商志全，张乾坤，段文军，范国臣，郭庆彬
（北京环境强度研究所，北京100076）
摘要：为了提高包装粮码垛的自动化程度及节约成本，笔者设计了一款基于PLC控制的包装粮码垛系统。该装置采用机械手与天轨系统相结合的方法，使用齿轮齿条进行传动，采用仿真分析与公式计算对天轨横梁进行强度校核；控制系统采用PLC与制造执行系统(manufacturing execution system，MES)控制相结合的方法，采用Socket通信协议，运用了模块化的编程原理。结果表明：该套系统可以实现全程无人化自动运行，验证了系统的可行性。该套系统在食品包装领域具有一定的实用性和推广性。
关键词：包装机械；码垛；天轨系统；PLC控制；制造执行系统(MES)
包装好的粮食在出库前需要在货车内码垛后再进行运输，传统码垛主要依靠人工进行，这样不仅效率低、劳动强度大，还会给码垛工人带来安全隐患［1-4］。随着自动化技术的发展，码垛机器人在包装粮码垛应用较为广泛，但是当有多条输送线时就需要多个机器人进行码垛，这就大大增加了使用成本［5-7］。为了解决包装粮在出库时码垛效率低、成本高、自动化程度低，以及码垛工人安全等问题，笔者设计了一套基于PLC控制的包装粮码垛系统，该自动化系统集上位机制造执行系统(manufacturing execution system，MES)、PLC控制系统、天轨系统和码垛机械手系统以及远程通信技术于一体，不仅可以降低使用成本、提高工作效率，还可以实现远程操控，以及全天无人值守，大大改善了码垛工人的工作环境以及安全性［8-9］。另外，该套包装粮码垛系统采用天轨系统，可以节省安装空间及降低成本［10-12］。
1结构组成
1.1系统总体结构设计
该套基于PLC控制的包装粮码垛系统主要应用于食品包装领域。码垛系统总体结构如图1所示，系统主要包括输送线系统、天轨系统、托盘定位系统以及码垛机械手系统。其工作原理是：当O型输送带末端传感器检测到有箱子到位时，O型输送带停止运动，并且将箱子到位信号通过PLC传输到上位机MES系统中；上位机MES系统通过与数据库存储的信息进行比对，将码垛指令发送到码垛机械手PLC中，然后码垛机械手系统执行上位机MES系统的指令移动到相应的输送线上进行码垛操作；当码垛机械手完成一次码垛操作后会将信号返回到上位机MES系统中，上位机MES系统将数据存储到数据库中；当上位机MES系统通过比对数据库中的信息后发现托盘上的箱子已经装满，会自动呼叫装载小车将托盘移走，并且自动呼叫小车将空托盘放回原位。该套系统实现了从装箱到托盘运输完全的自动化无人值守运行。
图1 码垛系统总体结构
1.2系统详细结构设计
码垛系统装置三视图如图2所示。码垛机械手通过机械手下部的吸盘将包装箱吸紧，将包装箱码垛到托盘上，托盘通过自动引导车(automated guided vehicle，AGV)进行运输，1个装箱机械手可以同时对应多条输送线和多个托盘。
图2 码垛系统三视图
1.2.1天轨系统
天轨的动力系统由天轨横移电机、天轨齿轮和天轨横移齿条组成。在天轨左、右两边各有3个竖直导向轮和3个水平导向轮，竖直导向轮起到垂直方向的承重作用，水平导向轮在水平方向起到了定位导向的作用，通过调节水平导向轮的位置可以使码垛机械手与天轨横梁达到垂直状态，从而保证码垛机械手的定位精度。
1.2.2码垛机械手系统
码垛机械手共有4个自由度。第1个自由度为在天轨上做横移运动；第2个自由度是由码垛机械手前后移动电机、齿条以及齿轮共同完成的码垛机械手前后移动；第3个自由度是由码垛机械手升降电机通过齿轮齿条进行传动，进而带动码垛机械手进行上下运动；第4个自由度是由码垛机械手反转电机、传动轴以及联轴器完成的码垛机械手90°反转，当需要在箱子底部进行喷码时，需要使用该自由度将箱子反转90°。在码垛机械手的底部有8个真空吸盘，通过真空发生器为其提供吸力，将箱子吸起来。
1.2.3输送线系统
输送线系统通过电机、齿轮以及链条为其提供动力，然后通过输送线传动轴将动力进行传递。在输送线传动轴上有多个输送线导轮，输送线导轮随着输送线传动轴一起转动，然后输送线导轮通过O型输送带带动输送线上的每一根辊道进行转动，实现箱子在输送线上的运动。
1.2.4托盘定位系统
托盘定位系统主要包括托盘支腿定位气缸以及托盘定位传感器。当托盘定位传感器检测到有托盘进入时，托盘支腿定位气缸会自动的关闭，将托盘进行固定，避免托盘在装箱时出现跑位现象；当收到托盘已经装满箱子的信号时，托盘定位气缸会自动打开，等待自动引导小车将托盘拖走。
2强度校核
2.1天轨横梁强度校核
在天轨系统运行时，其下面的质量部件包括码垛机械手和箱子的重量会全部压在天轨横梁上，这就可能导致天轨的横梁发生变形。当天轨的横梁形变超过规定值时，天轨运行时会产生较大的震动，易损伤机械结构，并导致机械手定位不准确［13-14］。码垛机械手系统天轨横梁的挠度为：
（1）式中: mj 为码垛机械手各组成部分的质量，kg; m0 为横梁自身质量，kg；Ed为天轨横梁的弹性模量，GPa；Id为天轨横梁截面惯性矩，m4；F为各部件总重量，N；B1为从动轮到天轨支撑点距离，m；B为天轨横梁长度，m；g为重力加速度，g取9.81m/s2。
天轨横梁自身的质量也会对天轨的挠度产生影响，其自身质量用均布质量为q1，则天轨自身质量对天轨横梁挠度为：
（2）式中，q1为天轨横梁均布质量，kg/m。
天轨下端机械手在进行水平加速运动时会产生惯性力，进而对天轨横梁产生力矩使其发生形变，其对天轨横梁挠度为：
（3）式中：aH为机械手水平加速度，m/s2；y0为横梁质心纵坐标，m；yj为
码垛机械手各组成部分质心纵坐标，m。码垛机械手在加速上升或者下降时也会产生惯性力，进而使天轨产生形变，其对天轨横梁挠度为：
（4）式中，av为机械手升降加速度，m/s2。
根据挠度的叠加原理可以计算出天轨横梁的总挠度为：
（5）q1=220.34kg/m，天轨横梁所使用的材料为Q235B，其弹性模量Ed=210GPa，B=3.500m，B1=0.625m，水平行走加速度和载货台升降加速度达到最大，载货台处于最高处，将各参数带入式(1)—式(4)，计算此时天轨横梁的总挠度：
fd=1.86+0.05+1.23+0.04=3.18mm。
根据天轨码垛运行技术条件，天轨横梁水平弯曲［fd］=B/1000=3.50mm，而fd=3.18＜［fd］，满足技术条件和实际使用要求。
2.2引拔强度仿真分析
引拔作为码垛机械手的支撑横梁，在码垛机械手工作的时候会承受较大弯矩，如果承受弯矩较大会产生较大的形变，进而影响码垛机械手的定位精度，所以需要通过仿真去分析其在满载情况下的形变量。
在进行仿真时，首先赋予该结构件的材料为Q235钢。然后再添加夹具，考虑到当其向前伸出最长时所受到的弯矩最大，并且其相关的连接件为滑块结构，所以在4个滑块上分别添加夹具。最后在引拔的最前端添加垂直向下的力，为了保证机械结构的安全可靠，其添加力的安全系数为1.5，所以添加的力为3000N。
引拔形变仿真如图3所示。通过仿真分析可以看出，在引拔的前端发生的形变量最大为0.1518mm，其形变量可以很好地满足使用的精度要求。引拔应力仿真如图4所示，其所受到的最大应力为0.008MPa，只在滑块与引拔连接处的前端有应力集中的现象，而Q235钢的屈服应力为235.000MPa，最大应力远远小于该材料的屈服应力，所以该引拔可以满足使用要求。
图3引拔形变仿真
图4引拔应力仿真
3码垛控制系统设计
3.1硬件系统
码垛系统在整个车间系统中属于较为核心的设备，运行时间长，并且其运行环境会有粉尘、振动等因素，所以这就要求其控制核心有较高的可靠性以及故障恢复能力，从而保证整个系统长时间稳定地运行。综合考虑上述因素，本设计的控制核心采用的是西门子PLC，其优点是环境适应性较强、可靠性高以及互换性好［15-16］。考虑到实际中所使用到的输入输出点位以及设备稳定性，选择某品牌S7-1200型号的PLC，该PLC采用Socket通信协议与MES系统进行信号交互，然后通过数据以及逻辑的处理，对电磁阀、伺服驱动器等进行控制，同时将设备的实时状态在触摸屏显示出来。
各条输送线以及码垛机械手均采用模块化的控制思想，采用独立的PLC以及触摸屏进行控制，这样可以减少程序之间的耦合性，降低控制器故障带来的风险，便于故障复位。触摸屏可以实时显示各个自动化设备的运行状态，并且可以对自动化设备的参数进行修改，可以更好地进行人机交互。码垛机械手在天轨上运行，采用网线进行信号传输会使信号传输不稳定，在本设计中采用的是无线传输模块SCALANCE，可以实现信号稳定的传输［17］。PLC控制系统硬件配置如图5所示，主要包括PLC、伺服驱动器、触摸屏、电磁阀、指示灯以及安全门锁等。
图5 PLC控制系统硬件配置
3.2控制程序流程
码垛系统的主要控制是由PLC来实现的，其控制流程如图6所示。首先对设备进行检测，如果满足开机条件则启动PLC进行上电初始化，PLC上电初始化完成后开始对各个伺服电机进行寻零，使机械复位。当所有的机械准备完成后，PLC开始向MES请求空托盘，MES接收到信号后开始呼叫小车放置空托盘，当PLC检测到有空托盘后，开始判断输送线上是否有箱子，当检测到输送线上有箱子时，MES系统会发送指令到码垛机械手PLC中，然后码垛机械手移动到相应输送线的上方开始码垛，码垛机械手完成一次码垛后会将码垛完成指令回复到MES系统中，MES系统将数据存储到相应的数据库中。当托盘上的箱子已经装满，MES系统会自动呼叫小车将满托盘拖走，再呼叫空托盘到原来的工位。
图6控制程序流程图
4结语
系统通过与MES系统相互配合，从上空托盘、码垛到转运满托盘全部流程可以实现无人值守，极大地提高了包装粮码垛系统的自动化程度，降低了人力、物力的使用成本。码垛机械手通过与天轨系统配合使用，其运行最高速度可以达到3m/s，提高了运行效率。另外可以通过改变天轨的长度，使一个码垛机械手对应多条不同的包装线，很好地解决了在码垛过程中一条包装线配备一个码垛机器人的问题，这不仅节约了安装空间，降低了安装难度，还在很大程度上节约了使用成本。该设计已经应用于多个项目，通过在项目中的长期跟踪与数据统计表明该基于PLC控制的包装粮码垛系统具有较高的推广应用价值。
参考文献
［1］ 王韬越，单文桃，袁雯俊，等. 基于 PLC 控制的全自动码垛装置设计［J］. 物联网技术，2023，13 ( 7) ： 131 － 133. DOI： 10. 16667 /j.issn. 2095-1302. 2023. 07. 032.
［2］ 吕栋腾，仝敏. 码垛机器人运动学分析及仿真研究［J］. 计算技术·54· 轻工机械 Light Industry Machinery 2024 年第2 期与自动化，2023，42 ( 2) ： 45 － 49. DOI： 10. 16339/j. cnki. jsjsyzdh.202302009.
［3］ CHUANG Y J，CHANG H，SUN Y Y，et al. Stick-slip in hand guidance of palletizing robot as collaborative robot［J］. International Journal of Advanced Ｒobotic Systems，2022，19( 5) ： 35 － 38.
［4］ 潘知瑶，费叶琦，马竹樵，等. 码垛机发展现状及趋势探究［J］. 机电工程技术，2022，51( 9) ： 88 － 91.
［5］ 梁升，黄礼安，黄俊. 基于 PLC 的六轴码垛机器人设计［J］. 电动工具，2023( 3) ：28 － 30. DOI： 10. 16629 /j. cnki. 1674-2796. 2023.03. 009.
［6］ 张志伟，周跃忠，朱凌翔. 包装粮装车码垛系统设计与应用［J］. 现代食品，2023，29( 7) ： 6 － 8. DOI： 10. 16736 /j. cnki. cn41-1434 /ts.2023. 07. 002.
［7］ 陈汕，李兴和，谭泽华，等. 四自由度码垛机器人设计及其应用［J］. 机电工程技术，2021，50( 3) ： 164 － 166.
［8］ SCHWEIEＲ J，KLEIN L M，KIＲSTEN H，et al. Productivity and cost analysis of tower yarder systems using the Koller 507 and the Valentini 400 in southwest Germany ［J］. International Journal of Forest Engineering，2020( 2) ： 3 － 5.
［9］ 句秋月，贾志闻. 基于 KEBA 控制系统的码垛工艺包开发研究［J］. 包装与食品机械，2019，37( 6) ： 59 － 62.
［10］ GAO S P，SONG J L，GU L Z. Automatic melting-casting-palletizing production system for miniature batch /mass metal based on robot technology［J］. IOP Conference Series ： Materials Science and Engineering，2020，790： 012153.
［11］ 文恒，金洪吉. 烟箱码垛控制系统设计［J］. 自动化技术与应用，2023，42 ( 3) ： 33 － 35. DOI： 10. 20033 /j. 1003-7241. ( 2023 ) 03-0033-03.
［12］ 郑荣，张菁华，焦言兵. PLC 技术在电气工程及其自动化控制中的应用实践［J］. 光源与照明，2023( 2) ： 222 － 224.
［13］ 王跃. 一种码垛机械手的设计及其计算［J］. 锻压装备与制造技术，2022，57( 5) ：31 － 35. DOI： 10. 16316 /j. issn. 1672-0121. 2022.05. 005.
［14］ 田亚立，梁波，薛春莲. 基于 PLC 与 MCGS 的硫铵码垛控制系统的设计［J］. 电子制作，2022，30 ( 20) ： 25 － 28. DOI： 10. 16589 /j.cnki. cn11-3571 /tn. 2022. 20. 003.
［15］ 娄世起，熊旭，叶潘，等. 码垛机器人在包装行业的应用前景探讨［J］. 中国包装，2022，42( 7) ： 22 － 26.
［16］ 杨淑媛. 一种码垛机器人的电气控制系统设计［J］. 农机化研究，2023，45( 3) ： 138－ 142. DOI： 10. 13427 /j. cnki. njyi. 2023. 03.019.
［17］ 马仲能，吴志刚，马志刚，等. 基于 PLC 的自动拆码垛装置设计与研究［J］. 无线互联科技，2022，19( 9) ： 71 － 73.
聚砜医疗干粉吸入...
塑料包装材料的减...
汽车功能键触摸盖I...
高性能注塑聚丙烯...
