滁菊自动摆盘生产线设计

彭玉平 秦子维 詹歌 李慧文 徐伟 曹旭

[摘要]针对滁菊烘干前处理过程劳动力短缺、摆盘不均匀、生产效率低下等问题，本文采用自动化生产线方案，开发一条能够完成滁菊自动摆盘的生产线。针对生产过程物料盘的自动供给，开发了物料盘解垛机，创新应用了双层凸轮机构，进行上、下层物料盘交替支撑，实现物料盘逐个释放，以完成物料盘的依次供给;针对摆盘过程，开发了滁菊摆盘机，摆盘机利用同一平面内相互垂直的两个运动叠加，使物料盘能接住任意位置落下的滁菊，实现自动化摆盘;针对生产过程物料盘的回收，开发了以伺服电机驱动提升台带动物料盘提升，控制器存储提升次数并依据提升次数运算伺服电机转数，实现物料盘提升高度控制的堆垛机，通过运动机构动作完成后自动回归初始位置，以及提升和推出物料盘至烘干架等动作，完成装满滁菊的物料盘层叠于烘干架，实现物料盘的回收;通过摆盘生产线的应用，实现了从物料盘供给、滁菊摆盘、物料盘回收的全自动化生产，滁菊烘干前处理由原来的多人协同完成，到仅需1人就能完成，效率提高300%以上，解决了摆盘生产效率低，以及因滁菊花期短造成的劳动力短缺而影响滁菊食品安全的问题，对滁菊产业的发展具有较大意义。

[关键词]滁菊;堆垛解垛;摆盘;生产线设计;PLC

中图分类号：TS203 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

滁菊为多年生菊科草本植物，主产于安徽滁州地区，为安徽省地道药材之一，现为国家地理标志产品，名列全国四大名菊之首[1-3]。

目前，滁菊主要以茶饮产品出现在消费市场，滁菊成品的普遍生产方法是对滁菊进行干燥加工，在进行滁菊干燥前，需先进行滁菊杀青[4]。现存的滁菊生产工序中，杀青设备和干燥设备已经比较成熟，滁菊杀青完成到进行烘干的中间处理环节，因滁菊生产规模小，处理对象比较复杂，且只能进行人工作业，完成一次摆盘，至少需要4人完成。并且滁菊采摘期也较短，集中在每年的11至12月[5]，生产过程中对劳动力的需求具有季节性，极容易造成滁菊加工过程人手短缺，直至造成滁菊产品品质下降。此外，滁菊的人工摆盘易形成摆盘不均匀，从而造成不同批次产品质量不一。自动摆盘设备的出现能有效地缓解劳动力供应不足，并能提高生产效率，并能够有效保证食品的安全。

目前，自动摆盘机广泛应用于物流、交通、工厂的物料搬运及农机行业。窦蒙等[6]针对食品加工行业人工摆放物料的劳动强度大、生产效率低的问题，设计了一套基于PLC自动馒头摆盘机系统;钱晓平等[7]针对汤圆机在汤圆制作过程中人工摆盘的不足，创新地设计了一种由步进式升降装置、吸盘装置、移盘装置等组成，是气电结合驅动与控制的自动摆盘装置。

针对解垛、堆垛等生产方式，在一些企业已经有了成熟的应用。邯钢集团公司二轧厂[8]研发的型钢自动堆垛机组，满足了型钢自动堆垛的需要;石征锦等[9]通过采用辊道式传输机构和双立柱提升机构，配合传感器等，实现了大型汽车部件仓储的精准堆垛、解垛及传输。

综上所述，食品自动摆盘和物料堆、解垛技术虽有人进行了研究，但处理的对象均是比较规则的物体，可采用机械手进行抓取、翻转、手持平移等操作，而滁菊类食品具有不定形的特点，目前开发的摆盘设备并不能直接应用于滁菊的摆盘生产，并且滁菊烘干所指的物料盘自动回收和供给与当前企业采用的堆垛、解垛也有较大的差别[10]，开发一条能够完成物料盘自动解垛、堆垛及滁菊自动摆盘的生产线对促进滁菊产业化发展具有较大的促进作用，并能为类似设备的开发提供参考价值。

1 工作原理

1.1 生产线的组成及特点

滁菊自动摆盘生产线由解垛机、摆盘机和堆垛机三大部分组成，分别实现三项功能，并由输送带串联成一个整体。

其特点是：在解垛机上解垛时，利用双层凸轮机构实现上、下层物料盘交替支撑，从而达到对物料盘的逐个释放;在摆盘机上进行滁菊摆盘时，利用同一平面内相互垂直的两个运动叠加，使物料盘能接住任意位置落下的滁菊，实现自动摆盘;在堆垛机上堆垛时，利用控制器存储提升次数并运算每次提升脉冲数，控制伺服电机转动方向及转数，提升方向及高度，再配合物料盘从堆垛机上平移推出动作，使物料盘层叠摆放。

1.2 整体工作流程

参照现有的滁菊生产工艺，杀青完的滁菊由杀青设备上的输送带直接输出，在杀青设备出口处经过刮板刮扫后，使滁菊呈薄层输出。为实现滁菊干燥自动化生产，迫切需要开发的自动化设备是摆盘生产线。

滁菊自动摆盘生产线工作过程如图1所示，该生产线在解垛机处将堆叠成摞的物料盘逐个释放到下方输送的输送带上，物料盘沿输送带向摆盘机移动;在摆盘机处，薄层输出的滁菊因失去输送带支撑，依靠自身重力下落，此时，布置在下方的摆盘机控制物料盘运动，通过物料盘在接收平面内横、纵向交错运动，实现物料盘满载;完成摆盘后，载满滁菊的物料盘由输送带运送至堆垛机处;堆垛机将摆满滁菊的物料盘提升至相应高度，并推出至烘干推车，通过控制系统存储提升次数，并运算每次提升高度，实现逐一堆垛。最终，经过解垛机、摆盘机和堆垛机的自动化运行，完成滁菊的自动摆盘、物料盘的自动供给和回收，摆满物料盘的烘干推车再由人工移至干燥设备内干燥。

2 关键机构与技术

2.1 解垛机的依次释放机构

解垛机的关键技术为实现物料盘依次下落，如图2所示，其主要由支架、凸轮机构、电机及流利条等结构组成。输送带位于解垛机下方，用于运输物料盘;凸轮机构呈对称布置，对物料盘起支撑任用;在支架的四周固定流利条，减少物料盘与支架的间隙，防止物料盘晃动并消除下落时的阻力;同时，在输送带的侧边也安装流利条，对物料盘运输时起限位作用。

解垛机实现物料盘依次下落的关键技术在于凸轮机构，如图3所示。凸轮机构通过上下层级的凸轮控制滚子从动件伸出或缩回，实现物料盘支撑或释放;上下层级的凸轮由同一个电机带动，当需要供给物料盘时，上层的凸轮滚子从动件向机内伸出，阻挡住上层的物料盘，同时下层的凸轮滚子从动件向外扩张，释放下层物料盘;物料盘依靠自身重力掉落至输送带上。

2.2 自动摆盘的平面运动

摆盘机为杀青工序至烘干工序的关键装备，决定着滁菊摆盘能否实现自动化，而因菊花类食品具有不成形的特点，机械手抓取方式不适用于菊花，比较好的方式是使用物料盘接收下落的菊花，对此，在摆盘时需使物料盘能达到菊花接收平面内的任意点。

滁菊杀青和烘干的工艺及设备均比较成熟，所以摆盘机开发时，滁菊从杀青设备中的引出方式及需要使用的物料盘形式均为已知。摆盘机的结构如图4所示，主要由上层输送带、下层平移机构组成;上层输送带与物料盘直接接触，沿横向输送物料盘，并在上层输送带的侧边安装有流利条，对物料盘运输时起限位作用;下层平移机构主体为悬空的同步带输送机，采用连接零件将上层输送带整体固定在下层同步带，由下层同步带拉动上层输送带纵向运动;摆盘机通过上层输送带和下层平移机构横、纵向运动组合，从而使物料盘能达到菊花接收平面内任意点。

2.3 堆垛机的自动化堆叠

堆垛机的关键技术为物料盘有序放置于烘干推车，堆垛机的结构如图5所示，其主要结构有支架、链条机构、推出机构、提升板、限位轴及伺服电机等。

链条机构由链条、链轮及伺服电机等组成，提升板为堆垛机提升台，用于提升物料盘，固定于链条上，链条由伺服电机驱动，适用于需要较精确步进距离的场合;推出机构由丝杆和滚珠螺母及推板组成，推板固定于滚珠螺母上，在提升板上沿丝杆移动，通过丝杆运行不同转向，前进或后退，将物料盘推出堆垛机;堆垛机待机时，提升板置于输送带之下，当物料盘输送到提升板上时，物料盘沿输送带运动被阻挡，此时会触发传感器，伺服电机开始转动，物料盘被提升至相应高度，并由推出机构推至烘干架，经过多次循环，直至完成物料盘堆垛。

3 控制系统设计

针对所设计的滁菊自动摆盘生产线，采用三菱FX1N-60MR作为主控，此型号PLC能以步进梯形图编程，编程较为便利[11];输出方式为晶闸管形式，可输出高速脉冲，实现伺服电机控制，且输入输出点数之和达到60个，满足该生产线的控制要求，如表1所示。

根据前文介绍的生产线工作原理，生产线工作流程如图6所示。

当生产线开始工作，需判断解垛机下方的输送带上是否存在物料盘，及可能出现的位置，通过输送带上安装到位开关传感器实现该判断;当需要解垛机释放物料盘时，则PLC控制凸轮旋转180°，实现此旋转的电机为大减速比异步电机，为保证到位准确性及设置凸轮归原点，在凸轮上固定磁石，并使用磁性开关作为检测传感器;当物料盘输送至摆盘機，通过到位开关传感器确定物料盘的初始位置和运动的各个极限位置，此时摆盘机下方平移机构需具备双向运动，通过应用转向电机实现，PLC同时需控制杀青机上用于输出的输送带，控制供料。当物料盘输送至堆垛机，物料盘触发到位传感器，告知解垛机开始工作。解垛机上链条机构，推出机构均需布置归原点和极限位置传感器，且带动提升板提升的电机为伺服电机，通过PLC存储提升次数并运算每次输出脉冲量，控制提升高度，最终实现逐一堆垛;为实现本生产线的安全生产，还使用了超声波及光电传感器对工作环境进行安全检测，当出现危险信号时，停止机械动作，并输出警示。

4 结 论

针对滁州本地特产滁菊烘干时易出现劳动力短缺、摆盘不均匀、摆盘效率低等问题，本文研制了一条自动化滁菊烘干生产线，可实现物料盘的自动供给、滁菊均匀摆盘、和物料盘回收。通过摆盘生产线的应用，整个滁菊烘干过程由原来的多人协同完成，到仅需1人操作，人均生产率提高300%以上。

开发的物料盘解垛机，创新应用了同轴双层凸轮机构，通过凸轮从动件交替伸出和缩回，实现进行上、下层物料盘交替支撑，实现物料盘逐个释放，完成物料盘依次供给;摆盘机采用物料盘接收下落菊花的方式，解决了不定形的食品摆盘问题，实现了滁菊摆盘自动化生产，并保证了食品安全，使滁菊干燥自动化成为可能;解垛机通过控制器运算每次伺服电机驱动的脉冲数，配合物料盘推出动作，实现物料盘层叠回收，具有结构简单的特点。

参考文献

[1] 詹歌，孙艳辉，严佳慧，等.干燥方式对滁菊抗氧化、抑菌活性和挥发性风味物质的影响[J].食品与机械，2018，34（11）： 193-199.

[2] 徐建.滁菊干燥方法及储藏条件的研究[D].合肥：安徽中医药大学，2015.

[3] 魏敏，周国梁，汪心娉，等.滁菊饼干配方及制备工艺研究[J].安徽科技学院学报，2018，32（6）：81-87.

[4] 陈强，苗文娟，查靖，等.菊花干燥技术研究进展[J].食品工业科技，2019，40（14）：359-362+368.

[5] 代海涛.安徽省滁菊产业链研究[J].北方园艺，2014（12）： 164 -167.

[6] 窦蒙，万熠，王从宏，等.基于PLC的自动摆盘机控制系统开发[J].机电工程，2017，34（9）：1028-1031.

[7] 钱晓平.基于PLC的托盘输送机设计和应用[J].制造业自动化， 2014，36（16）：154-156.

[8] 李振强，杨广胜，梁永祥.型钢自动堆垛机组的设计简介[J].轧钢，2002（5）：50-51.

[9] 石征锦，单志凌，富斯盟，等.大型汽车部件自动化立体仓储的设计与实现[J].现代制造技术与装备，2018（5）：156-158.

[10] 代海涛.安徽省滁菊产业链研究[J].北方园艺，2014（12）： 164-167.

[11] 何孝成，刘印，王宫辉.三菱PLC在工业中的应用[J].中国包装工业，2015（12）：13-14.

Design of Production Line for Laying Chuzhou Chrysanthemum

Peng Yuping，Qing Ziwei，zhan Ge，Li Huiwen，Xu Wei，Cao Xu

（Chuzhou University，College of Biology and Food Engineering，Chuzhou，Anhui 239000）

Abstract：In order to solve the problems such as labor shortage， non-uniform and low production efficiency in the process of drying Chuzhou Chrysanthemum， an automatic Laying production line is developed in this paper.Aiming at the automatic supply of the material tray in the drying process， the Feeding of material tray machine is developed， and the double-layer Cam Mechanism is innovatively applied to support the upper and lower material trays alternately to realize the release of the material trays one by one to complete the material tray supply in turn. In view of the process laying Chuzhou Chrysanthemum to a tray， a Laying Machine for Chuzhou Chrysanthemum was developed. The Laying machine can catch Chuzhou Chrysanthemum falling from any position by using two vertical movements superposed in the same plane， thus realizing the automatic laying process of Chuzhou Chrysanthemum to material trays.A Stacker Machine is developed， which uses servo motor to drive the material plate lifting， and the controller stores the lifting times and calculates the rotation of servo motor according to the lifting times to realize the control of the material tray lifting height， through the movement mechanism action after the completion of the automatic return to the initial position， as well as lifting and launching the material tray to the drying rack and other actions， the material tray full of Chuzhou Chrysanthemum is stacked on the drying rack to complete the material tray recovery; It has realized the fully automatic production from material tray supply， Chrysanthemum laying to tray and material tray recovery. The drying pre-treatment of Chuzhou Chrysanthemum used to be finished by many people， and now only one person can finish it. The efficiency has been increased by more than 300% ， and the low production efficiency of laying Chuzhou Chrysanthemum to tray has been solved， as well as Chuzhou Chrysanthemum Short flowering period caused by the shortage of labor， resulting in the impact of Chuzhou Chrysanthemum food safety issues， the development of chrysanthemum industry is of great significance.

Key Words：chuzhou chrysanthemum，feeding or stacking trays，laying sth.to a tray，production line design，PLC

收稿日期：2019-12-24

基金項目：滁州市科技计划项目（2018ZN019）。

作者简介：彭玉平，男，硕士，助教，研究方向为食品智能装备。

通信作者：詹歌，男，博士，讲师，研究方向为食品研发与食品包装。