤對(duì)象上放置物料。類似輸入傳送帶，這條傳送帶上的物料同樣是#1機(jī)器人動(dòng)態(tài)跟蹤完畢后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給#2機(jī)器人進(jìn)行操作。可見#1、#2、#3 機(jī)器人均要同時(shí)跟蹤#1、#2、#3 3 條傳送帶，這里需要重點(diǎn)說明的是#1、#2、#3 機(jī)器人傳送帶跟蹤功能需要開發(fā)多通道輸入、輸出功能，要求多個(gè)輸入通道互相獨(dú)立，不能混淆，意思是軟件中對(duì)應(yīng)#1傳送帶的隊(duì)列不能與#2傳送帶輸入隊(duì)列獨(dú)立分開，不能互相訪問，具備互鎖功能，保證隊(duì)列元素不能交叉使用。同時(shí)#1 機(jī)器人在提取完2 個(gè)輸入隊(duì)列、1個(gè)輸出隊(duì)列的信息后把剩余隊(duì)列的信息傳遞給#2機(jī)器人，類推，#2機(jī)器人提取信息完畢后傳遞給#3機(jī)器人。為了保證信息不重復(fù)、不堆積，開發(fā)了查重、剔除、排序功能，查重算法采用與前5 位對(duì)比機(jī)制而非遍歷機(jī)制[6－7]，這樣可以有效保證計(jì)算效率，避免跟蹤對(duì)象變多、隊(duì)列無限增大、計(jì)算效率降低的情況。可以采用這個(gè)快速方法的前提是對(duì)象進(jìn)入隊(duì)列時(shí)的排隊(duì)機(jī)制，根據(jù)編碼器的位置信息，靠近傳送帶下游的排在隊(duì)列底部，依次向上推。

3 結(jié)果驗(yàn)證及分析

從方案實(shí)施完畢正式投入生產(chǎn)，至今已2 年多，客戶現(xiàn)場一直持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。在不同產(chǎn)品組合之間，可以實(shí)現(xiàn)如圖2所示的14 種方式組合，且不同組合可以在上位機(jī)上隨時(shí)切換。在效率方面，峰值可以實(shí)現(xiàn)280 pcs/min，超出客戶預(yù)期7.6%。實(shí)際生產(chǎn)證明本文所采用的方案不但滿足了客戶柔性化生產(chǎn)需求，而且極大地提高了客戶的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

在吞拿魚罐頭生產(chǎn)包裝中，傳統(tǒng)的大量、重復(fù)性、單一類型的自動(dòng)化方案已經(jīng)無法滿足客戶多樣化組合的需求，因此提出了一種柔性化的生產(chǎn)方案。采用5臺(tái)機(jī)器人串形鏈接、2組視覺、3條并行傳送帶、多組傳感器作為硬件基礎(chǔ)，軟件上采用上位機(jī)的主站控制和各個(gè)機(jī)器人互相通信控制的分布式控制相組合的方式，上位機(jī)負(fù)責(zé)接受用戶指令并下發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人收到指令后會(huì)通過內(nèi)部信息互通，分配任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)，完成多種模式的組合。產(chǎn)線交付2年多一直穩(wěn)定生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)客戶指定的14種組合模式無縫切換生產(chǎn)，生產(chǎn)效率峰值可達(dá)到280 pcs/min，超出客戶預(yù)期7.6%。實(shí)踐證明，本文提出的方案不僅實(shí)現(xiàn)了客戶的柔性化生產(chǎn)需求，而且極大地提高了生產(chǎn)效率。