嚴(yán)錦玉，王幼民，陶任芳，單學(xué)軍，帥進(jìn)文

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽　蕪湖　241000； 2.蕪湖市安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 安徽　蕪湖　241000)

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基于單片機(jī)控制的編織袋折邊折角裝置設(shè)計

嚴(yán)錦玉1,2，王幼民1,2，陶任芳1,2，單學(xué)軍1,2，帥進(jìn)文1,2

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽蕪湖241000； 2.蕪湖市安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 安徽蕪湖241000)

[摘要]為提高編織袋折邊折角的自動化水平和效率，更好地與編織袋縫紉工序結(jié)合起來，文章設(shè)計了基于單片機(jī)控制的編織袋折邊折角裝置.首先利用Pro/E 4.0設(shè)計了編織袋折邊折角裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型，然后在Microsoft Office Visio中設(shè)計了該設(shè)備的氣動系統(tǒng)，最后利用AT89C51單片機(jī)對該套設(shè)備進(jìn)行設(shè)計與控制.結(jié)果表明，這套編織袋折邊折角裝置結(jié)構(gòu)緊湊合理，成本控制在1萬多元，單片機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定有效，整個折邊折角動作耗時在6 s左右，效率較高，能夠真正提高編織袋折邊折角自動化水平，具有很高的工程實踐價值.

[關(guān)鍵詞]編織袋折邊折角；氣動系統(tǒng)；AT89C51單片機(jī)

編織袋折邊折角工序目前大量采用人工操作，工作環(huán)境差，工作枯燥無趣，生產(chǎn)積極性不高，效率低下，嚴(yán)重制約了產(chǎn)能的提升.為此需要設(shè)計出一種編織袋折邊折角裝置，使之能夠快速有序地完成折邊和折角工作，為下一步縫紉工作做好準(zhǔn)備.

文獻(xiàn)[1]介紹了一種編織袋自動封口機(jī)，主要由推袋機(jī)構(gòu)、壓袋機(jī)構(gòu)、自動折邊機(jī)構(gòu)、紙條輸送機(jī)構(gòu)、縫紉機(jī)、切斷裝置、快速送袋裝置等組成.這套設(shè)備可以雙邊折邊，節(jié)省人力、原材料、降低制作成本，提高了生產(chǎn)效率.但該折邊機(jī)構(gòu)針對袋身兩側(cè)邊折邊，沒有針對袋口折邊，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要和送袋機(jī)構(gòu)很好地配合，操作過程復(fù)雜，沒有折角的功能.文獻(xiàn)[2]提出了一種水泥袋折邊機(jī)，主要由袋模、左右折邊壓塊、出袋滾輪、機(jī)架以及控制裝置組成.袋模由一個氣缸控制上下擺動，左右折邊壓塊分別由兩個氣缸控制左右移動，出袋上滾輪由一個氣缸控制上下擺動，各個氣缸由電磁閥控制換向.該折邊機(jī)構(gòu)雖然簡單，但是沒有針對袋口折邊，沒有折角功能，不能很好地滿足生產(chǎn)需要.

本文首先設(shè)計基于單片機(jī)控制的編織袋折邊折角裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立該設(shè)備的三維模型，設(shè)計該設(shè)備的氣動系統(tǒng)，進(jìn)行基于AT89C51單片機(jī)的控制系統(tǒng)研究.

1編織袋折邊折角裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1　編織袋折邊折角動作的技術(shù)方案

本文提出的編織袋折邊折角裝置主要由以下幾個機(jī)構(gòu)組成：上吸盤機(jī)構(gòu)、下吸盤機(jī)構(gòu)、上折邊機(jī)構(gòu)、下折邊機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、折角機(jī)構(gòu).各個機(jī)構(gòu)完成的動作先后順序如下：(1)上吸盤機(jī)構(gòu)向下移動，下吸盤機(jī)構(gòu)固定不動，利用負(fù)壓分別吸住編織袋的上下兩面，然后上吸盤機(jī)構(gòu)向上移動回到初始位置；(2)下折邊機(jī)構(gòu)向上移動，上折邊機(jī)構(gòu)固定不動，利用上折邊旋轉(zhuǎn)氣缸和下折邊旋轉(zhuǎn)氣缸供氣，上折邊機(jī)構(gòu)的第一拍尺和下折邊機(jī)構(gòu)的第二拍尺分別順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)180°，將編織袋上面和下面進(jìn)行折邊；(3)定位機(jī)構(gòu)中定位桿由縱向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸和橫向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸帶動沿著縱向直線導(dǎo)軌和橫向直線導(dǎo)軌分別縱向和橫向移動，從初始位置進(jìn)入編織袋內(nèi)中間水平位置完成定位工作；(4)折角機(jī)構(gòu)中折角桿由折角旋轉(zhuǎn)氣缸帶動從靠近編織袋折角中間位置逆時針旋轉(zhuǎn)打到定位機(jī)構(gòu)中定位桿表面，完成折角工作；(5)折角機(jī)構(gòu)中折角桿由折角旋轉(zhuǎn)氣缸帶動從定位機(jī)構(gòu)中定位桿表面順時針旋轉(zhuǎn)到靠近編織袋折角中間位置；(6)定位機(jī)構(gòu)中定位桿由橫向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸和縱向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸帶動沿著橫向直線導(dǎo)軌和縱向直線導(dǎo)軌分別橫向和縱向移動，從編織袋內(nèi)中間水平位置退出編織袋，回到初始位置；(7)利用上折邊旋轉(zhuǎn)氣缸和下折邊旋轉(zhuǎn)氣缸供氣，上折邊機(jī)構(gòu)的第一拍尺和下折邊機(jī)構(gòu)的第二拍尺分別逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)180°，退出折邊位置，上折邊機(jī)構(gòu)固定不動，下折邊機(jī)構(gòu)向下移動回到初始位置；(8)上吸盤機(jī)構(gòu)向下移動，合上編織袋上下兩面后，下吸盤機(jī)構(gòu)固定不動，不利用負(fù)壓，上吸盤機(jī)構(gòu)中的第一真空吸盤和下吸盤機(jī)構(gòu)中的第二真空吸盤分別就釋放編織袋的上下兩面，然后上吸盤機(jī)構(gòu)由導(dǎo)桿氣缸帶動向上移動回到初始位置.

1.2　建立編織袋折邊折角裝置的三維模型

利用Pro/E 4.0三維軟件分別對編織袋折邊折角裝置的每一個子機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模[3]，然后再進(jìn)行總裝，得到整個裝置的三維模型如圖1所示.編織袋折邊折角裝置整體結(jié)構(gòu)線框圖如圖2所示.

圖1　編織袋折邊折角裝置整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　編織袋折邊折角裝置整體結(jié)構(gòu)線框圖(1 編織袋，2上吸盤機(jī)構(gòu)， 3上折邊機(jī)構(gòu)，4工作臺側(cè)邊板，5定位機(jī)構(gòu)，6下折邊機(jī)構(gòu)，7下吸盤機(jī)構(gòu)，8折角機(jī)構(gòu)，9工作臺)

上吸盤機(jī)構(gòu)2，下吸盤機(jī)構(gòu)7，上折邊機(jī)構(gòu)3，下折邊機(jī)構(gòu)6，定位機(jī)構(gòu)5和折角機(jī)構(gòu)8都安裝在工作臺側(cè)邊板4上；上吸盤機(jī)構(gòu)2和下吸盤機(jī)構(gòu)7相對于編織袋1對稱布置，高度相差100 mm；下吸盤機(jī)構(gòu)7中的第二真空吸盤表面布置和工作臺9上表面平齊；上折邊機(jī)構(gòu)3和下折邊機(jī)構(gòu)6相對于編織袋1對稱反向布置，高度相差150 mm；上折邊機(jī)構(gòu)3中的第一旋轉(zhuǎn)軸相切面和上吸盤機(jī)構(gòu)2中的第一真空吸盤表面平齊；定位機(jī)構(gòu)5中的定位桿安裝在距編織袋1下面50 mm處；折角機(jī)構(gòu)8中的折角桿和定位機(jī)構(gòu)5中的定位桿安裝在同一平面[4].

2編織袋折邊折角裝置的氣動系統(tǒng)設(shè)計

2.1　編織袋折邊折角裝置的氣動系統(tǒng)回路設(shè)計

本文中的編織袋折邊折角裝置動力源全部采用氣缸供氣，上吸盤機(jī)構(gòu)中采用SMC公司的MGPM40-100Z-M9B導(dǎo)桿氣缸來實現(xiàn)上下移動，下吸盤機(jī)構(gòu)固定在貼近編織袋下表面，利用真空發(fā)生器抽氣產(chǎn)生負(fù)壓來使得真空吸盤能夠很可靠地吸開編織袋.上折邊機(jī)構(gòu)和下折邊機(jī)構(gòu)都采用SMC公司的CDRB2BWU40-180SZ旋轉(zhuǎn)氣缸來實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)運動，能夠很方便、快速地對編織袋進(jìn)行折邊工作，同時下折邊機(jī)構(gòu)采用SMC公司的MGPM40-50Z-M9B導(dǎo)桿氣缸來實現(xiàn)上下移動的動作，這樣做的目的是為了在編織袋完成折邊折角工作后沿著流水線進(jìn)入下一步縫紉工作不產(chǎn)生干涉.定位機(jī)構(gòu)中使得定位桿實現(xiàn)縱向移動和橫向移動的動力源分別采用SMC公司的CDM2F40-180Z-M9B標(biāo)準(zhǔn)氣缸和CDM2F40-170Z-M9B標(biāo)準(zhǔn)氣缸，縱向?qū)蚝蜋M向?qū)蚍謩e采用上銀公司型號為HGW30-CA和HGH15-CA的直線導(dǎo)軌，定位機(jī)構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)氣缸實現(xiàn)縱向和橫向移動，使得定位機(jī)構(gòu)中的定位桿到達(dá)編織袋內(nèi)中間水平位置，從而達(dá)到精確定位的目的，為下一步折角工作提供了基礎(chǔ).折角機(jī)構(gòu)中采用SMC公司的CDRB2BWU40-90SZ旋轉(zhuǎn)氣缸來實現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)運動，使得折角機(jī)構(gòu)中的折角桿能夠90°旋轉(zhuǎn)到達(dá)定位機(jī)構(gòu)中定位桿所處的水平位置處，完成對編織袋的精確折角動作.利用Microsoft Office Visio設(shè)計的編織袋折邊折角裝置的氣動系統(tǒng)如圖3所示[5].

圖3　編織袋折邊折角裝置的氣缸系統(tǒng)圖(1 真空開關(guān)，2 調(diào)速閥，3 過濾器，4、7、11、12、44導(dǎo)氣管，5 上真空吸盤，6 下真空吸盤， 8 真空發(fā)生器， 9 兩位兩通電磁閥，10、15、16 消音器，13 空氣處理單元，14 空氣源，17、24、28、29、36、43 兩位五通電磁閥，18、19、22、23、26、27、30、32、33、35、37、39、40、42單向調(diào)速閥，20 上吸盤導(dǎo)桿氣缸，21 下折邊導(dǎo)桿氣缸，25 縱向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸，31 橫向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸，34 上折邊旋轉(zhuǎn)氣缸，38 下折邊旋轉(zhuǎn)氣缸，41 折角旋轉(zhuǎn)氣缸)

空氣源先與空氣處理單元連接，然后有兩條氣路進(jìn)行通氣，第一條氣路經(jīng)過導(dǎo)氣管、消音器連接于6個兩位五通電磁閥，再經(jīng)過導(dǎo)氣管連接于14個單向調(diào)速閥，最后經(jīng)過導(dǎo)管連接于各個氣缸；第二條氣路經(jīng)過導(dǎo)氣管、消音器連接于兩位兩通電磁閥，然后經(jīng)過真空發(fā)生器、導(dǎo)氣管連接于調(diào)速閥，最后經(jīng)過導(dǎo)氣管、過濾器連接于真空吸盤.

2.2　編織袋折邊折角裝置的氣動系統(tǒng)工作原理

整套編織袋折邊折角裝置的氣動系統(tǒng)工作順序如下[6]：(1)首先讓兩位五通電磁閥17的左位1YA得電，上吸盤導(dǎo)桿氣缸20伸出，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ2后停止運動；然后控制真空發(fā)生器8的兩位兩通電磁閥13YA得電，上真空吸盤5和下真空吸盤6利用負(fù)壓分別吸住編織袋的上下兩面，打開編織袋；讓兩位五通電磁閥17的右位2YA得電，上吸盤導(dǎo)桿氣缸20縮回，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ1后停止運動，上真空吸盤5吸住編織袋運動到初始位置.(2)讓兩位五通電磁閥24的左位3YA得電，下折邊導(dǎo)桿氣缸21伸出，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ4后停止運動；然后讓兩位五通電磁閥36的左位9YA得電，上折邊旋轉(zhuǎn)氣缸34和下折邊旋轉(zhuǎn)氣缸38帶動第一拍尺和第二拍尺分別順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)360°，將編織袋上面和下面進(jìn)行折邊.(3)讓兩位五通電磁閥28的左位5YA得電，縱向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸25伸出，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ6后停止運動，又讓兩位五通電磁閥29的左位7YA得電，橫向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸31伸出，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ8后停止運動，帶動定位桿從初始位置進(jìn)入編織袋內(nèi)中間水平位置完成定位工作.(4)緊接著讓兩位五通電磁閥43的左位11YA得電，折角旋轉(zhuǎn)氣缸41帶動折角桿順時針旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)打到定位機(jī)構(gòu)中定位桿表面，完成折角工作.完成折邊折角動作后，將要進(jìn)行退回復(fù)位動作.(5)首先讓兩位五通電磁閥43的右位12YA得電，折角旋轉(zhuǎn)氣缸41帶動折角桿逆時針旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)到靠近編織袋折角中間位置，退出折角位置，回到初始位置.(6)讓兩位五通電磁閥29的右位8YA得電，橫向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸31縮回，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ7后停止運動，又讓兩位五通電磁閥28的右位6YA得電，縱向移動標(biāo)準(zhǔn)氣缸25縮回，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ5后停止運動，帶動定位桿從編織袋內(nèi)中間水平位置退出編織袋，回到初始位置.(7)讓兩位五通電磁閥36的右位10YA得電，上折邊旋轉(zhuǎn)氣缸34和下折邊旋轉(zhuǎn)氣缸38帶動第一拍尺和第二拍尺分別逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)360°，退出折邊位置，回到初始位置.又讓兩位五通電磁閥24的右位4YA得電，下折邊導(dǎo)桿氣缸21縮回，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ3后停止運動，回到初始位置.(8)緊接著讓兩位五通電磁閥17的左位1YA得電，上吸盤導(dǎo)桿氣缸20伸出，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ2后停止運動，合上編織袋兩面；控制真空發(fā)生器8的兩位兩通電磁閥13YA失電，不利用負(fù)壓，上吸盤機(jī)構(gòu)中的第一真空吸盤和下吸盤機(jī)構(gòu)中的第二真空吸盤分別就釋放編織袋的上下兩面；然后讓兩位五通電磁閥17的右位2YA得電，上吸盤導(dǎo)桿氣缸20縮回，活塞碰到氣缸限位開關(guān)SQ1后停止運動，回到初始位置.該氣動系統(tǒng)中電磁鐵的動作順序表[7]如表1所示.

表1　電磁鐵動作順序表

3編織袋折邊折角裝置氣動系統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1　單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本氣動系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)控制，AT89C51是一種帶4 K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容.單片機(jī)的可擦除ROM可以反復(fù)擦除1 000次，三級程序存儲器鎖定，128×8位內(nèi)部RAM，32位可編程I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，2個優(yōu)先級.該編織袋折邊折角裝置的氣動系統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖4所示.

圖4　單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖

圖4所示的硬件原理圖中有8個行程開關(guān)，13個電磁鐵，首先利用電源轉(zhuǎn)換芯片LM7805將AT89C51單片機(jī)的輸入電源轉(zhuǎn)換為所需的5 V電源，8個行程開關(guān)SQ1-SQ8的輸入信號直接通過接插件輸入到P1.0-P1.7這8個引腳，單片機(jī)控制信號從P2.0-P2.7和P0.0-P0.4輸出，后面依次連接固態(tài)繼電器SSR和電磁鐵1YA-13YA，繼電器和電磁閥均連接到24 V直流電源上.采用固態(tài)繼電器來放大輸出信號，并且通過光電耦合來隔離外界的干擾信號，每個固態(tài)繼電器來控制一個電磁閥的通電情況，從而控制氣動系統(tǒng)順序動作，完成編織袋折邊折角工作[8].

3.2　單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)編織袋折邊折角的技術(shù)方案，再結(jié)合該裝置的氣動系統(tǒng)硬件原理圖4，可以編制出如圖5所示的單片機(jī)控制軟件流程圖[9].

圖5　單片機(jī)控制軟件流程圖

由圖5可知，該控制系統(tǒng)是順序控制過程，能有效地實現(xiàn)編織袋折邊折角工作.但是由于所控制的電磁鐵較多，為了防止誤動作，在編寫軟件代碼時，要注意相鄰電磁鐵得電之間加入延時程序[10].

4結(jié)論

本文設(shè)計出一套基于單片機(jī)控制的編織袋折邊折角裝置，整體結(jié)構(gòu)和氣動控制系統(tǒng)接線已經(jīng)搭建完成，其裝置實物圖和氣動控制圖如圖6和圖7所示.該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度能滿足生產(chǎn)要求，同時動力源全部采用氣缸，進(jìn)出氣采用電磁閥換向，行程開關(guān)用于反饋信號，節(jié)能有效，使得各個動作有序進(jìn)行.

圖6　裝置實物圖

圖7　氣動控制圖

系統(tǒng)組裝完成后，對整個裝置進(jìn)行了調(diào)試，結(jié)果顯示該裝置運行穩(wěn)定，完成整個編織袋折邊折角動作耗時6 s左右，效率較高，能夠有效地與編織袋縫紉工序結(jié)合起來，真正做到編織袋包裝一體化，具有很好的實際意義和應(yīng)用前景.

[參考文獻(xiàn)]

[1]高明健,袁光明.塑料編織袋封口機(jī)的研發(fā)[D].濟(jì)南：山東理工大學(xué),2012.

[2]崔翠微,謝根全.水泥袋折邊機(jī)的PLC控制改造[J].宜春學(xué)院學(xué)報,2002, 24(6):48-49.

[3]于忠東,孫桂華.塑料編織袋折邊裝置的設(shè)計與工藝研究[J].塑料包裝,2012,22(6): 40-41.

[4]尚欣,劉晶.基于TRIZ的卷筒紙包裝機(jī)折邊機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].包裝工程,2011, 32(7): 76-79.

[5]吳懷超,方毅,何林.基于單片機(jī)控制的水上清潔機(jī)器人液壓系統(tǒng)的開發(fā)[J].液壓與氣壓,2011(1):105-107.

[6]張文明,吳迪,李曉旭.白車身焊接氣動夾具的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].熱加工工藝,2014, 43(17):195-200.

[7]郝詩明,唐蒲華,汪大鵬.一種基于單片機(jī)控制的機(jī)床動力滑臺新回路[J].液壓與氣動,2007(9):36-37.

[8]蘇樂樂,楊福增,徐建,等.基于單片機(jī)控制的玉米收獲機(jī)器人轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(2):69-73.

[9]林其驥.89C51型單片機(jī)在氣動控制上的應(yīng)用[J].液壓氣動與密封,1997(4):15-18.

[10]沈孝芹,張蔚波,于復(fù)生,等.基于單片機(jī)控制的氣動搬運機(jī)械手的研制[J].液壓與氣動,2008(8):14-15.

(責(zé)任編輯吳強(qiáng))

Design on the flanging and folding mechanism of woven bag based on

the single-chip microcomputer control

YAN Jinyu1,2, WANG Youming1,2, TAO Renfang1,2, SHAN Xuejun1,2, SHUAI Jinwen1,2

(1. College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China;

2. Wuhu Anpu Robot Industry Technology Research Institute Co. Ltd, Wuhu Anhui 241000, China)

Abstract：In order to improve the level of automation and efficiency of the flanging and folding mechanism of woven bag, for better combined with sewing process of the woven bag, the flanging and folding mechanism of woven bag based on sing-chip microcomputer control has been designed in this paper. First of all, the three-dimensional model of the mechanical structure of the flanging and folding mechanism is designed using Pro/E 4.0. In the following, the pneumatic system of this device is produced in Microsoft Office Visio. Finally, the design and control on this equipment has been conducted on the basis of AT89C51 single-chip microcomputer. The results show that this device has compact and reasonable structure and it cost about more than 10 000 RMB. It can achieve the effect of stable and effective control by using the AT89C51 single-chip microcomputer in the control system. The entire action takes about six seconds; it indicates the more efficient than before. That is to say, this mechanism can really improve the level of automation of the flanging and folding procedure of woven bag and has a high practical value in engineering.

Key words：flanging and folding of woven bag; pneumatic system; AT89C51 single-chip microcomputer

[中圖分類號]TB486

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2015)05-0070-06

[作者簡介]嚴(yán)錦玉(1989—)，男，安徽宿松人，碩士研究生，主要從事機(jī)械工程方面的研究.

[基金項目]安徽省科技攻關(guān)項目：脫硫除塵過程裝備及其控制系統(tǒng)研發(fā)(12010402105)；蕪湖市科技計劃項目：數(shù)控機(jī)床液體靜壓導(dǎo)軌控制研究及其產(chǎn)業(yè)化(2013cxy08).

[收稿日期]2015-03-06