多品质色号瓷砖自动分选包装直连线的研发应用

杨学克

摘 要：本文主要针对目前建陶行业在瓷砖成品分选包装环节生产工序较多、用工需求较大、成本高、效率低的问题，介绍了一套创新的自动化分选包装工序及技术装备，重点阐述该项目研发和应用的技术方案和创新点，对其研制过程中的技术难点和解决方案进行了分析，同时对该项目产品的质量和特性也做了简单描述，该项目必将为建陶产业生产方式转型升级具有重要的推动作用。

关键词：多品质;自动分选;砖垛分类编组;勾夹输送;智能;远程监控

1 研制概述

自从中国经济进入“新常态”以来，曾经产能高速扩张的中国建陶行业也面临着产业重新整合、技术进一步升级、成本与效益进一步优化的要求。目前行业流行的两种成品瓷砖分选包装作业流程：一种是“自动拣砖线”+人工作业陈放场+“独立型自动包装线”，另一种是“单一品质直连型自动包装线”+人工辅助多品质瓷砖分选包装作业。这两种作业流程仍然沿袭了原有人工分选包装作业的工序流程，虽然以自动化装备代替人工实现了部分工序的自动化作业，大幅降低了工人的劳动强度并有效提升了生产效率，但是在降低用工数量与成本、简化工序环节等方面效果有限。

为此，鼎吉包装不断改进及研发新的功能装备，扩展公司产品功能，积累大量工程案例及經验。在集成各种直连分选包装自动化技术的基础上，又率先研发“多品质色号瓷砖自动分选包装直连线”项目。随着该项目所涉及的创新工艺与技术装备的日臻完善，必将成为建陶产业生产方式转型升级的重要推动力之一。

2 研制工作的主要技术环节

2.1 设计技术参数的确定

（1）整线设备的功能需求

A、兼容800×800、600×600、900×600、800×400和600×300等多种规格;

B、能够自动辨识瓷砖侧面的品质色号标记并将瓷砖的品质色号信息录入控制系统;

C、能够根据瓷砖的品质色号分类叠摞成垛、包装捆扎及在托盘上堆垛;

D、瓷砖叠摞成垛时可以根据客户要求选择面对面或面对背的叠摞方式;

E、以瓦楞纸板包裹砖垛时可以根据客户要求选择加装塑料包角或双层折叠纸板等方式加强对砖垛四角的防护;

F、砖包堆垛可以根据客户要求选择在储砖架上以立置、平置或立置加平置等方式的单排或双排堆垛，也可以选择在物流托盘上以立置拼砌成空心或实心等排列模式的单层或多层堆垛;

G、如果是在物流托盘上堆垛可以按照客户要求将所有外露的砖包以正面朝外或客户标识朝上的规则摆放;

H、可根据客户需求加装远程监控系统，利用互联网技术远程连线整线所有PLC，对整线及各个单机设备的开机率、故障率、运行状况、现场故障原因及隐患实施远程实时监控，远程实时修改PLC控制软件。

（2）整线设备的性能要求

A、产能。以600×600 规格的瓷砖考核，24小时产能达到 16000 m2;

B、瓷砖品质等级及色号要求。可根据瓷砖的品质色号总数及各个品质色号的产量占比选择相适应的功能装置组合成自动分选包装线配置方案。

2.2 整线总体技术方案

2.2.1整体规划

该项目立足于中国建陶行业目前的产品特点：规格大、产量大并且品质色号分类较多、以及未来可能的产品趋势：小批量多规格频繁切换的订单化生产，采用了“瓷片分选叠砖-砖垛分类编组-砖垛包装捆扎-砖包堆垛”工艺模式，解决了国外现有的“砖包分类堆垛”装备不能满足国内产量大，回避了采用多个堆垛设备对应多种品质色号所带来的成本劣势，迎合了“充分利用并改造现有包装线使之升级为自动分选包装线”的市场需求。本项目所研发的“自动分选包装线”主要由五大技术与装备构成：瓷砖分选叠砖技术与装备、砖垛分类编组技术与装备、砖垛包装捆扎技术与装备以及砖包堆垛技术与装备，分别对应本项目的“瓷片分选叠砖-砖垛分类编组-砖垛包装捆扎-砖包堆垛”五个主要工艺流程：具有多种品质色号属性的瓷砖首先在分选叠砖装备中按其品质色号分类叠摞成数量一致（通常是两个砖包的容量）的砖垛，每个砖垛中的所有瓷砖具有共同的品质色号属性。完成叠摞的砖垛经汇流后被依次送入下游的分类编组装备。分类编组装备具有两组砖垛搬运机械手和多个（与瓷砖品质色号总数相同）编组通道，其中一个机械手用于将输入的砖垛分类搬运到指定的编组通道上并叠摞成瓷砖数量更多的砖垛。编组通道用于分类累积瓷砖。当某个编组通道上累积的瓷砖数量超过下游堆垛托盘（储砖架）的额定容量时，另一个机械手将连续搬运此编组通道上的瓷砖输出到下游的包装捆扎装备，直至达到一个堆垛托盘（储砖架）的容量。砖垛经由包装捆扎装备以包装纸板包裹成瓷砖箱包，最后被堆垛装备堆叠在托盘（储砖架）上，由此完成瓷砖的分选包装堆垛功能。本工艺模式通过在多个编组通道上分类累积不同品质色号的瓷砖、然后以一个堆垛托盘（储砖架）的容量为基数整批上载到包装堆垛装备的方式，实现用单台堆垛装备完成多种品质色号砖包的分类堆垛功能。

2.2.2技术方案

（1）瓷砖分选叠砖装备

由多个叠砖工位串联组成，叠砖工位的数量不少于瓷砖品质色号的总数，并根据产能要求设置适当的冗余。每个叠砖工位均采用降垛式叠砖方式：单片瓷砖从砖垛上方平置输送进入叠砖工位，砖垛随着叠摞瓷砖数量的增加而同步下降，以保持从上方叠入的瓷砖有最小的跌落高度。单片瓷砖采用独创的勾夹输送线穿过砖垛上方，并根据分选要求驱动擒纵功能使瓷砖下落到砖垛上。采用勾夹输送方式具有大的承载能力，特别适用于重量较大、经过磨边加工侧边湿滑的大规格瓷砖。

（2） 砖垛分类编组装备

由贯通上下游的砖垛输送线、多个与其平行的砖垛编组通道、以横跨输送线与所有编组通道的前后两组可二维运动的机械臂构成。两组机械臂负责在输送线与编组通道之间搬运砖垛，实现砖垛的分类下载编组与连续整批上载。根据瓷砖的规格大小，可选用不同的机械手夹头实现单垛搬运或双垛并联搬运，根据产能要求及编组通道容量，编组通道可配备一个或两个移送驮车。

（3）砖垛包装捆扎装备

由砖垛理直装置、包装纸板配送装置、塑料包角施放装置、砖包成型装置和砖包捆扎装置构成。各个功能装置的主要工作尺寸与参数均采用无级可调设计，具有多种规格瓷砖的兼容能力。

（4）磚包堆垛装备

由砖包翻转装置、合包装置、堆垛机械手和翻托装置构成。堆垛装备可设置两个堆垛工位轮流工作，实现大产能要求的连续不间断堆垛功能。可四维运动的堆垛机械手配合相应的翻托装置，可满足各种堆垛排列方式与多层堆垛要求。

（5）瓷砖进入分选叠砖装备后，控制系统将会一路跟踪其流传位置并将其品质色号信息传递到下游的分类编组装备。分类编组装备可以实时显示各个编制通道中的砖垛的品质色号信息。包装捆扎装备可以在砖包表面自动喷印瓷砖的品质色号信息。

（6）通过在现场控制系统中加装远程通讯终端，利用互联网技术实现远程服务器与现场PLC的实时通讯，对整线及各个单机设备的开机率、故障率、运行状况、现场故障原因及隐患实施远程实时监控。

2.3 整线技术方案中的关键单机设备

2.3.1 瓷砖品质色号标记智能识别装置

利用人工智能视觉技术自动识别瓷砖品质色号信息，并将此信息传送到下游的瓷砖分选装备。识别装置包括图像传感器以及装载有图像捕捉与分析软件的工控机。利用图像捕捉与分析软件实时获取每片瓷砖的划线标记区域二维图像，再通过滤色、锐化、标定、扫描等图像处理手段获取标记信息。

2.3.2 多工位瓷砖分选叠砖机

根据瓷砖的品质色号信息在不同的叠砖工位将瓷砖分类叠摞成垛并向下游汇流输出砖垛，同时向下游设备传送砖垛的品质色号信息。

2.3.3 多通道砖垛分类编组机

根据砖垛的品质色号信息将砖垛分类下载到不同的编组通道上积累瓷砖数量，直至达到或超过一个物流托盘或储砖架的满载瓷砖数量，然后将此通道上的同一品质色号的砖垛连续上载到连接下游设备的输送线架上。

2.3.4 多规格瓷砖包装捆扎机

以瓦楞纸板包裹砖垛形成有一面裸露的六面体砖包并捆扎固定。根据包装的防护要求，可在砖包四角内侧夹衬塑料包角，或者将砖包四角处的纸板双层折叠加厚。

2.3.5 多功能砖包堆垛机

利用可三维运动的机械臂和可翻转夹头，将砖包以立置、平置或立置加平置的方式堆叠在储砖架上。进一步地，利用一组翻转机构可将堆叠在储砖架上的砖包整体转移到物流托盘上形成各种砖包拼砌方式及单层或多层堆叠的托盘垛方。

2.3.6 基于互联网通讯技术的远程监控系统

利用互联网技术远程连线整线所有PLC，对整线及各个单机设备的开机率、故障率、运行状况、现场故障原因及隐患实施远程实时监控，远程实时修改PLC控制软件。系统包括一组与现场设备控制系统的PLC相连的现场通讯终端、以及远程控制终端与服务器。

2.4 整线方案中的关键电气控制系统

（1）瓷砖品质色号信息跟踪技术

用于在人工录入瓷砖的品质色号信息后实时跟踪每一片瓷砖或其所属砖垛的位置、并根据分选包装的工序流程发出相应的控制指令。

（2）现场故障实时诊断分析技术

用于设备常见故障的实时诊断并提出解决方案。将所有故障分成两个危害等级：暂时可以维持设备运行的警示级和必须立即停机的危险级，系统将在人机操作界面显示屏上显示故障的可能原因并提出解决方案，同时根据故障危害等级发出不同的灯号警示。

（3）基于以太网的远程监控技术

用于远程登录客户现场设备的控制系统，实时监测PLC工作状态，分析故障原因，更改控制程序。系统采用以太网技术和移动互联网平台建立远程连接与通讯。

3 研制过程中的技术难点及解决办法

（1）瓷砖品质色号信息跟随与抗人为干扰技术

在瓷砖经过品质色号检验并将信息录入控制系统后，需要实时跟踪瓷砖或者砖垛的输送位置并将瓷砖或者砖垛连同其品质色号信息同步传送到下游设备。在此过程中，由于现场出现的各种意外原因而引发人工下载个别瓷砖或砖垛，导致瓷砖或砖垛的品质色号信息对应关系发生错乱。如采用通常的列队传送信息方式，需要人工干预信息队列，重新恢复对应关系，其过程冗长费时、容易出错，且不易及时发现与纠正。为此开发的地址传递与信息追随技术，具有较强的抗人为干扰能力，较好地满足了现场偶尔发生的人工干预需求。

（2）翻面后的抛光（抛釉）砖防污输送技术

为满足面对面的叠砖方式要求，需要在叠砖之前将部分瓷砖做翻面处理。由于经过抛光或抛釉加工的新鲜成品瓷砖其表面抗污能力较弱，当翻面后用传统线架输送时容易在瓷砖表面留下污渍。为此专门开发使用了专利输送技术：锥辊输送线架，在输送翻面后的瓷砖时只有瓷砖边缘与输送线架接触，最大程度地降低了污损砖面的可能性。

（3）经过磨边的大规格瓷砖分选输送技术

为满足多工位分选叠砖要求，需要以夹持输送的方式使每片瓷砖依次通过各个叠砖工位的上方并根据分选要求释放到指定的叠砖工位上。由于经过磨边加工的新鲜成品瓷砖其侧面湿滑，并且大规格瓷砖的自重较大，当采用传统的依靠皮带在瓷砖侧面形成的夹持摩擦力夹持并输送瓷砖时，难以保证夹持瓷砖的可靠性，容易发生掉砖卡砖问题。为此专门开发使用了新型钩轮输送技术：以带有一组突出下缘的皮带轮夹握并勾住瓷砖侧面的水平皮带输送通道，在瓷砖到达指定叠砖工位的上方时向外侧抽出有凸缘的皮带轮，使瓷砖自由下落到叠砖工位上，以此实现瓷砖的分选叠砖功能。

（4）瓷砖分选叠砖中的叠砖工位动态分配技术

由于单个叠砖工位的最大产能通常不能满足叠砖机的最大产能要求，因此当某种品质色号的瓷砖产量占比很大时，往往需要为其指定两个叠砖工位共同承担其产量。为此在叠砖机的控制软件中专门开发使用了叠砖工位动态分配控制技术，可以根据瓷砖的品质色号产量实时占比，动态调度叠砖工位。

（5）砖垛或砖包搬运机械臂夹头的多规格兼容技术

由于建筑陶瓷市场环境的变化，为满足销售的多样性需求，瓷砖生产过程中的规格切换也越来越频繁。为此专门开发使用了新型多规格兼容夹头，采用无级可调结构，一种夹头型号可适用于多种瓷砖规格。

（6）磚垛或砖包旋转与翻面装置的多规格兼容技术

传统的砖垛或砖包旋转与翻面装置通常只能适用于一两种瓷砖规格，无法满足包装线的多规格兼容性要求。为此专门开发使用了新型专利技术：具有多规格兼容能力的砖垛或砖包旋转与翻面装置。

（7）瓷砖包装捆扎装备的多规格兼容技术

传统的瓷砖包装捆扎装备通常只能适用于一两种瓷砖规格，为满足包装线的多规格兼容性要求专门开发专利技术：具有多规格兼容能力的砖垛理直切分机构、塑料包角置放机构和纸板折叠成箱机构，大幅扩展了包装捆扎装备的多规格兼容能力。

（8）瓷砖包装捆扎装备的双层纸板包角技术

随着环境保护意识及相关法规的不断强化，瓷砖包装的环保要求越来越高。传统的采用塑料包角防护瓷砖的包装方式由于使用了不可降解材料，面临着逐渐被淘汰的前景。一种新型包装方式：采用双层对折纸板代替塑料包角防护瓷砖四角，已经开始得到部分海外客户的重视与应用。为满足这种新型包装方式的需求，专门开发使用了新型专利技术：具有对折耳片功能，可在纸箱四角形成双层纸板防护功能的纸箱成型机构，为未来的瓷砖包装环保技术的应用与推广建立了装备基础。

（9）砖包在物流托盘上的多层堆垛技术

随着包装线多规格兼容性要求的提高，对堆垛机堆垛方式的多样性也提出了兼容要求。为此专门开发使用了具有可翻转功能的砖包夹头以及具有多层堆垛功能的翻托机构，以满足在物流托盘上以多种拼砌模式与叠摞方式堆叠砖包的需求。

（10）基于以太网的远程监控技术

用于远程登录客户现 场设备的控制系统，实时监测PLC工作状态，分析故障原因，更改控制程序。系统采用以太网技术和移动互联网平台建立远程连接与通讯。

4 产品质量及特性

4.1 产品主要性能指标

该项目具有单位产值能耗低、更能大量节省用人成本、设备投入少、适应性强，能适应国内各种生产环境等优点，该产品主要技术与性能指标见表1。

4.2 产品质量及优势

该产品以GB5226.1-2002《机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》标准和企业标准Q/DJ 1-2016《墙地砖自动分选包装线》为依据，主要与国内外墙地砖包装同样产品的设备参数进行比较得出结论。见表2。

从表2参数比较看出，我司的多品质色号瓷砖自动分选包装直连线具有以下特性：

（1）单位产值能耗低

墙地砖直连自动包装生产成套设备能耗值为265.1 KWh，与国内其他包装生产设备相比最大节约超过40%。

（2）大量节省用人成本

运用我司提供的直连自动包装技术，大大减少整条生产线用人数量，减低劳动强度，节省企业用人成本，提高企业经济效益。

（3）生产设备投入少

通过多品质色号自动分选包装技术，极大提高设备自动化运行程度，可实现多色号瓷砖智能分配，实现生产、包装、堆垛全自动化生产，提高设备的利用率，降低设备投入成本。

（4）适应性强，应用范围广

我司是针对国内墙地砖的特殊物流环境和包装技术要求再次提升改造进行研制，有效解决国内外墙地砖包装技术问题，应用范围广，适应性强，适应国内外各种墙地砖包装生产环境。

5 产品特点

（1）采用直连自动包装技术，可以提高设备自动化程度，可实现多色号瓷砖智能分配;

（2） 通过墙地砖防护包角的自动化装置，克服瓷砖包装自动化在国内应用普及的最大障碍，为陶瓷生产企业在瓷砖包装环节实现自动化，从而降低劳动强度、改善用工环境及降低生产成本创造条件;

（3）基于互联网的工业远程控制监控技术能实时监控远程客户现场的设备状态和生产状态，解决国内复杂网络环境的网络寻址困难问题，实现了同时对PLC及HMI的监控，自动化程度高，提高服务质量和降低售后服务成本。

6 主要创新点

多品质色号瓷砖自动分选包装直连线为国内首创，适应中国及东南亚各国的陶瓷包装生产模式，已获得专利授权12项，其中国家发明专利3项，实用新型专利9项。

该产品主要有以下几个方面创新：

（1）实现了不同色号品质产品的自动分选和多工位缓存的功能。与国外现有的采用多工位堆垛装备实现分品质色号在不同的托盘上堆垛砖包工序不同，采用在包装工序之前首先对不同品质色号的瓷砖分选叠摞，并按瓷砖的品质色号下载到多个缓存通道上分类编组，编组数量以单个托盘的承载数量为基准。经过编组的瓷砖以单个托盘的承载量为一组，重新上载完成包装堆垛工序。本文所采用的工序能够有效解决国外现有的多工位堆垛装备不能适用于国内流行的大规格瓷砖箱包的问题，同时，项目的实施能够充分利用行业现有的自动包装及堆垛装备，降低现有装备改造成本。

（2）采用本文工序，不需要整线全程跟踪定位瓷砖（砖垛）及其品质色号信息，能够有效减少人为干扰环节，降低瓷砖定位及信息传递系统成本。瓷砖成组工序所具有的瓷砖大容量缓存功能，能够从容应对现场的突发故障，有效提升整线工作的可靠性。

（3）叠砖工序采用独创的勾夹输送技术，能够有效适应行业流行的经过磨边加工的大规格瓷砖产品，输送功能稳定可靠，叠砖释放功能快捷轻柔。

（4）包装工序采用独创的多规格兼容技术，能够适应建陶行业向多品种多规格小批量定制化产品结构的转型需求。

（5）堆垛工序采用独创的并垛翻托技术，能够满足多种规格的砖包单层堆垛或多层堆垛的需求。

（6）可在包装工序前后组合独创的砖垛翻转或砖包翻转功能，满足用户的特殊的包装要求或堆垛要求。

7 结 语

本研发项目在行业内属技术首创，在流水线上完成瓷片分选叠砖-砖垛分类编组-砖垛包装捆扎-砖包堆垛作业的思路和方法，大幅提高了瓷砖分选包装工序的自动化水平，为未来中国建陶行业生产模式的转型升级创造了较好的技术条件，将影响陶瓷和石材行业的发展方向，提高陶瓷和石材企业自动化应用水平。

该成套设备的成功研发，再次大幅度地减少了企业对于人力的依赖，减少人工劳动强度，保护劳动者身体健康，提高社会经济效益。