瓦楞紙箱自動包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計

顧文斌，李 卓，李育鑫，張曉武，錢煜暉

（河海大學(xué) 機電學(xué)院，常州 213022）

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，國民網(wǎng)購的需求與日俱增，人工包裝包裹的壓力越來越大，且人工包裝的效率較低，包裝質(zhì)量無法保證。當(dāng)前，隨著自動化技術(shù)的提升，我國紙箱自動封裝行業(yè)取得了較大進步，但自動封裝機仍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，且多針對單一規(guī)格單一工序，自動化程度低，控制系統(tǒng)成本高等缺點[1-3]。文獻[4]通過對飲料自動化生產(chǎn)線中的紙箱包裝工藝流程和控制原理的分析，研究了與紙箱包裝的運動控制和包裝控制相關(guān)的各個環(huán)節(jié)；文獻[5]設(shè)計了裝封箱機的自動調(diào)節(jié)封膠帶裝置，采用接近開關(guān)和電機的配合，實現(xiàn)了膠帶松緊的自動調(diào)節(jié)，保證了煙箱封箱質(zhì)量；文獻[6]基于PLC采用步進梯形圖語言，研究了青貯料裝袋機的控制系統(tǒng)；文獻[7]以8013單片機為控制核心，設(shè)計了工業(yè)產(chǎn)品計數(shù)裝置，全面實現(xiàn)了工業(yè)流水線的產(chǎn)品包裝和計數(shù)工作；文獻[8]利用PLC作為控制核心，以F701稱重儀為測量裝置，實現(xiàn)了對來自結(jié)片機的苯酐物料進行自動定量包裝并輸送至碼垛機組單元的控制功能。然而，針對自動包裝所進行的相關(guān)研究尚未能完全實現(xiàn)紙箱的全自動封裝[9-12]。為高效完成紙箱封裝，并解決人工包裝的諸多問題，開發(fā)一套具有良好適應(yīng)性與穩(wěn)定性的自動封裝機控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 紙箱自動封裝機

1.1 封裝機的結(jié)構(gòu)

瓦楞紙箱自動封裝機的執(zhí)行機構(gòu)主要由進料機構(gòu)、送料機構(gòu)、成箱機構(gòu)、葉片折彎機構(gòu)、膠帶封箱機構(gòu)5個部分構(gòu)成。其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瓦楞紙箱自動封裝機結(jié)構(gòu)Fig.1 Corrugated boxes automatic packaging machine structure

自動封裝機的進料機構(gòu)采用皮帶、輪輥結(jié)構(gòu)，主動輪輥上的伺服電機通電，帶動皮帶轉(zhuǎn)動，將物料送到送料機構(gòu)處；送料機構(gòu)貫穿整個包裝過程，通過電動推桿的伸縮帶動四級伸縮架上下升降，從而將紙箱送至不同的工位完成不同的工序；成箱機構(gòu)處的夾持爪可根據(jù)預(yù)設(shè)的紙箱尺寸，向紙箱方向行進，在紙箱側(cè)棱處施加擠壓力，使扁平紙箱開箱，并且實現(xiàn)對紙箱的夾持，同時該機構(gòu)還可以實現(xiàn)紙箱姿勢調(diào)整；葉片折彎機構(gòu)處4個壓板依次下壓，可將紙箱底部、頂部的4個葉片沿折痕彎折；膠帶封箱機構(gòu)將膠帶貼合到紙箱側(cè)壁后，整個機構(gòu)行走在絲杠上，膠帶在壓力作用下不斷黏合到封口處，直至刀片處設(shè)置的光電傳感器檢測到與紙箱之間的距離超過預(yù)設(shè)范圍，刀片下降切斷膠帶。

1.2 紙箱自動封裝的流程

未經(jīng)開箱的扁平紙箱經(jīng)人工檢查后放置到進料機構(gòu)處，到達升降臺后，升降臺上升，物料輸送到成箱區(qū)，夾持爪夾持紙箱并在紙箱側(cè)楞施加壓力從而完成紙箱開箱。然后，紙箱被運送到折彎區(qū)，壓板順次下壓使得紙箱大小葉片依次折彎。升降臺繼續(xù)上升，物料被輸送至膠封區(qū)完成紙箱一面的封口，此后升降臺下降。在成箱區(qū)，夾持爪轉(zhuǎn)動調(diào)整紙箱姿勢，使紙箱180°翻轉(zhuǎn)，最后升降臺再次將物料送至折彎區(qū)、膠封區(qū)完成另一面葉片折彎及封口。

在整個包裝過程中，各類行程開關(guān)、傳感器實時檢測紙箱的位置與姿勢，并將采集信號傳送到控制器中，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)程序和算法從而完成對相應(yīng)電機、電動推桿等的控制。自動封裝機的工藝流程如圖2所示。

圖2 自動封裝機的工藝流程Fig.2 Technological process of automatic packaging machine

1.3 控制方法的選擇

控制系統(tǒng)中常用的方法有繼電器控制、單片機控制以及PLC控制等。其中，繼電器控制接線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護難度大，可靠性差；單片機控制雖然控制能力較高，但是開發(fā)難度大，開發(fā)周期長，并且程序繁瑣不易理解，抗干擾能力不足。PLC是一款以微處理器為核心的工業(yè)自動化設(shè)備。與其他控制器相比，PLC具有功能強大、抗干擾能力較強、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易的特點，在工業(yè)控制領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用[13-15]。為適應(yīng)瓦楞紙箱封裝環(huán)節(jié)的工作環(huán)境，并考慮到自動封裝機的工作特點，選用PLC作為整機的控制系統(tǒng)的控制器進行系統(tǒng)設(shè)計。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)瓦楞紙箱封裝的工藝特點，自動封裝機的控制系統(tǒng)硬件包括PLC及擴展模塊、觸摸屏、伺服電機、電動推桿、光電傳感器、各類行程開關(guān)等。傳感器能夠迅速感應(yīng)紙箱信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳送給CPU，CPU再根據(jù)預(yù)設(shè)算法和程序運算得出相應(yīng)的輸出信號，輸出的電信號控制伺服電機、電動推桿的運行，從而使得設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)動作。PLC控制系統(tǒng)的硬件連接如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)的硬件連接Fig.3 Hardware connection of PLC control system

2.1 PLC

可編程控制器PLC是帶有指令存儲器、數(shù)字或模擬輸入/輸出接口；以位運算為主；能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算功能；面向機器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置。

根據(jù)自動封裝機工藝流程以及控制要求，選用三菱FX2N-32MR型PLC。該型號PLC靈活性、控制能力較強，內(nèi)置8 kB容量的RAM存儲器，最大可擴展到16 kB，可容納大量程序，從而為自動封裝機的控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)提供有力保障；具有16個輸入點，16個輸出點，根據(jù)控制系統(tǒng)需要具備的功能分析和I/O點數(shù)目估算，能夠滿足控制要求，且留有10%～20%余量，便于擴展。

將RS-485通信擴展板安裝于PLC的基本單元上，PLC可以與帶有RS-485接口的外部設(shè)備進行通信，從而實現(xiàn)用戶通過以太網(wǎng)通信與上位計算機進行通信。

2.2 觸摸屏

觸摸屏用于對自動封裝機的運行狀態(tài)和故障的顯示與監(jiān)控。該系統(tǒng)上位機選用威綸TK6050ip系列觸摸屏。

TK6050ip觸摸屏擁有400 MHz的32位RISC處理速度，配置RS-485等多個通信端口，從而能快速與下位機PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信，其供電電壓為常用的直流24 V；擁有較高的性價比，且在較惡劣的工作環(huán)境中，具有較高的穩(wěn)定性，能夠有效實現(xiàn)與下位機之間的通信，從而監(jiān)控與保證紙箱自動封裝機的可靠運行。此外，通過觸摸屏，可以設(shè)定待包裝紙箱的長寬高尺寸、包裝速度等參數(shù)；可以實現(xiàn)封裝機各個工位手動操縱、多個工位聯(lián)動調(diào)試等功能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為提高瓦楞紙箱自動封裝機的智能性、可靠性，并保證自動封裝機的整體性能，控制軟件部分的設(shè)計至關(guān)重要。該自動封裝機的PLC控制系統(tǒng)軟件采用GX Developer進行程序的編程、監(jiān)控、調(diào)試，采用圖形化較好的梯形圖語言進行控制程序的編程。自動封裝機控制系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程Fig.4 Control system main control program flow chart

3.1 子模塊軟件設(shè)計

進料模塊進入工作模式時，主動輪輥伺服電機通電，牽引外圈皮帶將紙箱送入設(shè)備內(nèi)部；紙箱到達升降臺后，觸發(fā)該處接近開關(guān)，送料模塊進入工作模式。由于送料機構(gòu)負責(zé)將物料送至不同工位，在設(shè)定的時間節(jié)點依次為送料機構(gòu)處的電動推桿通電，從而升降臺可到達不同高度的工位，因此送料子程序貫穿整個工作循環(huán)。升降臺上升觸發(fā)成箱機構(gòu)處的行程開關(guān)后，成箱模塊進入工作模式，完成對紙箱的開箱和夾持。成箱模塊流程如圖5所示。

葉片折彎機構(gòu)進入工作模式時，2臺伺服電機依次通電，帶動4個壓板按順序下壓，使得紙箱大小葉片沿折痕彎折，此后電機失電，壓板在彈簧回復(fù)力作用下復(fù)位；升降臺到達膠封工位時，膠封模塊開始工作，完成膠帶貼箱壁、膠帶行走、膠帶切斷等過程。膠封模塊流程如圖6所示。

3.2 上位機軟件開發(fā)

用于系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置以及故障監(jiān)控的TK6050ip觸摸屏的主要功能如下：

圖5 成箱模塊控制流程Fig.5 Boxing module control flow chart

圖6 膠帶密封模塊流程Fig.6 Tape sealing module flow chart

1）狀態(tài)顯示 上位機人機界面實時顯示當(dāng)前傳感器、電機等的運行狀態(tài)，以及已包裝成品的數(shù)量等工藝運行參數(shù)。

2）包裝系列參數(shù)設(shè)置 根據(jù)不同型號紙箱的尺寸，編輯不同的長寬高數(shù)值，通過與PLC交互控制電機通電時長，實現(xiàn)柔性包裝功能。

3）數(shù)據(jù)查詢 為便于了解長期工作的歷史趨勢，在數(shù)據(jù)庫中存放有歷史數(shù)據(jù)，可以方便、精確、快捷地查閱相關(guān)數(shù)據(jù)。

4）報警功能 生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時反饋給上位機，當(dāng)某一參數(shù)數(shù)據(jù)超過設(shè)定范圍或者設(shè)備出現(xiàn)故障時，上位機報警，設(shè)備進入急停狀態(tài)，相關(guān)的報警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中便于查詢。

紙箱自動封裝機人機界面，主要包括初始界面、主控界面、手動界面以及報警界面，部分界面如圖7所示。其中，初始界面用于設(shè)置語言，該軟件設(shè)計有中英文2種語言格式；主控畫面主要用于設(shè)定包裝紙箱的長寬高等尺寸參數(shù)，以及包裝速度的初始賦值；報警界面用于將故障檢測系統(tǒng)監(jiān)測到的故障結(jié)果顯示。

圖7 人機界面Fig.7 Human-machine interface

4 結(jié)語

為了實現(xiàn)紙箱自動封裝的自動化與智能化，提出一種基于PLC的紙箱自動封裝機控制系統(tǒng)，以三菱FX2N-32MR型PLC為控制系統(tǒng)核心，威綸TK6050ip觸摸屏作為上位機，完成了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。在硬件載體的基礎(chǔ)上，采用梯形圖語言設(shè)計了PLC軟件程序，通過給出紙箱自動封裝機的控制主程序流程、子模塊流程以及人機界面，從而使得紙箱自動封裝機實現(xiàn)其預(yù)期功能。經(jīng)過樣機的試運行，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠穩(wěn)定，提高了紙箱包裝效率和包裝質(zhì)量，具有可觀的應(yīng)用前景。