基于ABB120机器人的自动饮料机实训平台设计

0引言

当今时代,工业机器人技术的飞速发展正推动着各个制造业领域发生深刻变革,饮料行业也不例外^[1]。随着消费者对饮料品质和生产效率的要求日益提高,传统的人工操作模式已难以满足市场需求。目前,饮料制作流程中存在诸多问题:一方面,人力成本不断攀升,企业为维持生产规模,需投入大量人力进行杯子搬运、饮料灌装等工作,这不仅增加了运营成本,还因人为因素导致生产效率受限,难以实现高效、稳定的连续作业^[2];另一方面,人工操作的不稳定性和随意性使得产品质量参差不齐,无法保证每一杯饮料都具有相同的品质,这对品牌形象造成了潜在威胁。因此,开发一款能够实现自动取杯、精准灌装及可靠输送的自动饮料服务机器人示教系统,已成为饮料行业迈向自动化、智能化生产的关键一步。

在国外,工业机器人在饮料制作领域的应用已相对成熟。许多知名企业投入大量资源研发自动化生产线,以提高生产效率和产品质量。例如,某些国际知名饮料品牌已在其生产线上广泛应用机器人进行高速灌装和包装作业,通过精密的机械结构和先进的控制系统,实现了每小时数千瓶的高效生产,且产品质量稳定可靠。然而,这些自动化系统多为针对大型生产企业的定制化解决方案,成本高昂,灵活性不足,难以适应小型实验室环境下的教学与科研需求。

在国内,相关研究也在逐步推进。近年来,随着工业机器人技术的普及和应用领域的不断拓展,国内高校和科研机构开始关注如何将机器人技术与教学实践相结合,开发适合国情的实训装备。一些高校尝试在机械、电气等相关专业课程中引入工业机器人实验项目,通过简单的搬运、装配等实验任务,让学生初步了解机器人的操作与编程。

但针对饮料制作这一特定领域的自动化实训平台研究仍处于起步阶段,尚未形成系统化、成熟化的解决方案,这为本文基于ABB120机器人的自动饮料机实训平台的研究提供了广阔的探索空间和创新机遇。与此同时,青岛城市学院作为一所注重实践与创新的高等学府,其机电工程学院在机械工程、电气工程及机器人工程等领域拥有雄厚的师资力量和先进的实验设备,为开展此类跨学科研究项目提供了坚实的学科基础和优越的科研环境。

1基于ABB120机器人的自动饮料机实训平台总体设计

1.1 设计规划与目标

本研究旨在开发一套基于ABB120机器人的自动饮料机实训平台,通过合理规划与布局,结合先进的电气控制技术与机器人编程技术,实现从取杯、灌装到输送的全流程自动化操作。该实训平台的建立将为学生提供一个理论与实践相结合的学习环境,有助于提升学生在工业机器人应用、自动化控制系统设计等方面的专业技能与工程实践能力,培养适应现代社会需求的高素质工程技术人才;同时,也为学校教学改革提供了新的思路与实践案例,有助于推动相关专业课程设置与教学内容的优化升级,进一步提高学校的教学水平与科研实力。

1.2 系统总体设计

自动饮料机实训平台的系统设计采用了分层分布式控制策略,确保各个子系统既能独立运行又可协同工作,实现复杂自动化任务的高效执行。系统包括ABB120机器人、自动取杯器、末端执行器、饮料装杯系统、输送装置、传感器、控制器等主要硬件设备,以保障系统运行的实时性和稳定性。整体结构如图1所示。

1.3 系统整体控制方案

整个系统以ABB120机器人为主站,按钮盒、传感器、安全光栅、手机通信等都是通过ABB机器人的D652通信板卡接入机器人系统,为系统提供相关状态及饮料种类,柱灯、饮料灌装装置、自动取杯装置、手爪、语音控制器等通过I/O硬接线的方式接到D652板卡的输出端,实现相关装置的控制,如图2所示。D652板卡接线图如图3所示。

1.4 系统控制流程

系统总体控制流程如图4所示。

2 自动饮料机实训平台的关键模块设计

2.1自动取杯器设计

自动取杯器是自动饮料机的关键部件,直接影响饮料制作的效率与准确性。其设计需考虑杯子的规格、材质及堆叠方式。取杯器基本工作原理是利用机械结构完成取杯动作,常见的机械机构有吸盘式和夹爪式。吸盘式利用负压吸附杯子,适用于表面光滑的杯子;夹爪式从两侧夹取杯子,对杯子形状适应性更强。

本设计采用双杆气缸及工业吸盘,实现一次性纸杯的自动出杯,如图5所示。

2.2 末端执行器设计

末端执行器的设计紧密围绕ABB120机器人实训平台的特性和饮料灌装操作的专业要求展开。首先,确定末端执行器与机器人的连接方式,确保稳固性和精度,以适应机器人高速、高精度运动。通常采用法兰盘连接,通过高精度螺栓定位和固定,保证连接的可靠性和重复定位精度。

通过柔性手爪的设计,实现饮料装杯过程的纸杯抓取,实现包括自动取放杯、自动灌装、自动输送等功能。具体设计方案如图6所示。

2.3自动饮料灌装装置设计

自动饮料灌装装置采用成品抽水器,如图7所示,通过改造增加继电器,实现自动化控制。

3 自动饮料机实训平台的安全系统设计

3.1 安全风险评估

在设计自动饮料机实训平台之初,团队成员全面且深入地开展了安全风险评估工作,对平台运行的各个环节进行了细致入微的分析与研判。

机械运动方面,ABB120机器人的高速运转以及自动取杯器等部件的频繁往复运动,均存在潜在的机械风险。机器人在执行取杯、灌装、放置等任务时,其手臂和末端执行器会快速移动,若操作人员不慎将手指、头发等伸入其运动轨迹,极有可能引发夹伤或卷入事故。

3.2 安全防护措施设计

基于风险评估的结果,为机器人实训台四周设置了坚固的防护栏,其高度不低于1.5 m,框架材质选用高强度铝型材,配合5 mm厚度的亚克力透明板,能够有效阻挡机器人异常情况下的运动部件飞出以及人员进入机器人工作区域。

同时,在操作侧安装两个急停按钮和安全光栅,如图8所示,并将安全光栅接入机器人系统的急停回路中。只有在安全光栅没有被触发时,机器人方可启动运行,一旦有人员将手或身体的其他部位伸到机器人的工作区域,安全光栅被触发,机器人会立即停止运动,确保人员在维护、调试等操作时的安全。在自动取杯器和输送装置等运动部件的外露部分加装了防护罩,防护罩采用透明的聚碳酸酯材料,既不妨碍操作人员观察设备运行状态,又能防止人员肢体直接接触到运动部件,避免夹伤、擦伤等意外。

电气安全防护方面,整个实训平台采用了可靠的接地系统,确保所有电气设备的外壳均与地面良好连接,即使发生漏电情况,也能迅速将电流导入大地,降低触电风险。在配电箱内安装了漏电保护器和

过载保护器,一旦检测到漏电或过载电流,保护器会在极短时间内切断电源I防止设备损坏和火灾发生。

为保障操作和维护过程中的安全用电I平台配备了绝缘手套、绝缘鞋等个人防护用品I并在电气设备周围设置了绝缘胶垫I减少操作人员直接接触地面时的触电风险。同时I对所有电气线路进行了规范的整理和固定,以避免因线路杂乱而导致短路、拉扯等故障。

通过以上综合性安全防护措施构建起全方位的安全屏障I有效降低了自动饮料机实训平台的安全风险I保障了教学、科研活动的顺利开展以及操作人员的人身安全。

4 自动饮料机实训平台的应用与展望

4.1在学生实践教学中的应用

自动饮料机实训平台为学校机器人工程专业的学生提供了绝佳的实践学习机会。学生可以学习操作、维护、检查、清洁、校准、编程、外部控制、自动运行及饮料灌装工艺编程等技能。平台还支持创新设计实训I鼓励学生根据需求优化自动饮料机的环节或系统。这些创新实践有助于激发学生创造力和解决问题的能力,使他们能应对复杂工程问题。

4.2在学校科研工作中的应用

自动饮料机实训平台为学校科研人员在智能制造等领域的科研项目提供了支持。科研团队可依托该平台开展机器人视觉识别技术在自动取杯中的应用研究,通过安装摄像头等视觉传感器,采集杯子图像信息,利用图像处理算法精确识别杯子位置、形状、尺寸,优化取杯器动作控制,提高取杯准确性,为解决复杂场景下的机器人抓取问题提供依据和技术支持。平台能够实时采集运行过程中的各类数据,如设备的运行状态、故障信息、维护记录等,并将其存储于数据库中。科研人员可以通过数据分析与挖掘技术建立故障预测模型,提前预警潜在故障,合理安排维护计划,缩短设备停机时间,延长设备使用寿命,提高运行效率,为实现智能制造装备的智能化运维管理提供有益探索。

4.3在社会服务方面的应用

自动饮料机实训平台积极为地方企业、职业培训机构等提供技术服务与培训支持。对于有自动化生产需求但缺乏技术研发能力的中小企业,平台可以提供自动化生产线测试环境,企业可将新产品或新工艺的自动化生产方案在平台上进行模拟测试与优化,降低实际生产中的风险和成本。该平台也可用于开展社会培训,培训机构可以根据企业岗位需求,制定针对性培训课程体系,借助平台开展实践教学,使学员能够熟练掌握工业机器人的操作技能、编程方法以及常见故障的排除技巧,为学生就业做好充分准备,为企业培养应用型人才。

4.4 未来展望

立足当前自动饮料机实训平台的应用现状,其在未来智慧实验室建设、智能餐饮行业发展等方面具有广阔的拓展空间。在智慧实验室建设方面,平台将进一步与实验室其他设备实现互通,通过总控电气系统,实现总控与所有机器人设备的高效通信,采集所有机器人的数据,实现设备状态可视化,并通过总控屏幕控制所有机器人设备,提升实验室设备管理的智能化水平和运行效率。在智能餐饮领域,基于现有平台技术积累,可以研发更先进的智能餐饮解决方案,如开发具备智能点餐、智能支付、智能配送等功能的一体化餐饮服务系统,实现从点餐到取餐的全流程自动化、智能化服务,提升餐饮行业的服务效率和质量,为消费者提供更加便捷、个性化的用餐体验,赋能智慧城市发展。

5 结束语

自动饮料机实训平台项目成果显著,推动了学生实践能力的提升、学校科研水平的进步以及社会服务能力的增强。其机械结构设计、电气控制系统设计、机器人编程和安全系统设计均达到预期目标,运行稳定可靠。在教学中,该平台通过基础操作、系统维护和创新设计实训,提升了学生的专业技能和综合素质。在科研方面,它为智能制造和工业机器人领域的研究提供了有力支持。同时,平台还积极服务社会,为地方企业和职业培训机构提供技术支持和人才培训。

然而,研究过程中也遇到了一些问题,如多系统协同的复杂性、机械与电气的精度匹配以及安全防护的全面性等。通过优化设计、精准调试和强化安全测试,这些问题已得到有效解决。

未来, 自动饮料机实训平台将在智慧实验室建设和智能餐饮行业发展等方面继续拓展和深化。通过融合人工智能、物联网、大数据等前沿技术,平台将实现更高效的设备互通、智能一体化和智慧化改造,为教学、科研和社会服务创造更多可能性,推动相关行业的持续创新与发展。

[参考文献]

[1]李楠柯,高建华,张凤龙,等.基于机器视觉的瓶装水漏装检测系统设计[J].仪表技术,2020(3):12-14.

[2]姚瑞祺,祝战斌.《饮料生产技术》课程混合式教学应用研究[J].食品与发酵科技,2018,54(4):78-80.

《机电信息》2025年第13期第4篇