多膜智能包裝機的設計與實現

張志偉，羅欽（通訊作者），鄒博勝，商凱源，杜小鳳

（1.湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲，412007；2.湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲，412007）

0 引言

近年來，由于電商市場規模的擴大，服裝行業的銷量也在穩步提升。隨規模擴大而來的問題，是包裝方面的效率不足。目前市場的主要打包方式還是嚴重依賴人工，存在著以效率低下為代表的諸多問題。針對這一系列問題，設計一款高度自動化的智能包裝機就顯得尤為重要。本文以實現多材料、多尺寸兼容為目標，對多膜包裝機進行拆解闡述。該多膜包裝機的設計，符合包裝行業智能化、自動化的發展趨勢[1]，為提高包裝效率提供了一種可行方案，對包裝生產自動化具有重要意義。

1 多膜包裝機的主體架構

多膜包裝機的機械結構由物體輸送機構、熱封切機構和膜卷供應機構三部分構成。物體輸送機構的功能是移動被包裝物至包裝處；熱封切機構的功能是切斷包裝膜，完成封裝；膜卷供應機構的功能是分開和供應包裝膜。包裝機的總體機械結構如圖1所示。

圖1 包裝機機械結構

物體輸送機構是由控制電路、輸送帶、步進電機及其電機驅動組成。其中控制電路由電機控制電路和物體檢測電路組成，當光電傳感器檢測到輸送帶上有服裝，開啟輸送帶，將服裝和包裝薄膜一同輸送至熱封切機構。

熱封切機構是由刀具支架、L型熱封切刀、Max31865模塊、PT100鉑電阻、步進電機和曲柄搖桿機構組成。熱封和切袋都是由熱封切刀的機械運動完成的[2]。L型熱封切刀由鎳鉻合金電阻絲做成，安裝在刀具支架上，步進電機通過曲柄遙感機構控制刀具支架上下運動。L型熱封切刀、12V恒壓電源和大功率MOS管串聯在一起，電流通過時，電阻絲持續加熱，PT100鉑電阻緊貼電阻絲，Max31865不斷檢測鉑電阻阻值并將其轉化為數字信號傳輸給單片機，當溫度達到設定的薄膜熱封切分溫度時，單片機控制熱封切刀相連的步進電機動作，完成對薄膜的熱封切分動作。當熱封切刀溫度超過工作溫度時，斷開恒電壓源，從而達到降低熱封切刀溫度的目的；而機器停止工作時，則采用自然冷卻。

薄膜供應機構是由薄膜支架、分膜撐桿、步進電機和光電傳感器組成。包裝薄膜為塑料對折膜，在物體輸送機構開啟后，單片機控制步進電機使其以輸送帶相同的運動速度供應薄膜。薄膜經過分膜撐桿后，會被打開并且運動方向改變90°，薄膜打開后為上下兩片，上片在服裝上方，下片在輸送帶1下方，下片通過輸送帶1和2的中縫至輸送帶2和包裝物之間。

2 系統硬件架構

電氣部分包含兩大模塊：一是機械運動與檢測模塊；二是溫度閉環控制模塊。兩大模塊分別以一片STM32F1 03ZET6為控制芯片，STM32F103ZET6單片機是一款具有8個定時器112個GPIO端口的32位單片機。單片機時鐘電路和電源模塊采用典型電路即可。按鍵采用獨立式按鍵接口，實現調溫、尺寸手動更改等功能。控制器與OLED屏幕通信采用SPI通信方式，屏幕用于溫度、數量、設置尺寸等參數的顯示。

機械運動與檢測模塊。包裝機中所有的執行電機均采用57步進電機，該電機工作時不會產生誤差積累，無需引入反饋環節；檢測電路采用光敏電阻傳感器。光電傳感器檢測到物體到來時或包裝薄膜余量不足時，經紅外光電式檢測模塊轉化為電信號傳給STM32單片機最小系統A，單片機進而控制對應的電機運動。以光電傳感器1檢測到信號為例，當其檢測到傳送帶上有待包裝物時，將信號傳到STM32單片機最小系統A，單片機發出相關信號控制傳送裝置中的電機1和電機2運動。機械運動與檢測模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 機械運動、檢測電路

溫度閉環控制模塊。溫度傳感器選用PT100鉑電阻傳感器，測量范圍在-200～850℃[3]，經Max31865模塊將電阻絲溫度轉換成數字信號傳送給STM32單片機最小系統B。最小系統B根據檢測到的實時溫度與設定的溫度值相比較，實時溫度低則輸出信號控制大功率MOS管閉合，給電阻絲通電；實時溫度高則輸出信號控制大功率MOS管斷開，使電阻絲斷電。通過控制MOS管的通斷，達到控制溫度的目的。該模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 熱封切機構的溫度閉環電路

3 系統軟件部分設計

3.1 機械運動、檢測系統軟件流程

機械運動、檢測控制系統是通過單片機A、步進電機、光電傳感器相互配合，實現對服裝的包裝。程序工作流程：人工將待包裝的服裝放在輸送帶1上，當光電傳感器1檢測到有物體時，單片機通過輸出PWM[4]控制物體傳送機構和薄膜供應機構中的電機配合運動，將待包裝服裝運往已經打開的對折膜中。光電傳感器2檢測到服裝和薄膜到達設定的合適的熱切封位置后，物體傳送機構和薄膜供應機構停止工作。同時，單片機A輸出PWM控制電機3正轉，帶動L型熱封切刀下落，完成對服裝的熱封和切袋。熱切封完成后，單片機A輸出PWM控制電機4反轉，抬起熱封切刀，并輸出PWM控制物體傳送機構運動，將成品運走。當傳感器3檢測到物體后，記件數加1。完成整個包裝流程。

圖4 機械運動、檢測系統

圖5 溫度閉環系統軟件流程

3.2 溫度閉環系統軟件流程

此部分程序的作用是在包裝機啟動后，實現對電阻絲溫度的恒溫控制。由于電阻絲需要實時精確控制溫度，所以單獨采用單片機進行控制。電阻絲隨溫度變化阻值發生變化，Max31865模塊對其阻值進行測量與A/D轉換，并通過SPI通訊方式，將數字信號傳遞給單片機B。單片機通過讀取的數字信號，通過計算，調整繼電器的斷開和閉合時間，另外將數字信號通過SPI通訊方式傳給OLED屏幕，屏幕將目前檢測到的溫度、設定溫度等信息顯示在屏幕上。

4 結語

隨著人們生活水平的提高，對于服裝的需求量日益增大。在龐大的服裝數量和種類以及中小型企業較弱承擔能力面前，只有自適應包裝物規格的多膜包裝機才能滿足這樣的需求。本文設計的多膜智能包裝機，實現了切封溫度可調、包裝尺寸可調的功能，達到了一機多用的目的，適用于服裝包裝市場、服裝電商個體等多個群體，用于減輕運用人工或半自動包裝機械的繁雜和高成本帶來的不便，具有一定的實用性，并且很大程度上的提高了服裝等柔性產品的包裝效率。