基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線設(shè)計(jì)

張瀚升 汪 童 陳曉曉 魏嘉憶 鄭書娣

([1]上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 200093；[2]上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 上海 200093；[3]上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 上海 200093）

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，到目前自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)包裝，但仍然存在少部分小工廠，利用傳統(tǒng)的人力進(jìn)行流水線包裝。效率低下的同時(shí)耗費(fèi)了大量資源，同時(shí)成品的精準(zhǔn)性，產(chǎn)品規(guī)格一致性也會(huì)收到影響。因此本文設(shè)計(jì)了開發(fā)一種新型的基于 arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線控制系統(tǒng)。能夠分辨產(chǎn)品的不同狀態(tài)，進(jìn)行分類處理，能夠最大程度保證產(chǎn)品相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的一致性與可靠性，可應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，提升生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)硬件環(huán)境

1.1 采用的元器件

電源模塊：220V-24V開關(guān)電源，24V-5V降壓驅(qū)動(dòng)模塊。

主控制器：Arduino Mega 2560開發(fā)板。

主令電器：按鈕開關(guān)，旋轉(zhuǎn)開關(guān)。

反饋原件：光電開關(guān)，限位開關(guān)，狀態(tài)指示燈。

保護(hù)電器：熔斷器，低壓斷路器，熱繼電器。

動(dòng)作機(jī)構(gòu)：滾珠絲杠滑臺(tái)，42步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)：壓板，旋轉(zhuǎn)齒輪，繞線機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)整體硬件模塊圖如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)主控器件和反饋元件控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，完成功能任務(wù)。

圖1：基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線系統(tǒng)整體硬件模塊圖

1.2 系統(tǒng)整體工作設(shè)計(jì)

板球平衡控制系統(tǒng)的框架如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)工位，工位1為初始位置，放置包裝盒用于收集從傳送帶落下的工件，工位2用于壓板按壓折疊，工位3用于纏線包裝，最終完成的產(chǎn)品落入分揀框中，可以通過(guò)自動(dòng)小車運(yùn)走，整個(gè)系統(tǒng)啟停由人工一鍵控制，附帶系統(tǒng)故障保護(hù)方案，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，熱繼電器動(dòng)作，系統(tǒng)暫停，當(dāng)系統(tǒng)短路時(shí)熔斷器動(dòng)作，迅速切斷電路，系統(tǒng)電壓過(guò)低時(shí)低壓斷路器動(dòng)作，進(jìn)行欠壓以及失壓保護(hù)，所有障解除后人工手動(dòng)重啟，從而保證實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定安全操作。

圖2：基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線系統(tǒng)整體工作原理圖

2 系統(tǒng)軟件環(huán)境

系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。對(duì)于三個(gè)工位環(huán)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)不同的自動(dòng)操作控制方案。

3 控制原理及方案設(shè)計(jì)

利用開關(guān)電器進(jìn)行人機(jī)交互指令傳遞，針對(duì)不同工位，實(shí)現(xiàn)不同控制流程，通過(guò)在系統(tǒng)的各個(gè)位置加裝反饋檢測(cè)元件實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)信息，附加保護(hù)系統(tǒng)，整個(gè)過(guò)程一鍵控制，達(dá)到連續(xù)不間斷操作的目的。

3.1 工位1控制方案設(shè)計(jì)

工位1為初始放置位置，首先按下一鍵啟動(dòng)按鈕，滾珠絲杠滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到工位1觸碰到限位開關(guān)Q1后停下，機(jī)械臂180°雙位旋轉(zhuǎn)，將包裝盒抓取放置在滑臺(tái)上，上方傳送帶運(yùn)送零件滑落到包裝盒里面，延時(shí)固定時(shí)間后,零件裝滿包裝盒，隨后進(jìn)入下一階段。

圖3：基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線系統(tǒng)控制流程圖

3.2 工位2控制方案設(shè)計(jì)

工位2為按壓工位，當(dāng)工位1操作結(jié)束后，滾珠絲杠滑臺(tái)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到工位2觸碰到限位開關(guān)Q2后停下，此時(shí)兩側(cè)電機(jī)控制擋板旋轉(zhuǎn)，翻折盒蓋，上方壓板壓下，按壓盒頂，保證包裹完成。延時(shí)固定時(shí)間后進(jìn)入下一階段。

3.3 工位3制方案設(shè)計(jì)

工位3為纏線工位，當(dāng)工位2操作結(jié)束后，滾珠絲杠滑臺(tái)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到工位3觸碰到限位開關(guān)Q3后停下，此時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鐵鉤勾起一側(cè)的線圈至頂部，上方齒輪帶鉤繼續(xù)鉤住線進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)數(shù)圈后，上方的粘帶機(jī)構(gòu)下方，粘住線圈兩側(cè)，保證密封，整個(gè)包裝過(guò)程完成，隨后運(yùn)到流水線末端的成品框里，等待最終運(yùn)送，滑臺(tái)返回最初位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次操作。

4 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際效果，本文并搭建了基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線的樣品測(cè)試機(jī)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)際控制的精準(zhǔn)性，連續(xù)性和時(shí)效性等性能指標(biāo)，進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

表1

不同工位狀態(tài)對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間以及狀態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試記錄表格1所示，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，運(yùn)行時(shí)間接近，成品誤差方差值控制在5%左右，整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)故障發(fā)生，因此該包裝流水線系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性，精準(zhǔn)性和高效性的性能指標(biāo)，實(shí)測(cè)效果與理論設(shè)計(jì)接近。

5 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)論

本文論述了基于arduino開發(fā)板的基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線設(shè)計(jì)方案，并搭建了樣機(jī)模型進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，實(shí)際結(jié)果表明這種基于arduino開發(fā)板的工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)包裝流水線系統(tǒng)，滿足工業(yè)生產(chǎn)自控系統(tǒng)準(zhǔn)確性，高效性，穩(wěn)定性的要求，具備智能化特點(diǎn)，控制效果良好，可以應(yīng)用于工業(yè)智能制造控制，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。