基于多轴同步控制技术的条烟柔性码垛系统设计

杨远，王晋冰，刘旭，周林

基于多轴同步控制技术的条烟柔性码垛系统设计

杨远1，王晋冰2，刘旭3，周林3

（1.贵州大学，贵阳 550025；2.贵州省烟草公司贵阳市公司，贵阳 550002；3.贵州省烟草公司黔南州公司，都匀 558000）

克服原有的刚性吸盘的局限性，提高烟草物流中心的条烟码垛效率。设计一种基于多轴同步控制技术的条烟柔性码垛系统，以SIMATIC S7–1200 PLC为控制核心，通过PROFINET与Kinoc触摸屏进行通信，将9个步进电机驱动器和传感器同PLC外接的输入、输出模块连接。工控机发送的数据经过PLC处理，通过主令同步的方式控制指令，实现柔性吸盘的同步，完成多样化条烟的同时抓取。该控制系统通过搭建的实验平台验证了其稳定性和高效性，该系统可以同时吸附5条高度和宽度不同的条烟，大大提高了条烟码垛机器人的效率。相较于刚性码垛系统，此柔性码垛系统的码垛效率峰值提高了24.9%左右。文中系统的设计提高了条烟的码垛效率，并且提高了烟草包装的智能化水平。

柔性码垛；多轴同步控制技术；主令同步方式；PLC

在我国众多人口中，大约有3亿烟民，约占世界烟民人口的25%；而我国的烟草产量占世界的35%，烟草销售量占32%[1-2]。随着市场个性化时代的到来，异型烟的销量在烟草市场突飞猛进，因此烟草物流中心面临着巨大的挑战[3]。烟草物流中心针对条烟堆叠智能化的问题，提出了一种基于吸盘的码垛机器人，该码垛机器人主要是将条烟按照一定的模式堆码成垛，完成单元化的存储和运输，缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本[4-6]。然而烟草销量的迅速增加，促使码垛机器人不断地更新换代。国内许多研究者在异型烟码垛技术上取得了显著的成就，例如，张都等[7]通过采用叠层设备和链式拨烟装置对异型烟进行混合式码垛，包装效率峰值可达到6 000 条/h。胡敏[8]通过将机器视觉系统和自动码垛算法结合运用到码垛系统，大大地提高了码垛机器人的智能化水平，但是该码垛系统的末端执行机构采用刚性吸盘，每次只能抓取1条或2条条烟。徐明阳等[9]采用以PLC为控制核心的方法，研发出了一套4抓柔性吸盘，克服了刚性吸盘的柔性化问题。在包装领域，大量技术人员也把PLC控制器应用到自己的研发工作中[10-12]。

文中的研究以PLC控制器作为条烟柔性码垛系统的控制核心，设计一套基于多轴同步控制技术的五抓柔性吸盘控制系统。

1 条烟码垛系统

1.1 条烟码垛系统的结构

条烟柔性码垛系统主要分为抓烟皮带、机械手、机械手末端执行机构、触摸屏、倍速链等结构构成，其结构见图1。抓烟皮带由伺服电机提供动力，电机的启停则是通过伺服驱动器来控制。抓烟皮带上安装了1对测长传感器、5对条烟到位传感器以及挡烟条，其功能是判断条烟的品规以及到位情况。机械手使用的型号是EPSON LS20–B804S，LS20–B系列，是追求高速和高性价比的高性能机器人，通过将U轴容许力矩提高至1.00 kg·m2以达到大容量，其次通过高速移动改善了节拍时间，缩短了摆臂需要的时间。机械手末端执行机构是由5组吸盘组成，每组吸盘都有独立的槽型光电和测高传感器，用于原点的检测和条烟高度的复核，测高传感器还具有掉烟保护功能，其中第3组作为机械手末端执行机构的基准，只能进行轴方向的移动，其余4组在轴方向也能进行移动。每组吸盘由1个吸盘板和8个吸盘组成，每个吸盘板通过连接一个电磁阀来控制吸盘的吸气和吹气。触摸屏作为人机交互界面，可以实现该系统的参数设置，末端执行机构的手动控制以及各电气控制环节的信号显示。倍速链是用于托盘的切换，可将码垛完成的托盘移动到下一工位，把空托盘移至码垛位置并同时发送允许码垛信号。

图1 条烟码垛系统

1.2 条烟柔性码垛控制系统的工艺流程

条烟输送到抓烟皮带末端挡烟板处，经过测长传感器和测高传感器对条烟的复核触发抓烟信号。机械手移动到抓烟点上方等待抓烟信号，当PLC收到抓烟信号，5组吸盘开始变距进行抓取条烟。机械手抓取条烟后移动到放烟点上方等待允许码垛信号，在移动过程中吸盘变距。倍速链将托盘移动到码垛位置，并向机械手发送允许码垛信号，收到允许码垛信号的机械手开始放烟，放烟后机械手回到抓烟点上方等待指令。重复运行上述流程直到订单完成，然后倍速链将码放好的托盘送入下一工位，最后切换订单，其工艺流程见图2。

图2 码垛工艺流程

1.3 刚性码垛系统

刚性码垛系统对条烟的要求较高，必须保证所有条烟高度一致。面对异型烟销量的突飞猛进，该系统只能通过多次数、少条数的方法进行抓取，虽然相较人工码垛，刚性码垛的效率有了进一步的提升，但是面对当今市场的多样化还远远不够。如图3所示，该三维图是一台四抓的刚性码垛系统，可实现同时吸附4条高度相同的条烟。针对柔性码垛系统和刚性码垛系统的差异，文中通过对系统的结构、抓取对象、拆单情况和烟姿要求进行了对比，见表1。在烟草物流行业中，分拣码垛效率是烟草物流公司解决的关键问题。图3的刚性吸盘可实现多条条烟的抓取，但是应对不了订单的多样化。要实现订单多样化，则需要减少末端执行机构的体积，同一时刻的抓烟条数也随之减少。柔性码垛系统既可以应对订单多样化问题，又可以实现多条烟的同时抓取，满足了目前烟草物流公司的需求。

图3 刚性码垛系统

表1 2种码垛系统的对比

Tab.1 Comparison of two palletizing systems

2 多轴同步控制技术

基于控制方式，多轴同步控制可分为机械同步方式和电控同步方式。其中机械同步方式是由多根轴和齿轮系组成，依靠着机械结构的方式来实现同步，这种同步控制方式机构复杂、机械加工精度要求高，因此已经被淘汰。电控同步方式主要有主从同步、虚轴法同步以及交叉耦合同步等方案。文中采用主令同步方式，该方式与主从方式相似，每个轴都是通过单独的电机驱动，每个电机驱动器都是由同一个命令信号源来控制，然后控制器对信号源进行分配，将分配好的信号发送至电机驱动器上，完成整个同步控制过程[13-15]。由于主令同步方式的各电机之间没有耦合，因此任何一个电机轴受到外界负载扰动都不会影响其他轴的正常运行，因此该方式符合条烟码垛系统的需求，其系统结构见图4。

图4 主令同步方式原理

3 多轴同步技术控制系统硬件设计

根据工艺流程设计了多轴同步控制系统的硬件，该系统主要由PLC（主、从站）、步进电机、驱动器、Kinco触摸屏和槽型传感器组成。系统包含了4个轴原点光电和5个轴原点光电，用于检测吸盘轴和轴的位置。对9个电机的单独驱动保证了电机之间互不干扰，还能直观地显示各电机的故障信息。其硬件结构见图5。

图5 控制系统硬件结构

PLC全称为可编程逻辑控制器，它具备复杂的逻辑算法控制能力，与此同时还具备计时、计数的功能，该系统使用的PLC是西门子S7–1200 PLC。S7–1200 PLC作为一款紧凑型控制器并没有限制其功能，该控制器主要面向简单而高精度的自动化任务，它还具备较高的灵活性，可以很大程度地满足客户的各种需求，麻雀虽小五脏俱全。它通过集成的PROFINET接口实现了同HMI与其余PLC的通信，并可以通过该接口进行编程，它还可以通过开放的以太网协议支持实现与第三方设备之间的通信。

该款PLC通过集成2个高速输出来进行高速脉冲输出或脉宽调制输出。系统将PLC分成主站PLC和从站PLC，主站PLC控制着工控机、触摸屏、从站PLC和机械手控制器；从站PLC控制机械手末端执行机构的吸盘运动，但对柔性吸盘的控制信息是从主站PLC发出，设置从站PLC的主要目的是减轻主站PLC的计算量。主站PLC、从站PLC和触摸屏通过PROFINET接口实现相互之间的通信。

柔性吸盘主要有9个步进电机组成（4个轴的驱动电机，5个轴的驱动电机），每个电机都存在单独的驱动器。X1步进电机和Z1步进电机控制着1号吸盘的轴运动和轴运动，X2步进电机和Z2步进电机则是控制2号吸盘，由于3号吸盘是作为轴的定位基准，因此只能通过Z3步进电机控制轴运动，X4步进电机和Z4步进电机则是控制4号吸盘，X5步进电机和Z5步进电机则是控制5号吸盘，再通过从站PLCX和PLCZ发送脉冲和方向信号进行吸盘的控制。步进电机具有良好的跟随性，输入的脉冲数与角位移严格成正比，因此几乎不会产生累计误差。步进电机虽然结构简单、价格低，但是其可靠性极高，面对该系统的频繁启停也能极好的响应。由于步进电机的体积小、质量轻，因此减轻了机械手的负载，使该系统的使用寿命更高。多轴同步控制系统的电机输出信号和原点光电输入信号在PLC控制器上的地址见表2。

4 多轴同步技术控制系统的软件设计

硬件系统是控制系统的载体，而软件系统的优劣是衡量整个系统的稳定性和可靠性的关键。通过对PLC程序和人机界面的设定，不仅实现了多轴同步控制，还实现了人机界面对单个轴的运动控制，使条烟柔性码垛系统末端执行机构能够实现同步运行的同时，还能达到独立控制。系统采用的是西门子的博途软件进行PLC控制器的编程，人机交互界面是运用Kinco DTools V3.5.2软件绘制的。

4.1 PLC程序设定

该系统的PLC控制流程见图6。首先通过工控机下发码垛数据到主控PLC中；启动系统之后，PLC上电使能，进行、轴的复位，并检测各轴的回零情况；完成复位之后，等待各轴数据的写入；RC收到待机点信号，移动到待机点的同时，柔性吸盘变距；随后通过测高传感器和测长传感器对条烟进行复核；复核无误，RC收到抓烟信号，抓取条烟；在PLC检测下无掉烟情况后，RC会收到放烟点上方信号并移动到放烟点上方；同时PLC会收到码垛位置数据，柔性吸盘变距；在RC得到放烟信号时，电磁阀启动，破真空放烟；放烟完成后，RC再次收到待机点信号，返回待机点，循环此过程。

表2 I/O分配

Tab.2 I/O allocation

图6 PLC控制流程

该过程基于主令同步方式，系统通过对各轴的使能、复位、人机界面复位、轴变距、轴变距、轴和轴的速度设置、抓烟和放烟等线圈进行串联，用一个触点方式的控制，实现了一个信号源的多电机控制。其中的轴变距和轴变距是通过对上位机下发的条烟数据进行分配，再统一调用，让各轴能实现同步变距。吸盘同步变距的过程中会出现吸盘位置的不佳，导致吸盘受到的负载较大，因此系统的同步性受到了破坏。该系统设计了相应的报警程序，通过比较目标位置和返回目标位置来触发未返回目标位置线圈，达到报警效果，可以通过复位和人机界面复位解除报警，大大减少了人工排查故障的时间。

4.2 人机界面

条烟柔性码垛系统的人机交互界面主要包含码垛主界面、传感器参数界面、数据交互界面、码垛数据界面、吸盘电机界面和机械手界面。其中吸盘电机界面是控制柔性吸盘的主要界面，如图7所示，界面中的位状态切换开关是通过连接端口Net与电气控制程序中的相关触点直接连接，选取相应的地址类型，再输入对应的触点地址进行通信，实现了和轴的运动控制。柔性吸盘到达零点光电时电机会自动停止，该方式是通过点动正和点动负的常开触点串联一个零点开关常开触点来获取暂停轴的信号。

柔性吸盘界面主要包含了3个部分：报警信息、柔性吸盘位置信息和柔性吸盘控制。报警信息部分主要包含了各轴的功能块故障报警、各轴寻零报警、和的抓烟未到位报警以及PLC通信报警，通过对报警信息的准确显示，让操作员能够及时准确地处理故障，减少了排查故障的时间。柔性吸盘位置信息部分显示了放/抓烟位置、当前位置、抓烟位置、放烟位置、当前位置、原点开关和已回零的信息，可通过该部分实时查看各轴位置信息和是否回零的信息。柔性吸盘控制部分控制着各轴的运动，轴的正负是将3号吸盘视为基准，朝向3号吸盘的方向视为正，背离3号吸盘的方向视为负；轴是统一向上为正、向下为负，各轴的方向通过界面按钮对应的标识进行控制。柔性吸盘控制部分还有手动寻零按钮和、轴速度控制按钮，手动寻零按钮可以直接控制各吸盘各轴的寻零动作，点击更改、轴速度控制按钮后，需要将设备急停—复位—启动后生效。

图7 人机界面

5 系统测试

通过现场测试来验证系统的码垛效果，对柔性吸盘的复位、人机界面复位、各轴的变距和速度设定进行了测试，现场测试环境见图8。现场通过采集7组刚性吸盘码垛数据和7组柔性吸盘码垛数据来比较2种吸盘的效率，其中主要采集了总卷烟数量、常规烟总量和异型烟总量，同时采集了柔性吸盘末端执行机构的变距次数和差错次数，主要的数据信息见表3。

图8 现场测试

测试结果显示，该柔性吸盘的同步性的差错率≤0.1%，具有良好的可靠性和稳定性。现场通过柔性吸盘与刚性吸盘的比较，在标烟和异型烟合单码垛的情况下，刚性吸盘的码垛效率峰值为10 922条/h，柔性吸盘的码垛峰值为13 652条/h，相较刚性吸盘提高了24.9%左右，大大提高了码垛效率，满足了烟草物流的实际需求。

表3 测试数据

Tab.3 Test data

6 结语

文中为了提高烟草物流中心的码垛效率，设计出一套基于多轴同步控制技术的条烟柔性码垛系统，打破了原有的刚性码垛系统的局限性，实现了对多条条烟的同时抓取。该柔性码垛系统以西门子S7–1200 PLC为控制核心，通过设置主从站PLC，加快了系统的运算过程，并采用主令同步方式来控制各电机的运动，实现了各吸盘的同步，再通过设计基于Kinco触摸屏的人机交互界面来控制单个电机的驱动。通过现场的测试，数据结果显示，该系统的码垛效率远远大于刚性吸盘的码垛效率，提高了烟草物流的码垛效率，且具有较好的稳定性。

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Design of Flexible Cigarette Palletizing Control System Based on Multi-axis Synchronous Control Technology

YANG Yuan1, WANG Jin-bing2, LIU Xu3, ZHOU Lin3

(1. Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Tobacco Guiyang Company, Guiyang 550002, China; 3. Guizhou Tobacco Qiannan Company, Duyun 558000, China)

The work aims to overcome the limitations of the original rigid palletizers and improve the efficiency of cigarette palletizing in the tobacco logistics center. A flexible cigarette palletizing system based on multi-axis synchronous control technology was designed. With SIMATIC S7-1200 PLC as the control core, the system communicated with Kinco touch screen through PROFINET and connected 9 stepper motor drivers and sensors with the external input and output modules of PLC. The data sent by the IPC were processed by the PLC and synchronized by master control to achieve the synchronization of the flexible palletizers and complete the simultaneous grasping of diversified cigarettes. The stability and efficiency of the control system were verified by the experimental platform. The system could simultaneously adsorb 5 strips of cigarettes of different heights and widths, which greatly improved the efficiency of the cigarette palletizing robot. Compared to the rigid palletizing system, the flexible palletizing system increased the efficiency peak by about 24.9%. The designed system improves the efficiency of cigarette palletizing and increases the intelligence of tobacco packaging.

flexible palletizing; multi-axis synchronous control technology; master control; PLC

TB486

A

1001-3563(2023)03-0261-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.033

2022−04−12

贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2021]268）；贵州省科技计划项目（黔科合支撑[2021]一般355）；贵州省烟草公司贵阳公司科技项目（黔烟筑科[2022]1号）

杨远（1996—），男，硕士生，主攻机械设计制造及其自动化。

王晋冰（1983—），男，网络工程师，主要研究方向卷烟商业物流自动化与信息化建设。

责任编辑：曾钰婵