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摘 要：介绍了自动码垛机的概念、分类，重点阐述了葡萄酒灌装线码垛机的结构、工作过程及原理，分析了葡萄酒灌装过程中自动码垛机在对小箱（1×6瓶）进行码垛后出现的掉箱现象的原因，并进行了技术改造。改造后在不增加托盘尺寸的条件下，每垛箱子数量由120箱增加到145箱，提高了箱垛的稳定性，大大降低了掉箱的概率，同时减少了仓库存储的占地面积。
关键词：葡萄酒；灌装线；自动码垛机
中图分类号：TS223 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.014
1980年以前，码垛工作都是由人工堆垛，工业化生产规模的扩大促使了码垛自动化的发展，加快了物流的速度，保护了工人的安全和健康，同时也能获得整齐一致的物垛，减少物料的破损和浪费[1]。码垛机的出现，在很大程度上解决了制造速度快而搬运速度慢的矛盾，也解决了重载货物的码垛问题，同时码垛的质量也大大提高[2]。
自动码垛机是葡萄酒灌装线上的重要生产设备，它是机、电一体化高新技术产品，它的快慢直接影响到整条灌装线的效率。码垛机码放箱子的形式和层数直接影响码放箱数和箱垛的稳定性及外观。公司现有的自动码垛机在对小箱（1×6瓶）进行码垛时，因为排列方式不够合理，造成箱体间缝隙过大，从而出现掉箱现象，故对它进行技术改造十分必要。
1 码垛机的概念及分类
1.1 码垛机的概念
码垛就是按照集成单元化的思想，将单一的物件，按照一定的模式，一件件地堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动。所谓码垛机是把已包装的料袋或料箱按一定的排列模式自动编组、自动堆码成所需垛形以便摆放和运输。
1.2 码垛机的分类
目前应用的自动码垛机有3种：机器人码垛机、真空头式码垛机和排式码垛机。
机器人码垛机又可分为关节式、笛卡耳式和龙门式3种。高度柔性是机器人码垛机的一个基本特征，然而，机器人也在向着高速化和高载化方向发展。
真空头式码垛机使用启动吸盘吸附每层物料，然后将物料抬起并转移放置于托盘上。在吸盘动作前，物料产品必须首先形成排层，所以这种类型的码垛设备常配设编组区。
排式码垛机根据进箱方式的不同又可分为高位式和低位式码垛机。根据生产环境和空间条件，葡萄酒灌装线上普遍采用低位式码垛机。对于低位式来说，物料以接近地面的高度送入，成层后的物料放在升降车上，通过升降车的升降运动将层料送到相应高度，再通过滑动小车将层料叠放在托盘或其他层料上。低位式码垛机以其高速处理能力和运行可靠而著称，操作人员易于监视其运行情况。
2 灌装线码垛机的构成及其功能
葡萄酒灌装线自动码垛机主要由空盘输送机、箱子输入传送带、箱子转向装置、规整排列装置、单层箱子缓冲装置、滑动小车、升降机和箱垛输送机组成。
托盘输送装置：存储一定量的托盘，自动完成空托盘输送至码垛位置。
箱子输入传送带：其作用是将装满容器的箱子输送到码垛机的箱子转向装置入口处。
箱子转向装置：为码垛机的重要装置，是由气缸、电磁阀、滑轮板、挡轴组成。使箱子在水平方向上转向90度，达到层与层的箱子之间叠压均匀、箱垛稳固的效果。
箱子规整排列装置：主要由推箱板、滚筒输送带及若干空间隔板（下面简称“隔板”）组成，功能是根据程序规整排列每排箱子的准确位置，并推送至单层箱子缓冲装置中。
单层箱子缓冲装置：是由链条、推箱杆、挡箱杆、滚筒输送带（无动力）电机、限位传感器组成。推箱链条上装有两根金属杆，一根作为推箱杆，另一根作为挡箱杆，相位相差180度，链条转动半周，两根金属杆功能交替使用。当箱子达到设定的排数时形成单层垛形，链条上的推箱杆推动单层箱子送入升降码垛装置的滑动小车上。
升降码垛装置：是由升降架、电机、链条、高低限位传感器、层夹紧装置、滑动小车等组成。功能是将滑动小车上码好的单层箱子送放至空托盘或者其他箱层上。
箱垛输送机：将码好的箱垛由码垛位置输送至无动力滚筒输送带上，以备叉车运走。
3 灌装线码垛机的工作过程及原理
（1）箱子进入到输入传送带上，入口处的光电管感应到有箱子进入时，箱子滚筒传送带启动，箱子被输送到转向装置位置时，触发计数光电管，程序根据箱子码放的形式，控制入箱的数目来启停箱子输入传送带。根据程序设定的要求，每当需要将箱子转成90度时，转向装置的气缸带动挡板回退，箱子的一个边角与挡轴碰撞后，并在滚筒传送带作用下，箱子围绕挡轴立即转向90度；如果箱子无需转向时，滑轮板伸出，使箱子避开挡轴，箱子不进行转向直接进入规整排列装置。
（2）箱子进入规整排列装置后，安装在滚筒间的隔板根据程序设定的要求，使箱子与箱子之间形成必要的间隔距离，以保证每排箱子的长度与托盘的长度相符合。每当箱子达到设定的数目形成一排时，滚筒传送带和箱子输入传送带同时停止，推箱板将排列好的一排箱子推入单层缓冲装置中，然后推箱板返回初始位置，准备推送下一排箱子，直至达到程序要求的每层的排数。当单层缓冲装置中的箱子达到规定的排数形成单层垛形，推箱链条开始启动，带动推向杆将每层箱子送至滑动小车上。
（3）当滑动小车装满一层箱子后，升降车启动，将滑动小车送到相应的高度，然后滑动小车沿水平方向向码垛位置滑动，加紧装置将这层箱子前后左右加紧，此时托盘经空盘输送机输送到滑动小车下方，滑动小车水平反向运动，加紧装置放开，箱子平稳地放到托盘。之后升降电机再次启动，使滑动小车的高度与单层缓冲装置台面齐平，如此往复，直至达到程序规定的层数。最后升降装置上升到最高处，箱垛输送机启动，将箱垛输送到无动力滚筒输送带上，以便叉车运至仓库。
4 灌装线码垛机在生产中存在的问题 葡萄酒灌装线的自动码垛机在生产过程中主要对大箱（1×12瓶）和小箱（1×6瓶）两种规格的箱子进行码垛。在对大箱进行码垛时，因为大箱的底面积大，每层的箱数少，所以大箱的垛形结构稳定性好。而在对小箱进行码垛时，由于箱子的尺寸较小（底面积小），且每层箱子排列的结构较松散，缝隙较大，所以箱垛在无动力滚筒传送带上滑行时和被叉车转运过程中容易出现掉箱现象，这说明码垛机编排箱子的程序设计不够合理，故对小箱的码垛技术进行改造，使箱与箱之间的缝隙减少，层与层之间的堆叠稳定性提高，以避免运输中掉箱问题的出现。
5 灌装线码垛机新的设计方案和措施
5.1 改善方案
改造前每层箱子分4排，每排6箱，每层24箱，层数为5层，每垛120箱，具体每层箱子的排列方式如图1和图2所示。
经过对原来码垛的排列结构进行分析研究得出，造成掉箱的直接原因是每层箱子交错排列形式不够合理，箱子之间缝隙大，同时影响上下层叠压时的压缝效果，最终导致箱垛的不稳定。
为改善这种状态，对多种排列方案进行多次人工码垛试验，最后确定了新的箱垛排列方案：每层5排，共29个箱子：第1、5排为7个箱子，第2、3、4排为5个箱子；每垛5层，共145个箱子，具体每层箱子的排列方式如图3和图4所示。这种码垛方案的优点是：在不增加托盘尺寸的条件下，增加了每层箱子的码放数量，减少了箱子之间的缝隙，提高了箱垛结构的稳定性。
5.2 具体措施
为实现改善后中的码垛方案（如图3和图4所示），主要进行了两方面的改造：一是在原规整排列装置中增加了一套隔板装置，该装置由电磁阀和气缸组成，并在PLC输出模块上增加了与之对应的输出控制点；二是在原程序中对有关垛形排列的程序和数据块进行修改。
（1）规整排列装置隔板的改造。原装置中安装了4个隔板，编号为1、2、3、4，每个隔板的位置由各种箱子的码垛方案确定，按照程序的命令分别组合使用，可以得到不同的码垛形式。在改善后的新码垛方案中，由于1、2、3号隔板位置不能满足其要求，需增加一套隔板并编号为5号，位置确定在1和2号隔板之间，在此方案中，只使用4、5两套隔板，就可以较好地实现改善后的码垛方案要求。
（2）PLC程序和数据的修改。经过对码垛机的PLC程序分析，每种码垛形式都有一个与之对应的数据块，程序数据块的调用可以使每个箱子按照码垛形式设计要求，通过转向装置和隔板装置来完成垛形排列过程。改造前的码垛形式对应的数据块为DB2，如表1所示。
为了实现改善后的码垛方案，编写了与之对应新的数据块，编号为DB6，如表2所示。在DB6中包括每层29个箱子的所需数据，每一个箱子对应一个16进制的字，当有箱子进入时，根据这个字可以控制箱子转向装置电磁阀EV2、隔板4、5和电磁阀EV16、EV12的工作状态，以及输入传送带和推箱装置电机的启停。程序执行DB6数据块时转向和隔板装置的工作情况：按照图3和图4的方案，当1、2、3、4、5、6、13、17、24、25、26、27、28、29号箱子进入时，EV2工作，使得箱子进行90度转向；当7、8、9、10、11、12、14、15、16、18、19、20、21、22、23号箱子进入时，EV2不工作，箱子不转向；当第2排9号、第3排14号、第4排19号箱子进入时，电磁阀EV12工作，隔板5伸出；当第3排17号箱子进入时，电磁阀EV16工作，隔板4伸出。
根据新码垛方案的需要，在功能块FC11中增加了隔板5电磁阀的控制程序，隔板5电磁阀对应的PLC输出点为Q16.4，新增加的Q16.4的控制程序如图5所示。
6 结 论
葡萄酒码垛是葡萄酒灌装线的最后一个环节，也是决定灌装速度和质量的一个关键环节，由于之前的自动码垛机在对小箱子（1×6瓶）进行码垛后容易出现掉箱的现象，故对其进行了必要的技术改造。经过实际大生产的验证，改造后的码垛形式更加合理，在不增加托盘尺寸的条件下，箱子的码放数量由120箱增加到145箱，提高了箱垛的稳定性，使掉箱的概率大大降低，同时减少了仓库存储的占地面积。此外，为进一步增加箱垛的稳定性，可以在箱垛的最上层用打包带固定效果更好。
参考文献：
[1] 杨汉行.MDJ1600H码垛机器人技术综述[J].中国化工装备，2002（1）：40-43.
[2] 白智生，火兴三，陈兴忠，等.高档干化葡萄酒产区和品种的选择[J]. 天津农业科学，2012（2）：126-129.
[3] 贺晋瑜.酚类物质对葡萄酒品质的影响[J].山西农业科学，2012（10）：1 118-1 120.
[4] 赵丽芹，邓俊玲，张举，等.内蒙古西部区葡萄生产与贮加现状及问题[J].内蒙古农业科技，2000（1）：30-31.
[5] 陈兴忠，白智生，周晓芳，等.葡萄酒灌装体系的完善与优化[J].天津农业科学，2012（4）：20-22.
[6] 温鹏飞，郑蓉，牛铁泉，等.延迟采收对赤霞珠葡萄果实品质的影响[J]. 山西农业科学，2011，17（12）：1 281-1 283，1 290.
[7] 李飞，武月红，王学功.葡萄生产中的抗寒与抗病[J].内蒙古农业科技，2003（6）：34-35.
[8] 郭洁，孙权，张晓娟，等.生物有机肥对酿酒葡萄生长、养分吸收及产量品质的影响[J].河南农业科学，2012（12）：76-80，84.
[9] 沈传进.对乌海市葡萄产业发展的再认识[J].华北农学报，2006（S）：62-65.
[10] 商佳胤，田淑芬，朱志强，等.采收时间对玫瑰香葡萄果实品质及芳香化合物组分的影响[J].华北农学报，2013（1）：155-162.
[11] 范江艳.板材码垛机器人目标的视觉识别[D].南京：东南大学，2006.
关键词：葡萄酒；灌装线；自动码垛机
中图分类号：TS223 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.014
1980年以前，码垛工作都是由人工堆垛，工业化生产规模的扩大促使了码垛自动化的发展，加快了物流的速度，保护了工人的安全和健康，同时也能获得整齐一致的物垛，减少物料的破损和浪费[1]。码垛机的出现，在很大程度上解决了制造速度快而搬运速度慢的矛盾，也解决了重载货物的码垛问题，同时码垛的质量也大大提高[2]。
自动码垛机是葡萄酒灌装线上的重要生产设备，它是机、电一体化高新技术产品，它的快慢直接影响到整条灌装线的效率。码垛机码放箱子的形式和层数直接影响码放箱数和箱垛的稳定性及外观。公司现有的自动码垛机在对小箱（1×6瓶）进行码垛时，因为排列方式不够合理，造成箱体间缝隙过大，从而出现掉箱现象，故对它进行技术改造十分必要。
1 码垛机的概念及分类
1.1 码垛机的概念
码垛就是按照集成单元化的思想，将单一的物件，按照一定的模式，一件件地堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动。所谓码垛机是把已包装的料袋或料箱按一定的排列模式自动编组、自动堆码成所需垛形以便摆放和运输。
1.2 码垛机的分类
目前应用的自动码垛机有3种：机器人码垛机、真空头式码垛机和排式码垛机。
机器人码垛机又可分为关节式、笛卡耳式和龙门式3种。高度柔性是机器人码垛机的一个基本特征，然而，机器人也在向着高速化和高载化方向发展。
真空头式码垛机使用启动吸盘吸附每层物料，然后将物料抬起并转移放置于托盘上。在吸盘动作前，物料产品必须首先形成排层，所以这种类型的码垛设备常配设编组区。
排式码垛机根据进箱方式的不同又可分为高位式和低位式码垛机。根据生产环境和空间条件，葡萄酒灌装线上普遍采用低位式码垛机。对于低位式来说，物料以接近地面的高度送入，成层后的物料放在升降车上，通过升降车的升降运动将层料送到相应高度，再通过滑动小车将层料叠放在托盘或其他层料上。低位式码垛机以其高速处理能力和运行可靠而著称，操作人员易于监视其运行情况。
2 灌装线码垛机的构成及其功能
葡萄酒灌装线自动码垛机主要由空盘输送机、箱子输入传送带、箱子转向装置、规整排列装置、单层箱子缓冲装置、滑动小车、升降机和箱垛输送机组成。
托盘输送装置：存储一定量的托盘，自动完成空托盘输送至码垛位置。
箱子输入传送带：其作用是将装满容器的箱子输送到码垛机的箱子转向装置入口处。
箱子转向装置：为码垛机的重要装置，是由气缸、电磁阀、滑轮板、挡轴组成。使箱子在水平方向上转向90度，达到层与层的箱子之间叠压均匀、箱垛稳固的效果。
箱子规整排列装置：主要由推箱板、滚筒输送带及若干空间隔板（下面简称“隔板”）组成，功能是根据程序规整排列每排箱子的准确位置，并推送至单层箱子缓冲装置中。
单层箱子缓冲装置：是由链条、推箱杆、挡箱杆、滚筒输送带（无动力）电机、限位传感器组成。推箱链条上装有两根金属杆，一根作为推箱杆，另一根作为挡箱杆，相位相差180度，链条转动半周，两根金属杆功能交替使用。当箱子达到设定的排数时形成单层垛形，链条上的推箱杆推动单层箱子送入升降码垛装置的滑动小车上。
升降码垛装置：是由升降架、电机、链条、高低限位传感器、层夹紧装置、滑动小车等组成。功能是将滑动小车上码好的单层箱子送放至空托盘或者其他箱层上。
箱垛输送机：将码好的箱垛由码垛位置输送至无动力滚筒输送带上，以备叉车运走。
3 灌装线码垛机的工作过程及原理
（1）箱子进入到输入传送带上，入口处的光电管感应到有箱子进入时，箱子滚筒传送带启动，箱子被输送到转向装置位置时，触发计数光电管，程序根据箱子码放的形式，控制入箱的数目来启停箱子输入传送带。根据程序设定的要求，每当需要将箱子转成90度时，转向装置的气缸带动挡板回退，箱子的一个边角与挡轴碰撞后，并在滚筒传送带作用下，箱子围绕挡轴立即转向90度；如果箱子无需转向时，滑轮板伸出，使箱子避开挡轴，箱子不进行转向直接进入规整排列装置。
（2）箱子进入规整排列装置后，安装在滚筒间的隔板根据程序设定的要求，使箱子与箱子之间形成必要的间隔距离，以保证每排箱子的长度与托盘的长度相符合。每当箱子达到设定的数目形成一排时，滚筒传送带和箱子输入传送带同时停止，推箱板将排列好的一排箱子推入单层缓冲装置中，然后推箱板返回初始位置，准备推送下一排箱子，直至达到程序要求的每层的排数。当单层缓冲装置中的箱子达到规定的排数形成单层垛形，推箱链条开始启动，带动推向杆将每层箱子送至滑动小车上。
（3）当滑动小车装满一层箱子后，升降车启动，将滑动小车送到相应的高度，然后滑动小车沿水平方向向码垛位置滑动，加紧装置将这层箱子前后左右加紧，此时托盘经空盘输送机输送到滑动小车下方，滑动小车水平反向运动，加紧装置放开，箱子平稳地放到托盘。之后升降电机再次启动，使滑动小车的高度与单层缓冲装置台面齐平，如此往复，直至达到程序规定的层数。最后升降装置上升到最高处，箱垛输送机启动，将箱垛输送到无动力滚筒输送带上，以便叉车运至仓库。
4 灌装线码垛机在生产中存在的问题 葡萄酒灌装线的自动码垛机在生产过程中主要对大箱（1×12瓶）和小箱（1×6瓶）两种规格的箱子进行码垛。在对大箱进行码垛时，因为大箱的底面积大，每层的箱数少，所以大箱的垛形结构稳定性好。而在对小箱进行码垛时，由于箱子的尺寸较小（底面积小），且每层箱子排列的结构较松散，缝隙较大，所以箱垛在无动力滚筒传送带上滑行时和被叉车转运过程中容易出现掉箱现象，这说明码垛机编排箱子的程序设计不够合理，故对小箱的码垛技术进行改造，使箱与箱之间的缝隙减少，层与层之间的堆叠稳定性提高，以避免运输中掉箱问题的出现。
5 灌装线码垛机新的设计方案和措施
5.1 改善方案
改造前每层箱子分4排，每排6箱，每层24箱，层数为5层，每垛120箱，具体每层箱子的排列方式如图1和图2所示。
经过对原来码垛的排列结构进行分析研究得出，造成掉箱的直接原因是每层箱子交错排列形式不够合理，箱子之间缝隙大，同时影响上下层叠压时的压缝效果，最终导致箱垛的不稳定。
为改善这种状态，对多种排列方案进行多次人工码垛试验，最后确定了新的箱垛排列方案：每层5排，共29个箱子：第1、5排为7个箱子，第2、3、4排为5个箱子；每垛5层，共145个箱子，具体每层箱子的排列方式如图3和图4所示。这种码垛方案的优点是：在不增加托盘尺寸的条件下，增加了每层箱子的码放数量，减少了箱子之间的缝隙，提高了箱垛结构的稳定性。
5.2 具体措施
为实现改善后中的码垛方案（如图3和图4所示），主要进行了两方面的改造：一是在原规整排列装置中增加了一套隔板装置，该装置由电磁阀和气缸组成，并在PLC输出模块上增加了与之对应的输出控制点；二是在原程序中对有关垛形排列的程序和数据块进行修改。
（1）规整排列装置隔板的改造。原装置中安装了4个隔板，编号为1、2、3、4，每个隔板的位置由各种箱子的码垛方案确定，按照程序的命令分别组合使用，可以得到不同的码垛形式。在改善后的新码垛方案中，由于1、2、3号隔板位置不能满足其要求，需增加一套隔板并编号为5号，位置确定在1和2号隔板之间，在此方案中，只使用4、5两套隔板，就可以较好地实现改善后的码垛方案要求。
（2）PLC程序和数据的修改。经过对码垛机的PLC程序分析，每种码垛形式都有一个与之对应的数据块，程序数据块的调用可以使每个箱子按照码垛形式设计要求，通过转向装置和隔板装置来完成垛形排列过程。改造前的码垛形式对应的数据块为DB2，如表1所示。
为了实现改善后的码垛方案，编写了与之对应新的数据块，编号为DB6，如表2所示。在DB6中包括每层29个箱子的所需数据，每一个箱子对应一个16进制的字，当有箱子进入时，根据这个字可以控制箱子转向装置电磁阀EV2、隔板4、5和电磁阀EV16、EV12的工作状态，以及输入传送带和推箱装置电机的启停。程序执行DB6数据块时转向和隔板装置的工作情况：按照图3和图4的方案，当1、2、3、4、5、6、13、17、24、25、26、27、28、29号箱子进入时，EV2工作，使得箱子进行90度转向；当7、8、9、10、11、12、14、15、16、18、19、20、21、22、23号箱子进入时，EV2不工作，箱子不转向；当第2排9号、第3排14号、第4排19号箱子进入时，电磁阀EV12工作，隔板5伸出；当第3排17号箱子进入时，电磁阀EV16工作，隔板4伸出。
根据新码垛方案的需要，在功能块FC11中增加了隔板5电磁阀的控制程序，隔板5电磁阀对应的PLC输出点为Q16.4，新增加的Q16.4的控制程序如图5所示。
6 结 论
葡萄酒码垛是葡萄酒灌装线的最后一个环节，也是决定灌装速度和质量的一个关键环节，由于之前的自动码垛机在对小箱子（1×6瓶）进行码垛后容易出现掉箱的现象，故对其进行了必要的技术改造。经过实际大生产的验证，改造后的码垛形式更加合理，在不增加托盘尺寸的条件下，箱子的码放数量由120箱增加到145箱，提高了箱垛的稳定性，使掉箱的概率大大降低，同时减少了仓库存储的占地面积。此外，为进一步增加箱垛的稳定性，可以在箱垛的最上层用打包带固定效果更好。
参考文献：
[1] 杨汉行.MDJ1600H码垛机器人技术综述[J].中国化工装备，2002（1）：40-43.
[2] 白智生，火兴三，陈兴忠，等.高档干化葡萄酒产区和品种的选择[J]. 天津农业科学，2012（2）：126-129.
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[4] 赵丽芹，邓俊玲，张举，等.内蒙古西部区葡萄生产与贮加现状及问题[J].内蒙古农业科技，2000（1）：30-31.
[5] 陈兴忠，白智生，周晓芳，等.葡萄酒灌装体系的完善与优化[J].天津农业科学，2012（4）：20-22.
[6] 温鹏飞，郑蓉，牛铁泉，等.延迟采收对赤霞珠葡萄果实品质的影响[J]. 山西农业科学，2011，17（12）：1 281-1 283，1 290.
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[8] 郭洁，孙权，张晓娟，等.生物有机肥对酿酒葡萄生长、养分吸收及产量品质的影响[J].河南农业科学，2012（12）：76-80，84.
[9] 沈传进.对乌海市葡萄产业发展的再认识[J].华北农学报，2006（S）：62-65.
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[11] 范江艳.板材码垛机器人目标的视觉识别[D].南京：东南大学，2006.