生物行业灌装后段包装及运输过程中机械手及AGV技术应用
本文结合诺维信公司开展的灌装线后段包装及运输自动化项目，对由标签检测系统、码垛机械手系统、AGV及其服务器等组成的包装及运输系统进行了全面介绍，可使我们深入生物行业灌装后段包装及运输过程中机械手及AGV技术的实际应用情况。
01背景介绍
诺维信公司是生物解决方案领域的全球先导者，其灌装线对于连续生产要求较高，由于是整条生产线的最后一个车间，而且是24小时连续灌装，要求设备能稳定、准时地完成生产任务，否则会造成前序生产线的堆积，并收到不能准时交付客户的投诉。连续生产需要操作人员倒班，设备不能停机。然而，夜班生产面临一系列困境问题，例如：对于操作员工来说，夜班生产比较困难，夜间人体的体能下降，更容易疲劳；随着员工年龄增长，已越来越不适应夜班生产。并且，年轻一代不愿意进工厂，认为工厂的工作强度大、束缚度高，对于工厂工作兴趣下降，转向时间自主的自由职业，企业普遍面临招工难、用工难的问题。
随着机器人和AGV技术的成熟及其在各个行业的成功应用，诺维信公司管理层对于引入应用自动化设备的信心逐渐增强；经过工程经济学方面的核算，人力成本节省远大于设备的投资成本，也能够满足公司要求。此外，由于国外工厂招工难、用工难的情况更加严峻，公司非常支持自动化改造项目，希望这些项目可以在国内实施成功后逐步推广到国外工厂。基于以上几点，诺维信公司决定实施灌装线后段包装及运输自动化项目。
02包装及运输系统组成
包装及运输系统主要由标签检测系统、产品理料系统、码垛机械手系统、托盘拆垛机、满托盘输送系统、全自动缠膜机、卷帘门控制系统、AGV及其服务器、电控系统等组成，见图1。
图1 包装及运输系统组成
1.标签检测系统
空桶通过人工放置到传送线上。由于需要检测空桶内部的同桶颜色杂质，只能人工检测。由贴标机将标签自动贴到空桶上面。灌装由全自动灌装设备实现，灌装后的桶通过相机视觉检测系统，检测标签打印的内容以及标签是否完整。合格的产品会继续留在生产线上，不合格的产品会被剔除出生产线。
2.产品理料系统
在产品到达指定位置后，通过传感器检测到产品在对应位置上以后，由理料机构来固定产品的位置，方便机械手准确抓到产品的抓手。见图2。
图2 产品理料机构
3.码垛机械手系统
码垛机械手系统的任务是抓取产品并放到托盘上，采用6轴机械手完成抓放动作。机械手采用定制化夹爪，根据产品的外形去拟合夹爪。机械手采用适应两种产品的柔性设计，更换第二种产品不用更换夹爪，只需要程序调整就可以完成产品更换。同时，对于不同的摆放形式要求，通过选择程序可以实现。见图3。
图3 码垛机械手系统
4.托盘拆垛机
采用托盘拆垛机完成木托盘的拆垛。由于木托盘生产精度不高，会出现托盘厚度和长度偏差较大的情况。通过增加传感器，使得托盘拆垛机能够适应托盘尺寸，同时从图纸上规范托盘尺寸的公差范围，保持托盘的一致性。
5.满托盘输送系统
在机械手将所有产品码好后，由输送系统将托盘输送到缠膜机上，在缠膜机完成缠膜以后将产品输送出去。
6.全自动缠膜机
采用侧膜和顶膜自动覆膜的缠膜机，人工只需要上膜，在膜用完以后设备会报警。同时膜具有拉伸功能，与之前的人工缠膜比较，节省了膜的消耗量。见图4。
图4 全自动缠膜机
图5 AGV
7.卷帘门控制系统
产品灌装车间的灌装线及包装线都需要满足食品级要求，生产过程中卷帘门需要关闭，所以使用了卷帘门控制系统，用卷帘门远程和AGV服务器对接，实现对卷帘门的控制。
8.AGV及其服务器
AGV采用激光导航方式，与传统的地磁、二维码相比，安装维护更方便，见图5。AGV通过无线网络，实现空托盘垛的自动上料，产品自动下线，产品自动运送到存储区域，完成二层堆码。AGV服务器给AGV下发任务信息，读取AGV运行状态，同时服务器与卷帘门、输送线出口联动。
9.电控系统
电控系统采用西门子公司的PLC产品，包括IO模块、变频器、缠膜机控制系统、触摸屏等，通过触摸屏实现人机交互。
03工艺流程
从灌装线出来的成品，自动放置到空托盘上，并形成自动缠膜、自动拆垛、自动运输到存储区的一套完整自动包装及运输系统。工艺流程，如图6所示。
图6 工艺流程图
1.空托盘上料区域
系统在初始状态时，由操作人员将整垛托盘（共10个木托盘），经过托盘垛整形机构将整垛托盘码齐，然后放置到空托盘上料区域。其中，整垛空托盘的位置采用物理定位。
2.AGV空托盘上料
系统中检测到空托盘垛为空时，呼叫AGV上料。AGV从空托盘位上料到系统中。AGV会与卷帘门配合，给卷帘门开门命令。AGV会给出完成命令，卷帘门关闭，系统会将空托盘垛移动到拆垛位置。空托盘垛设计了等待位置，在等待位置为空时就会给AGV上料命令，保证了系统的整体节拍。
3.拆垛
由专门的拆垛机实现最下端托盘的拆垛。最多可以实现一次拆10个托盘。分为拆垛位置和等待拆垛共2个位置。一次可以上20个托盘，保证设备连续使用。
4.灌装完成产品下线
产品由灌装完成后，经过标签检测系统，将不合格的产品剔除出生产线，合格的产品继续流出到生产线的最后端。
5.机器人码放
由传感器识别到产品已经到位，经过产品位置整理机构，将产品的位置固定。机器人使用定制的夹爪将产品放置到空托盘上面。其中，码放的位置由机器人系统预设。操作员在触摸屏上会选择产品的类型、摆放顺序。系统会根据这些选择作出判断。
6.自动缠膜
在托盘转移到缠膜上以后，缠膜机通过位置信号触发，实现自动缠膜功能。
7.AGV取货
产品下线后，呼叫AGV取货，AGV接收到命令后给卷帘门开门命令，AGV取到货物后将货物放置到货物存储区。其中货物需要二层码放，AGV会根据系统中的数据要求来自动选择摆放位置。
04应用情况
该自动包装及运输系统于2022年10月开始正式投入实际生产。目前，该系统实现了包装线后段的自动化包装及运送，生产速度满足灌装线的灌装节奏，以及未来产品升级后的速度要求。生产线改造前后对比，见表1。
表1 生产线改造前后对比
05结束语
整体来说，该自动包装及运输系统主要是由机械手完成自动码垛，AGV完成自动上空托盘，并将产品自动运送到货物存放区。利用诺维信公司现有的无线网络结构和现有的空间完成修改，使公司的自动化水平得到提升。
本文源自《物流技术与应用》2023年11期
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