1 引言
随着人工成本的不断提高,从手工和半自动操作向高度自动化发展已成必然趋势[1],瓷砖自动包装线的出现,改变了原来手动包装的局面[2,3],有效降低了陶瓷行业的劳动力强度,提高了工作效率。一条完整的离线包装生产线主要包括上砖装置、裹包装置、捆扎装置、码垛装置[4,5]。完成的工作主要是把放在砖架上的砖按一定规范用纸箱包装捆扎,然后按一定的方式再码放在砖架上。旧式的码垛只能完成单层竖码,空间利用率低,所以往往在入仓库储存前还需要进行人工的整理,如图1所示,本装置是在了解了国内多家陶瓷厂的存放需要,为满足的不同码垛方式而设计的。整体控制以PLC为核心,运用变频器、伺服电机、传感器、多串口通讯等技术加以实现。
2 码垛装置总体介绍
新型码垛装置由叠包翻转模块、搬运模块、码垛平台三个部分组成,整体结构如图1所示。该装置有三个平移运动自由度:两个平面运动自由度,使其能沿X向和Y向自由运动,实现成箱产品的平动搬运转移;另外一个为高度方向运动自由度(Z向),使机器人能够将成箱产品抬起与放下。这三个运动自由度均由伺服电机驱动,由光电编码器构成机器人的半闭环位置控制。另外,为能够自动夹取生产线上包装完毕的成箱产品,在机器人末端处安装一个夹爪机构,该夹爪机构由气缸驱动、两极杠杆传动,可实现自动开合并提供足够的夹持力。不同规格产品可以靠小部分机械调整来实现。
工作时待码垛的瓷砖依次经过叠包工位、翻转工位,搬运模块将其夹取提起,运送到码垛平台,完成码垛动作后返回进行下一次搬运。
本码垛装置最大特点是可同时进行水平或竖直方式码垛,当进行竖直方式时,瓷砖在完成叠包工序后,在翻转工位翻转90度再进行搬运;当进行水平方式码垛时,在翻转工位时则不进行翻转,直接被搬运装置夹起,当运送到码垛平台时根据竖码或是平码层数控制下降的高度,将包装好的瓷砖轻放在砖架之上。
2.1 叠包翻转模块
为提高码垛的整体工作效率,搬运模块每次夹取两包瓷砖,叠包工位的功能是把传送带上的单包瓷砖进行堆叠。如图3所示,当瓷砖被传送到传感器检测位置时,传送电机获得执行信号停止,由顶砖气缸把砖顶起,夹持装置检测到瓷砖后夹住,顶砖气缸返回,传送电机启动。当下一块砖到达夹起瓷砖正下方时传送电机停止,这时在控制信号作用下夹持装置放开,两包砖叠放在一起,叠包动作完成,传送电机启动将叠好的瓷砖送到下一工位。当瓷砖被传送到叠包检测位置时需要在程序中做一个判断,如果夹持装置上检测没有砖,则按第一包块砖的动作执行;如果夹持装置上检测有砖,认为到达检测位置的是第二包砖,则按第二包砖动作执行。
翻转工位有两种不同的工作方式:当进行竖直码垛时,传感器检测到翻转工位有砖时,翻转挡砖气缸和对齐气缸依次伸出,将砖对齐并固定,以免在翻转时倾倒。准备完成后翻转气缸执行动作,瓷砖完成90度的翻转,等待搬运;当进行水平码垛时,传感器检测到翻转工位有砖时,翻转挡砖气缸返回,挡板呈竖直状态,对齐气缸正常完成对齐动作,等待搬运。
2.2 搬运模块
搬运模块如图4所示主要由龙门架、搬运小车和夹持升降部件组成。瓷砖是易碎产品,在搬运过程中,必须保持运行平衡,轻取轻放。所以对升降电机要求非常精确。该模块中的电机均采用带编码器反馈的伺服电机,以完成快速度精准的搬运动作。
翻转模块动作完成后会发出允许夹取的信号,搬运小车首先平移运动,到达翻转工位上方的传感器检测位置时停止,夹持装置在升降电机作用向下运动,当夹持装置检测到瓷砖时下降停止,夹持气缸抻出完成夹取,翻转模块的翻转挡板气缸和对齐气缸返回,夹持装置开始上升,到达上升零点后停止。平移电机启动,将瓷砖运送到码垛平台上方,然后在升降电机作用下,瓷砖下降指定高度后夹持气缸复位,完成瓷砖的一次搬运动作。
搬运模块也具备两种工作方式:当进行竖直码垛时,夹持装置下降到瓷砖离砖架5mm时下降停止,每一次搬运下降的高度是固定不变的:当进行水平码垛时。每完成一次放砖,砖垛的高度就增加了两包砖厚度,所以要根据触屏输入的水平码垛的数量进行计算。例如图1的后一种码垛方式,竖直满垛后水平再码放十层,每一层下降的高度要事先计算好输入到程序中,当转入水平码垛后就开始计数,每一次搬运都按照计数的相应层数来执行下降高度。这样保证每一次放砖的高度都离砖架上的砖面的距离固定,以免过高放砖发生瓷砖损坏的现象。
2.3 码垛平台模块
码垛平台的工作结构如图5所示,由一条长轨道和两辆小车组成。初始状态是两车分别位于轨道的最后端,启动后默认A车先进行工作,首先运动到龙门架正下方,完成一次放砖后,与触屏预先输入的数量进行比较判断是否满垛。当进行竖直码垛方式时,如果未满垛A车后退两包砖厚度的距离,等待下一次放砖。如果判断竖直满垛,则A车前进到水平码垛检测位置等待。
当进行水平码垛方式时,如果水平未满垛,则A车后退瓷砖一条边长的距离。放砖完成后,再回到前一状态位置。如果判断是满垛,则A车开始后退,同时B车前进至龙门架下方执行与A车相同的工作。A车后退到轨道后端停止,工人用叉车将码好垛的砖架叉走,换上空砖架。等待B车满垛后退时A车再前进执行码垛任务。两车交替工作,可实现整体码垛的连续不间断运行。平台中间的挡砖部件由气缸控制,作用是将砖与车上的砖压紧并防止砖发生倾倒现象。小车前边的条件必须是另一车位于轨道最后端或是后退状态,否则容易发生撞车事故。
3 码垛装置的电气控制系统
整个装置由一个PLC统一控制, 输入主要来源于光电传感器、行程开关、编码器、操作面板以及触摸屏中的手动操作。执行器件主要由变频器,伺服驱动器、步进驱动器和继电器组成,对电机和气动部件进行控制。整体的控制原理如图6所示,控制台的操作面板由触摸屏和常用的启停按钮组成,触摸屏中除了可以进行平竖码的数值设定,还可实时显示码垛的总数量和平均速度,在程序中还设有手动操作界面,便于机械调试和故障检测。正常运行时工人只需要简单的起停操作即可完成自动码垛工作。
系统的软件主要是PLC程序设计,图7为码垛装置的PLC程序的总流程图。装置启动后首先进行初始化,所有气缸复位;搬运装置运动到翻转机构上方;夹持装置上升到最上端的零点;B车后退到轨道一端,A车前进到龙门架正下方,初始化完成后输送电机启动,当检测到有砖到达叠包工位时,开始进行叠包工序,进入正常工作循环状态。
4 结束语
本文设计了全自动的瓷砖码垛装置,可普遍适用于瓷砖自动包装线,在正常运行时,只需要叉车工人进行砖架的装卸,不需要工人进行其他操作,可二十四小时不间歇工作,码放瓷砖整齐,运行稳定。与旧式码垛装置比较速度有明显提升,并可根据仓储需要进行设置码垛结构。节省了人工摆放的工序,对提高生产效率、自动化程度和降低成本具有非常重要的作用。
参考文献:
[1] 宋华振.包装机械控制系统发展趋势[J].自动化博览,2009,(ll):30-31.
[2] 汪再文.世界包装机械市场展望[J].中国包装工业,2006,18(10):l9-22.
[3] 魏风军.2006年国际包装机械产业的发展趋势[J].轻工机械,2006,8(5):l2-16.
[4] 李基洪.机电一体化在包装机中的应用[J].包装工程,2000,10(10):38-40.
[5] 陈勇亮,张国全.全自动瓷砖包装机翻砖机推理研究[J].包装学报,2009,(1):49-52.
作者简介:许家忠(1977-)男,副教授,博士,研究领域:机电一体化及运动控制技术。