木加工工业的工业机器人.doc

用于木加工工业的工业机器人1、 木加工工业机器人基本组成 木加工工业机器人由智能检测重量系统、智能检测异物系统、包装袋上袋机械手、转运机械手、机器人码垛系统、控制系统等组成。主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等。包装工业机器人还用于人体不能接触的洁净产品的包装，如食品、药品，特别是生物制品和微生物制剂及对人体有害的化工原料。 1、系统简介概述 器人码垛工作站是一种集成化的系统，它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、自动拆/叠盘机、托盘输送及定位设备和码垛模式软件。它还配置自动称重、贴标签和检测及通讯系统，并与生产控制系统相连接，以形成一个完整的集成化包装生产线。生产线末端码垛的简单工作站：这种柔性码垛系统从输送线上下料并将工件码垛、加层垫等，紧跟着有一输送线将码好的托盘送走。码垛/拆垛工作站：这种柔性码垛系统可将三垛不同货物码成一垛，机器人还可抓取托盘和层垫，一垛码满后由输送线自动输出。生产线中码垛：工件在输送线定位点被抓取并放到两个不同托盘上，层垫也被机器人抓取。托盘和满垛通过线体自动输出或输入。生产线末端码垛的复杂工作站：工件来自三条不同线体上，它们被抓取并放到三个不同托盘上，层垫也被机器人抓取。托盘和满垛由线体上自动输出或输入。我国包装机械起步较晚，直到上世纪 80 年代，随着经济的发展、市场的需求和政府的重 视，我国包装机械得到迅猛发展，逐渐由一度依靠国外进口成套设备走向自主研发的道路1。 近五年来，我国包装工业的年生产总值每年平均以 20%的速度递增，2008 年全国总产值已上 升为世界第二。特别是我国的瓦楞包装发展迅速，在产量需求和技术水平上，均已基本达到了 国际先进水平。包装产业的发展已成为反映经济发展水平的重要标志，成为区域经济的一个重 要支柱产业2。 包装是使产品进入流通领域的必要步骤，包装机械是使产品包装实现机械自动化的主要手 段。经过半个多世纪的发展，我国包装机械已经成为机械工业中重要的分支，各项数据都有力 地展示着该行业取得的显著成绩，并预示了广阔的发展前景3, 4。在劳动成本上升，自动化设 备的售价却在下降的今天，包装机械显然已替代人工劳动，成为了包装工业的主角，主要有以 下诸多优势： (1) 提高生产效率。传统意义上，包装领域属于劳动密集型行业，需要大量的劳动力，而 用包装机械代替劳动力，提高了包装速度，如手工糖果包装每分钟只能包几十块，而糖果包装机能达到每分钟数百块甚至上千块，效率提高数十倍。另外，包装机械可靠性高，能减少人为可能导致的出错率，减少停产时间，减少浪费。(2)降低成本。包装过程往往是流水线工作，一台相对高价包装机器人的引入可以替代流 水线上所有员工的工作，从长远来讲，降低了劳动力成本。对于一个公司来讲，争取廉价的劳动力不是增强竞争力和可持续的发展途径，自动化技术的引入才是长久之计。(3)降低劳动强度，改善劳动条件，避免人身危害。对于繁重、大体积的包装物，包装机 械能减轻工人的劳动强度；对于单调、重复性高的工种，包装机械改善工人的劳动条件；对于 粉尘、有毒或者放射性物质的包装，包装机械避免了由于人工操作可能产生的危害。(4)满足包装规格化、标准化的要求。包装机械可根据包装需求完成包装物形态和大小的 一致性，而手工包装是远远不能保证的，这对商品出口尤为重要。(5)保证产品卫生。对于根据卫生法不能直接接触的食品、药品等，机械包装能保证产品 的质量和卫生。 (6) 减少储藏空间、便于产品流通5。如棉、麻、烟叶等产品的包装，采用压缩包装机压 1全自动包装机器人系统的研制 缩打包，不仅大大减小了储存空间，而且便于运输。(7)新的包装手段应运而生。包装机械能实现真空包装、充气包装、干燥包装和杀菌包装等手工无法实现的包装功能。另外，包装机械是一门综合性的学科，涉及材料、工艺、电子和自动控制等方方面面。它的高速发展，能促进相关学科以及相关前后工序的同步发展。早期的机器人造价昂贵，主要应用于航空、军工和汽车等高、精、尖的技术行业。随着科学技术的进步和社会需求的提高，从20世纪60年代起，机器人开始涉足重复性高或者危险性 大的工业领域，即工业机器人。80年代，随着Unimation公司PUMA工业机器人的诞生，美 国兴起了工业机器人热。90年代，工业机器人的价格不断下降，但在电子和机械性能方面却日益成熟和完善，表现为功能多样化，出错率更少，产品质量更高。从此工业机器人被广泛地 应用于程序化、繁重或者对人体有害的工作中，如完成焊接、喷涂、码垛、简单装配等工序，以及原子能工业部门的搬运和工艺操作等11。包装机器人是工业机器人的一种，是应用在包装工业领域的自动执行工作的机械设备。目前，包装机器人多用于大物件的焊接和搬运中，码垛、打捆、装箱和拾放机器人相继问世。机 器人越来越多地走入车间，替代枯燥繁重的劳动，被誉为包装业的“宠儿”12-14。和普通的包装 机械相比，全自动包装机器人的主要特点有：(1)灵活性高，能实现产品的快速转换 如今消费需求已向多规格、多样化发展，而传统的机械设备只能生产单一尺寸或形状的产品。而包装机器人为了执行不同的任务，可改变可编程，这使设备的灵活性大大提高，实现产品的迅速转换。例如，同一台设备，只需简单地更换其终端取件方式和程序设置，就可以处理不同尺寸和形状的产品。不仅如此，机器人的不同功能模块还能灵活组合，配置出多种功能的机器人生产流水线15。正是包装机器人高度的集成性和柔性16,的应用和高度的宠爱。(2)生产精准度高，产品质量有保障在包装设备中添加的检测装置、传感器装置等，构成系统的信息反馈回路，使得包装机器人拥有更高的精准性。如具有视觉技术的包装机器人可以测量物体位置是否准确，识别物体颜色或形状是否正确，大大减少了高强度劳动力的使用，也减少了人为可能造成的失误，减少了产品次品率 2、技术指标 工件：箱体、板材、袋料、罐/纸类包装 工件尺寸：可按用户的工件大小设计 工件重量：可按用户要求设计 工件移动范围：可按用户要求设计 机器人自由度数：6个 机器人重复精度： 0.1mm 3、应用领域 机器人自动装箱、码垛工作站可应用于建材、家电、电子、化纤、汽车、食品等行业。 4、用户效益分析 工作站在产品的装箱、码垛等工序实现自动化作业，具有安全检测、连锁控制、故障自诊断、示教再现、顺序控制、自动判断等功能，为用户实际应用提供经济、适用的自动化解决方案。 5、供货和服务方式 对机器人自动装箱、码垛工作站系统负全面的技术责任，完成装箱码垛要求，同时负责设计、制造、安装、调试和培训。2、 木加工工业机器人的功能 木加工工业机器人主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码。目前，我国已经成为包装行业第二大国，但是距离强国还有很长的一段距离。这主要是因为包装技术以及设备上的不够先进造成的。现在人们的生活水平不断提高，对产品包装越来越重视。包装自动化是当前工业制造业行业发展的主流，在整体自动化实现的过程中，除自动化控制系统将会迎来发展机遇外，生产线的主要执行者，即包装机器人也将迎来腾飞的机遇。包装工业机器人主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等。包装工业机器人还用于人体不能接触的洁净产品的包装，如食品、药品，特别是生物制品和微生物制剂及对人体有害的化工原料。随着机器人技术的成熟和产业化的实现，使得包装工程领域中应用机器人的范围越来越广。包装机器人在食品包装机械中应用的必要性。包装机器人在食品领域应用广泛，而且也很有必要。首先，我国包装机械要满足食品快速发展的需求，并积极参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断前进。业内人士认为，未来包装业将配合产业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展。其次，食品产品已趋向精致化和多元化方向发展，单品种大批量的产品越来越少，而多品种小批量的产品日益成为主流。在大环境的变化趋势下，多元化、具有多种切换功能，能适应多种包材和模具更换的包装机才能够适应市场的需求。同时，国内食品生产厂的大部分包装工作，特别是较复杂的包装物品的排列、装配等工作基本上是人工操作，难以保证包装的统一和稳定，可能造成对被包装产品的污染。有些食品生产厂即使使用包装机械，也只是应用在整个包装链的某个环节上，例如前段包装采用机械包装，而后段包装则采用人工。因此，提高整个包装链的自动化水平和质量水平，是现代化食品生产企业推行GMP规范非常重要的一环。食品行业的快速发展离不开包装行业的助力。食品安全问题频发，消费者对食品包装提出了更高的要求。而包装机器人在食品包装中的应用，避免了食品的二次污染，提升了生产效率的同时降低了企业成本，符合包装行业自动化趋势的需求，同时也推动了包装行业自动化水平的进一步提高。包装工业机器人主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码，目前，我国已经成为包装行业第二大国，但是距离强国还有很长的一段距离。这主要是因为包装技术以及设备上的不够先进造成的。现在人们的生活水平不断提高，对产品包装越来越重视。包装自动化是当前工业制造业行业发展的主流，在整体自动化实现的过程中，除自动化控制系统将会迎来发展机遇外，生产线的主要执行者，即包装机器人也将迎来腾飞的机遇。包装工业机器人主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等。包装工业机器人还用于人体不能接触的洁净产品的包装，如食品、药品，特别是生物制品和微生物制剂及对人体有害的化工原料。随着机器人技术的成熟和产业化的实现，使得包装工程领域中应用机器人的范围越来越广。3、 现在市面上的机器人 装袋机器人是机座固定回转式，机身可360度旋转，由机械手完成包装袋的输送、开袋、计量、充填、缝袋和给出堆码。这是一种智能化较高的包装机器人。装箱机器人类似装袋机器人，一般金属和玻璃包装容器的装箱用刚性包装箱机器人完成。对装箱包装的抓取有机械式和气吸式两种。它可整体移动。对包装件进行抓取或吸附，然后送人指定位置上的包装箱或托盘中。它具有方向性和位置自动调节的功能，可实现无箱不卸货和方向调节。这类机器人是一种较为成熟的机器人，应用很广。如饮料、啤酒，化妆品，香烟等。堆码机器人是一种功率较大的机器人。要求稳定性和平衡性较高。其抓取机构中具有自锁功能，以确保从几十公斤到几吨的货物的抓取牢固可靠，它还具有时间、位置和力的参数控制系统，通过设定的控制程序实现。灌装机器人是一种将包装容器充满液体物料后，进行计量、输盖、压盖和识别的机器人。它具有无瓶不输料、不盖不输瓶、破瓶报警和自动剔除等功能。在过去我们很多液体物料的灌装主要是用这种机器人的局部功能一一机械手装于生产线上，而今，已是将这种机器人直接配置在物料生产主机的后部，实现其自动灌装。灌装机器人有软包装和硬包装之分。这里分析的是硬包装灌装机器人。包装输送机器人在包装工业中主要指塑料瓶包装输送用的机器人，是利用动力和特殊的构件实现瓶体的输送，将瓶桶中的包装瓶单件快速输出排列，然后给予一个特定的力。使瓶体准确地在空中经过抛物线路线到达充填工件。这种机器人改变了传统的输瓶机构。使得输送速度加快，输送空间减小。是一种全新概念的包装机器人。它借助于空气动力学和特殊机械构件而实现其输送作业的。如今，包装机械日趋自动化，而机器人作为自动化技术最具竞争力的技术，适合重复性、快速性、准确性、危险性的工作。另外，生产厂商都希望寻求更低的生产成本。机器人自然而然地担任起这个重要角色，因为机器人不仅能导致成本更低，而且也能带来更高的灵活性。随着包装机器人被越来越多的企业所知悉，将会有更多人因为其灵活和可靠的优点而选择使用它，机器人将替代许多传统的设备，成为包装领域的重要助手。4、 木加工工业机器人的本体机构 机构本体设计是指各零部件尺寸和零部件之间配合问题的设计，以及各元器件（传感器、气缸、电机、吸盘等等）的选用和设计。原则上，各机械手的轨迹范围不应该相互重叠，如因机构设计需求实在无法避免，则应保证任意两个机械手不会在同一时间到达同一区域。由于整个系统零部件繁多，体系比较庞大，为便于表述和理解，笔者将以子系统为单位进行设计和描述。根据上述的初步设计方案和需达到的功能要求，将整个系统细分为供袋子系统、上吸袋子系统、下吸袋子系统、撑袋子系统、下料压袋子系统和传输封口子系统这六个子系统。 1、供袋子系统 供袋子系统主要实现供袋功能：给上吸袋子系统提供口袋；能自动检测无袋信息，并自动将备用袋料跺送到工作工位，保证供袋的连续性。据此，本设计主要有以下三个方面：(1)料位的设计根据设计需求，主要是考虑到工作的连续性，需要设计两个或以上的供袋料位。综合考虑安全性、占地面积等因素，本系统采用直线式两料位的供袋方式。根据技术性能指标，设计料位尺寸为：1000mm650mm，两个料位尺寸一致。(2)无袋信息的检测根据本系统自动检测无袋信息的功能，需要设置光学传感器来检测口袋的有无情况。设计在两个供袋料板上各开两个孔，将光学传感器（共4个）安装在其下面，传感器探头对准开孔，并与各自的料位框固定安装，这样既不影响袋料的安放和取用，也合理地利用了空间。(3)料位的准确停位本设计中两料位往复直线移动，以交替供袋。为了判断料位所处的位置状态，也为了保证料位停止的准确性和工作的安全性，对料位需要有限位功能。设计在料位移动导轨的两侧设置限位开关，让各料位在所需的位置准确定位。根据上面的设计方案，供袋子系统的三维模型如图2.5所示。该子系统主要由一个减速电机、一对导轨和两个料位框组成。减速电机带动皮带轮旋转，两个料位和皮带联接，料位1和料位2随着电机正反转同时左右移动，保证处于料位2的工作位连续供袋。 2、上吸袋子系统 上吸袋子系统主要实现吸袋功能：从供袋子系统的袋料跺上吸取口袋，提起后旋转到与下吸袋子系统的吸盘配合的位置（也是和撑袋子系统的撑袋板衔接的位置），和下吸袋子系统配合将口袋交给撑袋子系统，最后回到初始位置开始下一个周期的工作。据此，本设计主要有以 下三个方面：(1)吸盘的设计考虑到吸盘吸住口袋后要甩动，需要足够的吸力保证口袋不掉落，还考虑到与下吸袋吸盘更好的配合，设计主吸盘、辅助吸盘各一套，每套两个共四个吸盘形成一个梯形面，如图2.6所示。其中辅助吸盘先接触袋料跺，主吸盘随后接触，以确保四个吸盘都与口袋良好接触。(2)吸袋位置的锁定信号当吸盘都接触到口袋后，上吸袋气缸应该停止运动，暂时锁住在这一位置，等待吸盘抽真空。本设计在主吸盘横杆上安装限位开关（如图2.6），在吸盘都接触到口袋后，限位开关也接触口袋，发送信号给PLC，控制上吸袋气缸停止运动。(3)气缸的设计根据上吸袋子系统要实现的功能，设计两个气缸分别完成口袋的上下运动和旋转运动。据此，设计一个上吸袋气缸，负责口袋的提放；设计一个上吸袋转轴气缸，负责上吸袋气缸的旋转。上吸袋转轴气缸通过转臂、转轴等零件，实现上吸袋气缸的旋转。根据上面的设计方案，该子系统主要由一对主吸盘、一对辅助吸盘、一个上吸袋气缸、一个上吸袋转轴气缸和一个上吸袋转轴组成。 3、下吸袋子系统 下吸袋子系统主要实现吸袋功能。与上吸袋子系统配合完成口袋的开袋动作，并交由撑袋子系统进行下面的工作。据此，本设计主要有以下两个方面：(1)吸盘位置的设计开袋动作通过上、下真空吸盘对吸得以实现，设计下吸袋吸盘和上吸袋吸盘在与水平线成45角的位置对吸（如图2.7），并将它们错开大约三分之一盘面的距离，以保证袋口对吸的顺利。上吸袋气缸收缩上吸袋吸盘。 4、撑袋子系统 撑袋子系统主要实现撑袋和上袋功能。撑开吸盘吸开的袋口，接过口袋送到下料口下等待下料，下料完毕后撑袋臂脱离口袋，返回初始位置开始下一周期的工作。据此，本设计主要有以下四个方面：(1)撑袋臂的设计撑袋臂长度及运动角度的设计充分考虑了下料口高度、上吸袋气缸的行程、袋料跺的高度、旋转电机的安装等多重尺寸链因素，并且考虑了上吸袋气缸运动的时间和撑杆运动的时间 的协调性。最终，通过计算选择合适的撑袋臂尺寸。撑袋臂与转轴之间的连接通过内嵌钢环的销钉实现，钢环既可确保连接的紧凑结构，又可确保销钉旋转运动的无卡阻。(2)撑袋同步的设计为了使一对撑袋臂同步对称地工作，设计在撑袋臂上连一根同步拉杆（如图2.8所示），这样就能保证两个撑袋臂各自绕着O1和O2旋转相同的角度。 5、同步拉杆 马头杆的设计马头杆是连接撑袋转轴和撑袋转轴气缸的零件，实现撑袋臂旋转的上袋功能。由于本子系统中撑袋臂需要转过的角度较大（大于90），所以设计如上吸袋子系统中的转臂是不够的，由此设计如图2.9所示的马头杆。本设计充分考虑到转轴气缸摆动最小原则进行设计，这也确保整个旋转运动过程气缸做功效率最高，运行时间最短。真空吸盘是用真空产生的负压吸紧工件的执行器件，它能吸运玻璃、钢板、塑料、木材等 材质的工件，且因为具有清洁、平稳、可靠、方便、效率高以及对工件表面无损害等优点，在 各个领域的物品取放工序上得到广泛的应用。真空吸盘的工作原理：带密封唇边的吸盘与被吸 附物件解除，形成一个密闭空间，借助特定结构或真空泵抽走或稀释密闭空间里的空气，于是 内外压差使得吸盘牢牢吸住工件。当完成吸附任务后，将密闭容器和大气联通，则吸盘就会释 放工件30, 31。随着气动技术的不断提高和完善，真空吸盘已经演变为真空机械手了，它是机-气一体化应用的典范，在各个方面发挥着自己的优越性：可以输送不易手工握持的工件、容易变形的工件；可以对磨削、抛光、喷漆等过程中的工件给以夹持；可以通过改变吸盘的配置系统和吸盘的形状、材质，来实现对不同重量、不同材料、不同质量表面的工件的拾取和移动。现今，真空吸盘种类繁多，样式多样。J.Schmalz公司拥有50余种不同系列的真空吸盘和 真空吸板，它们可以根据需要组合出4000多种的真空机械手，其直径范围可达1-630mm。 6、系统气路设计 气动控制部分主要包括气源气路设计、各气缸回路设计和真空吸盘气路设计。其中，气源气路是整个系统气路的主气路，每个子系统的气缸回路和真空吸盘气路为支路。由机构本体设 计可知，部分执行部件的动作有关联性，因此在需要输出信号的气缸尾端或头部设有电磁开关，在真空回路中接连了真空度传感器，以控制相关联执行部件的运动。在气源气路设计中，空压机和储气罐都要根据其支路所用耗气设备（气缸）的平均耗气量和最大耗气量来选型，所以应先对气缸回路进行设计，包括各个气缸的选型，然后再配备合适 的气源主气路，以保证各支路的正常工作。7、 气缸气路 (1)气缸选型和耗气量的计算气缸的选择，首先根据操作形式和应用场合选择气缸类型，其次根据负载选择活塞直径，以及气缸行程、连接执行部件的接头尺寸、安装方式、有无缓冲方式、有无磁性开关和防坠机构等27-29。下面进行耗气量计算以备后用。气缸最大耗气量qr计算公式：qr=0.0462D2um(p+0.102)其中，D为气缸缸径，cm；um为气缸最大速度，mm/s； p 为使用压力，MPa。故（2-3）qr=0.046252800(0.7 + 0.102) = 741.05 L/min气缸平均耗气量q计算公式：（2-4）q = 0.00157 ND 2 s ( p + 0.1) / 0.1其中，N为气缸每分钟的往复次数； s 为气缸行程，cm。故（2-5）q = 0.00157 20 52 45 (0.7 + 0.1) / 0.1 = 282.6 L/min空气压缩机的选型空气压缩机分为活塞式、滑片式、螺杆式。活塞式空压机设置场所受限制，需要防振、防 噪声，要求空气清洁度高的场合，还需对压缩空气作特别处理，总体而言，比螺杆式费用有可 能高。本设计考虑选用螺杆式空压机。空压机的选型参数计算如下：空压机输出压力 pc 设 ?p 为气动系统的总压力损失，则有空压机输出压力公式： p = p + ?pc（2-7）式中，p为气动执行元件的最高使用压力，MPa； ?p 一般取 0.150.2MPa，本设计取0.2MPa。本设计中使用压力最高的气动执行元件是压袋口气缸，最 高 使 用 压 力 0.8MPa。故pc = 1.0MPa 。空压机进口流量 qc 本设计中设有一个气罐，采用如下公式： 19全自动包装机器人系统的研制qc = kqb = kqsa式中， qb 为向气动系统提供的流量，m3/min；qsa 为气动系统的平均耗气量，m3/min；k 为修正系数，一般 k1.52.0，本设计取 1.75。本设计中共使用了 12 个气缸，由气缸平均耗气量计算公式可以计算出各个气缸的耗气 量。又根据技术指标，以每分钟需要运作 20 个循环动作为例，求得每次耗气量之和为：qsa = qi = 1.5084m3 /min。故qc = kqsa = 1.75 1.5084 = 2.64 m3 /min空压机功率P假设p1吸入空气的绝对压力（本设计中，取 1atm，即 0.1MPa） pc 输出空气的绝对压力，则有空压机功率：(n + 1) K p1qc pc (n+1) K P= ( ) ? 1 K ? 1 0.06 p1式中， P 为空压机的功率，kW；K1K 为等熵指数，对空气 K1.4；n 为中间冷却器个数，本设计得n1。故P=(1 + 1)1.40.12.64 1.0 (1+1)1.4 () ? 1 = 12 kw1.4?10.060.1表 2.1 螺杆式空压机参数表 输出压力 排气量实际功率1MPa 5.81m3/min12KW。根据以上分析，选择LG-2.2/10型螺杆式空压机，具体参数如表2.1所示。参数项参数值输出气体温度60-80 (2)储气罐的选型储气罐的作用除了上述的短时储气功能外，还有消除压力脉动、依靠绝对膨胀及自然冷却降温，进一步分离掉压缩空气中的水分和油分等作用。当空压机突然停止供气（如停电），仅靠储气罐的压缩空气维持系统工作一定时间，则储气罐容积：V式中，V为气罐容积，L；pa qmax t 60( p1 ? p2 )p1为突然停电时气罐内的压力，0.9MPa；p2为气动系统允许的最低工作压力，本设计为0.6MPa；pa为大气压力，0.1MPa；qmax为气动系统的最大耗气量，L/min；t为停电后，维持气动系统正常工作的时间，30s。本设计中共使用了12个气缸，由气缸最大耗气量计算公式可以计算出各个气缸的最大耗 气量。又根据技术指标，每分钟需要运作20个循环动作，每次最大耗气量之和算得为：qmax=qr=3683.39 L/min (3)供袋子系统流程图 上吸袋子系统主要元器件有：一个上吸袋限位开关、两对上吸袋真空吸盘（一对主吸盘，一对辅助吸盘）、一个上吸袋气缸（尾部带电磁开关）、一个上吸袋转轴气缸（尾部带电磁开关）。初始状态描述：上吸袋真空阀关闭、上吸袋气缸收到底、上吸袋转轴气缸收到底。表4.5上吸袋子系统控制信号表输入信号 输出信号 上吸袋限位开关（ST吸袋）上吸袋气缸伸出阀控信号（KF1）上吸袋真空压力开关（SP1）上吸袋气缸尾部电磁开关（KP1）上吸袋转轴气缸尾部电磁开关（KP2）上吸袋气缸收缩阀控信号（KF2）上吸袋转轴气缸伸出阀控信号（KF3）上吸袋转轴气缸收缩阀控信号（KF4）上吸袋抽真空阀控信号（KF5）上吸袋真空破坏阀控信号（KF6）上吸袋子系统吸袋失败报警（AL2）34南京航空航天大学硕士学位论文定时器：上吸袋抽真空定时器Tzk1（用于抽真空失败异常处理）。工作过程描述上吸袋转轴气缸尾部电磁开关KP2发送信号，经PLC控制上吸袋气缸伸出（KF1），直到辅助吸盘和主吸盘先后碰到袋料跺。当主吸盘内侧的限位开关碰触到袋料跺时，上吸袋限位开关ST吸袋发送信号经PLC控制上吸袋气缸的节流阀闭合，确保气缸短暂停留在某个行程位置，并由PLC控制真空泵气路进行上吸袋吸盘抽真空KF5。真空切换阀打开的同时，触发上吸袋抽真空定时器Tzk1，如果定时器Tzk1到时，真空度还没有达到所需，则触发上吸袋子系统吸袋失败报警（AL2）。若在定时器Tzk1到时前，真空度已经达到所需，则上吸袋真空压力开关SP1发送信号经PLC控制上吸袋气缸换向阀进行换向，同时节流阀开通，上吸袋气缸收缩到最底部，由KP1发送信号经PLC控制上吸袋转轴气缸伸出（KF3）至最大行程，同 时触发下吸袋气缸伸出定时器Txxd。其中，上吸袋气缸真空吸盘释放真空信号（KF6）由撑袋转轴气缸40行程的头部电磁开关KP9触发。真空释放后，上、下吸袋吸盘的真空压力开关SP1、SP2发送信号经PLC控制上吸袋转轴气缸收缩（ KF4 ），将上吸袋气缸回转到初始位置，等待新一轮的吸袋运动。上吸袋子系统设计流程如图4.2所示。初始状态上吸袋气缸伸出KF1SSSSNT吸袋是否打开Y的定时器Tzk1打开NTzk1到时？YAL2报警NKP1是否能够打开YN上吸袋真空切换阀打开KF5SP1是否打开Y上吸袋气缸收缩KF2YKP2是否打开N上吸袋转轴气缸收缩KF4上吸袋真空破坏阀打开KF6上吸袋真空切换阀关闭撑袋转轴气缸40行程的KP9打开定时器Txxd打开上吸袋转轴气缸伸出KF3下吸袋子系统主要元器件有：一个下吸袋气缸（头部和尾部都带电磁开关）、一对下吸袋真空吸盘。初始状态描述：下吸袋气缸收缩到底、下吸袋真空阀关闭。表4.6下吸袋子系统控制信号表输入信号输出信号 下吸袋气缸头部电磁开关（KP3）下吸袋气缸伸出阀控信号（KF7）下吸袋气缸尾部电磁开关（KP4）下吸袋真空压力开关（SP2）下吸袋气缸收缩阀控信号（KF8）下吸袋抽真空阀控信号（KF9）下吸袋真空破坏阀控信号（KF10）下吸袋子系统吸袋失败报警（AL3）定时器：下吸袋抽真空定时器（Tzk2）用于抽真空失败异常处理）；下吸袋气缸伸出定时器（Txxd）。工作过程描述下吸袋气缸伸出定时器Txxd由上吸袋气缸尾部电磁开关KP1的触发，Txxd到时，驱动下吸袋 气缸伸出（KF7）至最大行程（调整Txxd时延，使得上吸袋吸盘到达预定对吸位置的时候，下吸袋吸盘也正好能达到预定对吸位置，从而保证上、下吸盘对位时间最短），下吸袋气缸头部电磁开关KP3发送信号经PLC的控制下吸袋吸盘抽真空（KF9）。真空切换阀打开的同时，触发下吸袋抽真空定时器Tzk2，如果定时器Tzk2到时，真空度还没有达到所需，则触发下吸袋子系统吸袋失败报警（AL3）。若在定时器Tzk2到时前，真空度已经达到所需，则下吸袋真空度压力开关SP2发送信号PLC控制下吸袋气缸收缩（KF8）到底，从而拉开袋口。下吸袋气缸尾部电磁开关KP4发送信号经PLC控制撑袋转轴气缸的40行程气缸伸出（KF14），将撑袋臂伸入袋口撑袋。其中，下吸袋气缸真空吸盘释放真空信号（KF10）由撑袋转轴气缸40行程的头部电磁开关KP9触发。真空释放后，下吸袋气缸保持原位不动，等待新一轮的吸袋运动。包装机械，特别是包装机器人在现代工业中的应用已越来越广，但是国内技术相对落后，成套的大袋包装设备缺乏，大都依赖进口，这严重制约着我国包装工业持续稳健的发展。本文研制了集供袋、取袋、上袋、称量、灌装、封口等功能于一体的的全自动包装机器人，能完成50kg级的大袋包装，实现了给袋、称量、充填、封口等包装过程的自动化。对于打破国外垄断地位，打破国内无自主知识产权的僵局，具有重要意义。 主要工作概括如下：(1)对包装机器人系统进行了机构设计、气路设计和 PLC 控制设计。其中，在机构设计上，本课题采用上、下吸盘在与水平面 45 的方向进行对吸能节约系统的零部件，能减少包装 工序，以达到简化机构和缩短系统运作周期的目的。气路设计包括主要元器件的选型、各气路 的设计等。PLC 控制中，对各个子系统进行分析，包括工作异常处理即故障诊断。这三大部 分囊括了整个系统的硬件和软件系统，实现了硬、软件的结合。(2)通过对真空系统基本公式以及真空管路的分析，找出影响真空系统动作时间的参数。通过调整和改善这些影响因子，使得吸盘吸附和释放口袋的时间尽可能短。这部分的研究对选 择合适的真空系统元器件以达到高效稳定的动作需求具有指导意义。(3)本文基于气缸的运动特性，用时序的概念来优化各气缸动作的先后顺序和时间节点的设置。在保证各个执行部件互不干涉的前提下，有效地将时间重叠，把串行时转化成并行时 间，使得多气缸协调动作且时间最短，大大缩短了整个系统的运动时间。 研究展望本文对全自动包装机器人进行了研制，但由于时间和精力的限制，此项目仍旧需要很大的改进和完善：(1)目前，本系统完成了机械结构的装配，但是还没有安装气动和电动设备，因此仍未进行调试。后续的调试工作中，特别要注意以下几点：1.由于取袋是从袋料垛上吸取，存在口袋 之间粘连的问题。虽然本文中设计了吹袋嘴，但其角度需要进行测试和调整来选取最佳角度；2.对于由电磁开关来控制气缸行程的气缸，需要进行反复综合的调试，以选择好电磁开关的位置；3.对于撑袋过程的调试，以动画仿真为参考进行测试，包括测试撑袋臂的长短、撑袋板的 大小和形状、撑袋臂摆动角度是否合适等等；4.在封口系统中，需要重点测试抱袋机构配合封54南京航空航天大学硕士学位论文 口压袋机构，能否保证封口整齐、平直。(2)在包装系统本身完善的基础上，可以结合现今成熟的码垛、装箱等机械设备，添加相关的后续工序。这就要求本设计的包装系统能和其它现有的功能模块相衔接，因此在设计时应 该考虑到这一点，为今后设备功能的拓展打好基础。五、木加工工业机器人的发展趋势 目前世界各国对包装机械的发展十分重视，全球包装机械在2005年生产总值达到290亿美元，并以每年5.3%的速度增长6-8。生产效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化已成为世界各国包装机械的发展趋势。总的来说，包装机械的发展态势可归为以下三点：(1) 需求重点将向发展中国家转移，而制造市场仍在发达国家在未来几年内，包装机械的市场需求将呈现良好的增长态势，特别是充填封口设备的需求量增幅较大，预计在2012年将占到包装设备市场的1/4，并且包装设备的需求重点将向发展中国转移。但是包装设备的制造能力仍集中在发达国家，到2012年，西欧、美国和日本将继续占据2/3的包装机械制造市场9。(2) (2)对设备的自动化要求越来越高 随着社会经济和科学技术的发展，普通包装机械的这些优点已不能满足包装机械开发商的要求。激烈的市场竞争，对机械设备的自动化程度要求越来越高。终端客户多样化个性化的需求，要求机械设备能够更加灵活多变，高效率且灵活的包装设备才能在现今的市场上立足。美国包装机械制造协会查尔斯尤斯卡会长撰文指出：消费者希望看到更多样化的包装式样，而 开发商希望提高生产率的同时希望看到操作更简便、稳定性和精确度更高、适应能力更强的包装设备。随着自动化技术的注入，使得设备生产效率提高10。同时得益于故障诊断技术和智能化技术的发展，使得机械设备的出错率大大减小。这样，就减少了停工时间并降低了产品废品率，给企业带来显见的效益。(3) (3)节能环保，符合可持续发展的要求才是长久之计在增加设备技术含量的同时，要注意材料、能源等方面的节约，做到循环利用以及材料再生。可持续的发展才符合我国国情和当前世界环境资源现状的发展之路。为了适应国际市场的需求和竞争，无论是国外包装机械强国还是相对落后的发展中国家，都将向着技术型、多功能型以及可持续性的绿色包装设备发展。包装机械更新换代快，要具有高度的扩展性和灵活性，向经济、高效和多功能发展。集机、电、气、光、生、磁为一体的高新技术产品不断涌现，包装机器人就是其中最为突出的新星。它较强的灵活性和适应能力，解2南京航空航天大学硕士学位论文决了包装开发商“一客户，一次重新设计”的烦恼，而且提高了生产效率和可靠性，包装机器人正悄然成为包装业的新宠。包装机器人早已走出实验室，越来越多地被应用于企业生产线上。价格是开发商考虑的首3全自动包装机器人系统的研制 要因素，然后就是投资回报问题。据统计，随着机器人售价的不断下降，投资回报的比例也越来越令人满意。(1)国内的发展现状我国工业机器人市场已经成熟，应用也已经相当普遍，主要集中在焊接、装配、码垛等设备领域。但是在成套的包装设备上还是主要依靠进口，尤其是成套的包装机器人大都以高昂的价格引进，在国内的研发只是简单的模仿，自主知识产权和自主研发能力相对薄弱。目前，只有极少数的企业拥有自主研发的包装机器人。哈尔滨博实自动化设备有限责任公司和哈工大机器人研究所基于产学研的合作模式，针对石化、化工行业劳动环境差、劳动强度大等特点，开发了一套集称重、取袋、装料、封口、码垛等于一体的全自动包装机器人码垛生产线。其中型号为ZBM-A1200的自动包装机器人生产效率达1200袋/小时，称重精度达0.1%，且具有智能化的远程故障诊断等特点，其在各项性能指标和可靠性上，已达到国内领先、国际先进的水平。在该成果基础上，博实公司后续自主研发了符合散装物料包装技术发展趋势的、基于FFS的新称重包装机器人，加入伺服电机驱动后其生产效率达到1600袋/小时。2)国外的发展现状国外从事包装行业比较有实力的国家有美国、德国、日本和意大利19,20。美国的包装机械技术含量高，可靠性强，在品种和产量方面均居世界之首。其中成型、充填、封口三种包装机械的更新速度快，开发出了各种各样具有较高灵活性和较多功能性的成套机械设备。例如，有一种充填机，只需对其程序稍加修改调试，就可以完成对不同包装材料和包装物体形状的充填；另一台仅占地五平方米的单压式模切机，可以完成纸板印刷、模切压痕、烫金和纸盒折叠 等多道工序21；美国液体灌装设备公司（EJF）研制的液体灌装机，可以根据液体的黏度选择重力灌装、压力灌装或者正压移动泵式灌装来实现。德国的包装设备在制造、计量方面具有突出表现。啤酒饮料灌装速度达到12万瓶/小时，香烟包装达到12000支/分钟，集制袋、称重、充填、抽真空和封口等工序于一体的茶叶包装机最高速可达350袋/分19。日本的包装机械大部分供应于食品包装，供应市场主要是本国，出口额只占总产值的10%。日本依靠自身雄厚的研发力和独特的技术，在世界的包装领域稳步上升。日本纽朗工业株式会社在包装机、缝纫机、制袋机和印刷机等方面均有研究，其开发的3CM-P型全自动包装机（如图1.1所示），采用尺寸为380700-540900（宽长，mm）的牛皮纸或编织袋，水平3单元自动给袋，有热封机和缝纫机封口多种可选封口方式，装袋重量为20-50kg，其最高速度达到1000袋/小时。据报道，包装机器人成包装行业“给力助手”，在国内外包装业竞争日趋激烈的今天，中国包装业正朝着自动化的方向发展，面对严峻的形势，中国包装业必须提高产品的技术含量，走专业化发展的道路，靠技术进步来推动行业发展，面对未来的发展，自动化是中国包装业的未来发展趋势。工信部去年末发布工业和信息化部关于推进工业机器人产业发展的指导意见，让我们坚定地看好机器人行业未来在我国的发展，发展前景值得期待。随着食品加工工艺的日益提高，对包装参数的要求不断增多，机器人技术在食品包装中的应用得到大幅增长。食品包装行业自动化水平不断提高食品行业的快速发展离不开包装行业的助力。食品安全问题频发，消费者对食品包装提出了更高的要求。而包装机器人在食品包装中的应用，避免了食品的二次污染，提升了生产效率的同时降低了企业成本，符合包装行业自动化趋势的需求，同时也推动了包装行业自动化水平的进一步提高。包装机器人成包装行业“给力助手”包装机器人应用受宠包装机器人用途主要是用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等。包装机器人还用于人体不能接触的洁净产品的包装，如食品、药品，特别是生物制品和微生物制剂及对人体有害的化工原料。随着机器人技术的成熟和产业化的实现，使得包装工程领域中应用机器人的范围越来越广。 包装机器人有广泛市场 随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。众多产品生产线中，包装大多作为产品生产环节的最后一个步骤，但包装是个非常单调的工作，伴着机器人相关技术的发展，包装机器人开始更多的出现在生产环节之上，有广泛的市场。目前，包装机械是目前最被看好的机械领域。据统计，全国包装专用设备累计产量为86926台，比上年同期增长了14.47%。可见包装行业在迅猛发展，但是与发达国家相比，我国包装机械行业的产品和技术仍有很大的差距。从产品结构看，我国包装机械品种只有1300多种，例如枕式包装机，茶叶包装机，颗粒包装机等型号，其配套数量少，缺少高精度和大型化产产品，不能满足市场需求：产品质量差距表现在产品性能低，稳定性和可靠性差、外观造型不美观、表面处理粗糙，许多元器件质量差，寿命短、可靠性低，影响了整体产品的质量。在我国的包装行业中，包装材料本身的质量、材料的安全性、包装的多样化是人们首要关注的问题。包装机械日趋自动化，而机器人作为自动化技术最具竞争力的技术，适合重复性、快速性、准确性、危险性的工作。另外，生产厂商都希望寻求更低的生产成本。机器人自然而然的担任起这个重要角色，因为机器人不仅能导致成本更低，而且也能带来更高的灵活性。包装机器人被越来越多的企业所知悉，将会有更多人因为其灵活和可靠的优点而选择使用它，机器人将替代许多传统的设备，成为包装领域的重要助手。随着机器人技术的不断更新，人与新型机器人之间的交互式控制、机器人感应系统以及机器人视觉系统的完善，将满足用户更高、更广泛的市场需求，专用机器人的装备数量将大幅上升。据专家测算，2010-2013年将新安装80000台专用服务机器人，主要集中在救护和码垛机器人、包装机器人、物流系统、机器人装箱机、医疗机器人和多功能移动机器人平台等领域。当前，以包装机器人为代表的高端智能装备行业进入高速成长期。预计到2020年，国内机器人市场将达到700亿元。包装工业机器人广泛应用中国包装业进自动化阶段，将到来，机器人(50.250, 0.35, 0.70%)自动化生产线的发展水平不断提高，包装工业机器人开始在中国包装行业中得以大量应用并以高速发展，这标志着中国包装业已经迈入自动化发展阶段。统计资料显示，在过去的5年里，机器人技术在中国包装业中的应用从9.5%增长到了17.4%，其中，码垛、装箱以及拾取和放置领域中机器人技术的应用最为普遍。此外，随着机器人技术的成熟和产业化的实现，中国包装业领域中应用机器人的范围越来越广。机器人技术在中国包装业中的应用对于提高企业经济效益、降低企业生产成本意义重大。在包装行业中，包装工业机器人的主要用途是用于体积较大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等，大大提高了工作效率。同时，包装工业机器人还可用于人体不能接触的洁净产品的包装，如食品、药品，特别是生物制品和微生物制剂及对人体有害的化工原料。中国包装业行业专家刘建生认为，随着经济的发展，包装已经成为人们生活中必不可少的部分，同时，由于人们健康意识和安全意识的提高，消费者对中国包装业提出了更高的要求，包装工业机器人在中国包装业中的广泛应用，在有助于企业降低生产成本、提高经济效益的同时，更有着推动中国包装业自动化发展。“包装机械日趋自动化，而机器人作为自动化技术最具竞争力的技术，适合重复性、快速性、准确性、危险性的工作。另外，生产厂商都希望寻求更低的生产成本。机器人自然而然地担任起这个重要角色，因为机器人不仅能导致成本更低，而且也能带来更高的灵活性。包装机器人被越来越多的企业所知悉，将会有更多人因为其灵活和可靠的优点而选择使用它，机器人将替代许多传统的设备，成为包装领域的重要助手。”在国内外包装业竞争日趋激烈的今天，中国包装业正朝着自动化的方向发展，面对严峻的形势，中国包装业必须提高产品的技术含量，走专业化发展的道路，靠技术进步来推动行业发展，面对未来的发展，自动化是中国包装业的未来发展趋势。裁MichaelSenske先生这样说。该系统不必使用两套独立的控制器，他说，因此该系统的同步化较为容易，同时降低了操作成本和减少了维修工作量。而且它还可为工厂节省宝贵的空间。“我认为这是一个自然的发展过程，它消除了专用机器人控制器与系统控制器之间的模糊界线，”Senske先生说，“很多客户表示，这是他们想要一个发展方向，因为它可降低该系统业主的总体成本，而且更容易综合利用。我认为在未来的数年中，将会看到更多的机器人制造企业沿着这条道路发展。”坐落在加拿大安大略省Hamilton市的Edson包装机械公司，是一家后道包装生产线的供货商，他们认为不必大力推广机器人系统。按照Edson公司运营经理BobKrouse先生的说法，该公司将不会主动在其提供的自动化应用方案中“强行供应”机器人系统，因为这一方案拥有专门设计生产的自动化硬件设备，可能具有更好和更经济的服务效果。然而在去年，该公司推出了其VI型装箱机，这一系统可适用于越来越多的产品品种多样的应用领域，其机器人的灵活性必定会受到人们的欢迎。VI型装箱机采用了一套由AEMK系统公司提供的4轴Delta机器人系统，该公司坐落在加拿大安大略省沃特卢市，专门从事生产以视觉技术为基础的高速机器人系统。DeltaBot提供集成式视觉系统，其控制系统来自于美国明尼苏达州伯恩斯维尔市的Beckhoff自动化系统公司。该控制器实际上是一台CX1010型嵌式入个人电脑（PC），配有Beckhoff公司的TwinCAT软件。它还采用高速EtherCat输入/输出（I/O）终端设备和Beckhoff公司的EtherCAT伺服驱动器。按照AEMK公司总裁AmirKhajepour先生的说法，选用Beckhoff公司的控制系统，是因为其具有足够的开放特性，适合于AEMK公司编写他们自己的动态程序，而且它还具有综合控制其它诸如摄像机和传送机等组件的能力和必要的灵活性。Beckhoff公司进一步扩大了这一系统的开放性能，在TwinCat平台上增加了一套动态软件库。将Delta动态软件或SCARA软件一类的机器人功能融入到TwinCat系统以后，大大方便了对集成控制应用程序的创建。Khajepour先生认为，与多个控制器的结构相比，采用这种单一的控制器可以节约大量的硬件和布线费用，并还可减少设备的占地面积。有趣的是，这一综合性的相对开放的控制系统本身就与新型EdsonVI型装箱机的罗克韦尔自动化控制系统配套连接。按照Edson公司BobKrouse先生的说法，这是一个不错的选择，因为其配有较新的控制平台，罗克韦尔公司已经向“开放源运动和机器人运动学方向发展，所以这就意味着允许其机器人程序基本上向所有的人们开放”。六、机器人在木加工工业中的应用 机器人在木工业业中的应用正在发生变化。让我们先说说其发展现状：很明显，机器人的种类非常多。当前，包装机械制造商正在寻求各种方法，以减少生产人员的编制和降低运行成本，同时设法处理好越来越多的产品种类变化问题，并通过采用机器人系统的方式，提高灵活的自动化生产水平。然而，包装业机器人的发展也在以不太明显的方式发生变化。美国沃尔密集市的自动化设备供应商罗克韦尔自动化公司包装业务开发经理LeoPetrokonis先生说：