紙尿褲塑料包裝袋自動封口裝置的設(shè)計(jì)

汪嵐

紙尿褲因其使用方便、吸收強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到消費(fèi)者的廣泛歡迎.在紙尿褲包裝過程中，對已裝入片狀紙尿褲產(chǎn)品的塑料包裝袋進(jìn)行封口是最后一個(gè)環(huán)節(jié).目前，由于在封口裝置自動化控制方面存在研究不充分、分析不透徹的現(xiàn)象，因而部分紙尿褲生產(chǎn)企業(yè)采用手工操作進(jìn)行封口作業(yè)［1?2］，封裝自動化程度低、封口質(zhì)量不高、勞動強(qiáng)度大；部分企業(yè)雖然采用了自動封口裝置，但一臺裝置往往只能滿足單一規(guī)格包裝袋的封口需求［3］.這種裝置無法實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)線自動化、連續(xù)性生產(chǎn)，難以滿足多規(guī)格、多品種紙尿褲產(chǎn)品的封口需求，應(yīng)用面非常有限.

針對上述現(xiàn)狀，研發(fā)了一套紙尿褲塑料包裝袋自動封口裝置，通過裝置的核心機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了送包、開袋、推袋、插腳和封口5 個(gè)環(huán)節(jié)的自動作業(yè).測試結(jié)果表明，裝置只需1 名工人操作，且裝置運(yùn)行穩(wěn)定，能針對不同規(guī)格的包裝袋進(jìn)行自動封口，既提高了紙尿褲產(chǎn)品的包裝效率，又有效解決了封口環(huán)節(jié)自動化程度低的問題.

1 裝置組成及工作流程

紙尿褲塑料包裝袋自動封口裝置主要由機(jī)架本體、送包機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、開袋機(jī)構(gòu)、推頭機(jī)構(gòu)、封口機(jī)構(gòu)、出包機(jī)構(gòu)構(gòu)成，裝置具體工作流程如表1 所示.

表1 封口裝置工作流程表

2 裝置核心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

開袋機(jī)構(gòu)和封口機(jī)構(gòu)為封口裝置的核心環(huán)節(jié)，以下為其設(shè)計(jì)思路.

2.1 開袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

開袋機(jī)構(gòu)主要包含上下吸板、吸附機(jī)構(gòu)、升降平移機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、升降架、電機(jī)、氣缸、活塞桿等，其中電機(jī)驅(qū)動升降架帶動上板沿導(dǎo)軌做上下移動，氣缸驅(qū)動活塞桿推動上板做水平移動，上下板各設(shè)有一個(gè)吸附機(jī)構(gòu)，具體見圖1.

圖1 開袋模塊的剖面結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，當(dāng)包裝袋口傳送至下板處時(shí)，上板向下移動直至與下板貼合；啟動吸附機(jī)構(gòu)，分別吸附包裝袋的上、下側(cè)面；利用上板吸附和提升上側(cè)面，下板吸附和固定下側(cè)面，配合左右夾板的吸氣裝置，以及張袋口風(fēng)機(jī)共同工作，將包裝袋的氣腔完全打開，方便推頭由袋口插入及推送包裝袋.

此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為：①上板的吸附機(jī)構(gòu)可沿包裝袋上側(cè)面做橫向平移和縱向升降運(yùn)動，因此可利用上板的位置調(diào)節(jié)來調(diào)整上側(cè)面的吸附位置，進(jìn)而可以滿足不同規(guī)格包裝袋的開袋要求.②上下吸附機(jī)構(gòu)搭配張袋口風(fēng)機(jī)共同工作，能很好地解決因長期堆垛或大量堆垛而導(dǎo)致包裝袋側(cè)面粘連較緊密、開袋困難的難題.

2.2 封口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

封口機(jī)構(gòu)主要包含左右插角、上下封口板、吸氣板、加熱板、升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、支架、電機(jī)等，其中封口板可在電機(jī)驅(qū)動下沿導(dǎo)軌上下移動，具體見圖2.

圖2 封口模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2中，包裝袋袋口傳送至下封口板加熱條處，左右插角按設(shè)定的工藝參數(shù)移動到位，上下封板移動直至貼合；啟動吸氣裝置對包裝袋抽真空，待包裝袋達(dá)到一定真空度且袋口無殘余廢料時(shí)，啟動上下加熱條對袋口進(jìn)行熱合封口；封口后，左右插角、上下封口板分離并返回初始位置.

此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為：①下封口板設(shè)有廢料槽，當(dāng)啟動吸廢料風(fēng)機(jī)時(shí)其可自動清理和收集封口裁切后的邊料，以此保證封口環(huán)境的整潔.②包裝袋的封口長度是由插角尺寸大小決定，通過調(diào)整插角尺寸參數(shù)即可滿足不同規(guī)格包裝袋的封口要求.

3 裝置的控制方案設(shè)計(jì)

由裝置的工作流程可知，雖然一部分部件的控制可采用氣動或電動來實(shí)現(xiàn)，但要完成送包、開袋、推袋、插腳和封口5 個(gè)工藝流程的自動化作業(yè)，需多個(gè)伺服電機(jī)之間位置的相互配合、協(xié)同運(yùn)動，且定位精準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn).故系統(tǒng)分為兩大部分：一是伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，二是氣電動控制系統(tǒng).前者實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動控制［4?5］；后者實(shí)現(xiàn)如氣缸吸合、電機(jī)啟停等機(jī)械控制和位置檢測等信息控制.氣電動控制系統(tǒng)采用常規(guī)控制方案［6?7］，由于篇幅有限，在此不作具體闡述.本文主要介紹伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

3.1 伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)核心器件選型

伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由PLC、運(yùn)動控制器、伺服單元和觸摸屏等構(gòu)成.根據(jù)封口裝置的工藝需求、PLC 的IO 分配及多軸運(yùn)動趨勢和數(shù)量要求，最終選用FX5U?80MT/ES 型PLC［8］、FX5?80SSC?S 運(yùn)動控制器模塊、MR?JE系列伺服驅(qū)動器、HG?SN 系列伺服電機(jī)和MT8102IP 摸屏等，同時(shí)加配FX5?16EX/ES 型I/O 擴(kuò)展模塊.

3.2 伺服運(yùn)動控制硬件設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)包裝袋封口工藝的要求，按照工藝完整，多軸聯(lián)動、定位準(zhǔn)確等原則進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).其中，PLC 主模塊接線如圖3 所示；伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)主電路如圖4 所示.

圖3 裝置PLC 主模塊接線圖

圖4 伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)主電路

PLC 將由觸摸屏獲取的封口參數(shù)處理并轉(zhuǎn)換成控制命令發(fā)送給運(yùn)動控制器，控制器控制伺服驅(qū)動器，以此控制各伺服電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作.編碼器精確讀取電機(jī)的實(shí)時(shí)位置后將信息反饋給運(yùn)動控制器，再由運(yùn)動控制器根據(jù)計(jì)算后的位移偏差對電機(jī)位置進(jìn)行補(bǔ)償，以此驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)推頭升降、進(jìn)退，插角開合、封口開合等多軸的精準(zhǔn)運(yùn)動.

3.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

封口裝置控制系統(tǒng)使用三菱PLC 專用編程軟件MELSOFTGXWorks3［9］進(jìn)行程序 編寫.根據(jù)封口工藝、時(shí)序和位置控制需求，自動封口控制程序流程圖如圖5 所示.

圖5 自動控制程序流程圖

3.4 電子凸輪曲線設(shè)計(jì)

若包裝袋的規(guī)格變更，封口參數(shù)自然也會隨之變化，同樣伺服軸運(yùn)動的位置也會有所區(qū)別.裝置要實(shí)現(xiàn)多規(guī)格包裝袋自動封口的設(shè)計(jì)目的，控制系統(tǒng)就必須具備伺服軸運(yùn)動位置可調(diào)，即運(yùn)動軌跡可調(diào)整、易調(diào)整.電子凸輪［10］是一種依靠伺服電機(jī)模擬凸輪機(jī)構(gòu)的功能系統(tǒng)，具有柔性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用來設(shè)計(jì)或調(diào)整伺服軸的運(yùn)動軌跡.

本文利用FX5?80SSC 運(yùn)動控制器和FX5U PLC，依次設(shè)計(jì)封口軸等6 個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動軌跡，具體步驟為：①在專用軟件中進(jìn)行系統(tǒng)配置、參數(shù)設(shè)置和動作設(shè)置，如基本參數(shù)、JOG運(yùn)行參數(shù)、原點(diǎn)回歸基本參數(shù)和伺服參數(shù)等設(shè)置；②基于主軸參數(shù)和五次多項(xiàng)式［11］設(shè)計(jì)電機(jī)的凸輪曲線；③PLC 程序讀取、處理設(shè)定參數(shù)后，位置編碼器自動計(jì)算出對應(yīng)電機(jī)的設(shè)定速度和位置，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動.

以封口軸的伺服電機(jī)為例，電子凸輪曲線設(shè)計(jì)如圖6 所示.在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的1 個(gè)周期內(nèi)，電機(jī)將按照設(shè)定的速度和位置，完成加速?減速?封口?加速?減速?回原點(diǎn)的動作流程.由圖6 可知，只需利用軟件進(jìn)行參數(shù)修改和編程，即可對電機(jī)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行調(diào)整，通過現(xiàn)場進(jìn)一步調(diào)試，達(dá)到多軸之間位置的精確匹配，保證送包、開袋、推袋、插腳和封口等環(huán)節(jié)連貫順暢，從而實(shí)現(xiàn)多規(guī)格包裝袋自動封口的目的，同時(shí)也獲取了不同規(guī)格包裝袋對應(yīng)的最佳封口參數(shù).

圖6 封口軸伺服電機(jī)為例，電子凸輪曲線設(shè)計(jì)界面

3.5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控封口裝置的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行故障診斷與報(bào)警，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，如圖7（a）所示.用戶可根據(jù)不同規(guī)格產(chǎn)品的封口需求，在界面上設(shè)置工藝參數(shù)，控制裝置執(zhí)行封口任務(wù)，如圖7（b）所示.界面友好、操作便捷，提高了裝置狀態(tài)監(jiān)控的可視化和智能化水平.

圖7 封口裝置監(jiān)控界面

3.6 設(shè)備測試與分析

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的紙尿褲塑料包裝袋封口裝置的效能，對裝置進(jìn)行了實(shí)際測試.測試內(nèi)容如下：

（1）裝置應(yīng)對不同規(guī)格包裝袋的封口適應(yīng)能力.設(shè)計(jì)封口速度為每分鐘30包，產(chǎn)品規(guī)格范圍為高140～230 mm，寬200～400 mm.選取10 組不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行封口，每組測試100包，測試結(jié)果如表2 所示.由表2 中的測試數(shù)據(jù)可知，10 組產(chǎn)品的平均封口合格率為97.3%，超過了廠家95%合格率的要求，且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定.

表2 不同規(guī)格產(chǎn)品的封口合格率

（2）裝置的封口效率測試.針對同一規(guī)格包裝袋進(jìn)行封口速度測試，人工操作的平均速度約5 包/分鐘，裝置的平均速度約30～35包/分鐘.

綜上所述，封口裝置設(shè)計(jì)合理，不僅實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格產(chǎn)品的自動封口，而且封口效率明顯提升.

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一臺紙尿褲塑料包裝袋自動封口裝置，對開袋和封口兩個(gè)核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)采用FX5U 型PLC 與運(yùn)動控制模塊共同控制，驅(qū)動各個(gè)伺服電機(jī)協(xié)同運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了包裝袋的自動封口.研究表明：自動封口裝置具備適應(yīng)多種規(guī)格包裝袋的自動封口能力，降低了人工的勞動強(qiáng)度、拓寬了裝置的市場應(yīng)用面；通過對多軸聯(lián)動的精確控制，提升了裝置生產(chǎn)效率，且運(yùn)行穩(wěn)定，封口合格率可達(dá)97.3%，有效克服了傳統(tǒng)封口環(huán)節(jié)存在的各種短板，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求.