吳吉平，胡威林，孫　曉

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

彩珠筒包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳吉平，胡威林，孫曉

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)目前市場(chǎng)上彩珠筒外包裝機(jī)還未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)的問題，設(shè)計(jì)了彩珠筒包裝機(jī)控制系統(tǒng)。先介紹了彩珠筒煙花外包裝機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程和氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，采用氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外包裝機(jī)工作，選用三菱FX系列可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)外包裝機(jī)工作過程的控制。本系統(tǒng)可提高煙花爆竹生產(chǎn)的安全性和工作效率，也為同類煙花包裝機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

彩珠筒；包裝機(jī)；控制系統(tǒng)；氣動(dòng)回路；PLC

0　引言

中國(guó)作為世界煙花爆竹的生產(chǎn)大國(guó)，其煙花生產(chǎn)企業(yè)大部分散落在鄉(xiāng)鎮(zhèn)，存在生產(chǎn)設(shè)備落后、勞動(dòng)人員密集、勞動(dòng)生產(chǎn)率低、安全隱患嚴(yán)重等問題。彩珠筒為一種手持燃放煙花產(chǎn)品，品種規(guī)格多種多樣，其生產(chǎn)工藝過程主要有卷筒、裝藥、外裝潢紙的裹包及打捆等［1］。目前，彩珠筒的生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化水平較低。彩珠筒的包裝主要是人工方式，其工作效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，且工作人員在惡劣的環(huán)境下作業(yè)，存在較大的安全隱患。因此，如何實(shí)現(xiàn)彩珠筒生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化成為研究熱點(diǎn)。

氣動(dòng)技術(shù)即氣壓傳動(dòng)與控制技術(shù)，是當(dāng)前機(jī)械設(shè)備中發(fā)展速度最快的技術(shù)之一。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械中［2］。

針對(duì)目前市場(chǎng)上彩珠筒的包裝工藝不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)流水線生產(chǎn)，且其生產(chǎn)過程中安全性低等問題，本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)的彩珠筒包裝機(jī)控制系統(tǒng)，采用氣動(dòng)系統(tǒng)與PLC（programmable logic controller）相結(jié)合的控制技術(shù)對(duì)包裝機(jī)的工作過程進(jìn)行控制［3］。該控制系統(tǒng)通過彩珠筒的全自動(dòng)送料、壓緊、供紙、輸紙、包裝、卸料等一體化動(dòng)作，準(zhǔn)確定位彩珠筒，實(shí)現(xiàn)了彩珠筒包裝的自動(dòng)化，并保證了包裝過程的安全性，大大減少了人工服務(wù)，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

1　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1包裝機(jī)工藝流程

該包裝機(jī)是從傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)為機(jī)械化、自動(dòng)化的生產(chǎn)，其工藝流程［3］為：送料→壓緊→供紙→輸紙→包裝→卸料，如圖1所示。輸紙包括輸送包裝紙和刷膠，由輸紙電機(jī)帶動(dòng)傳送帶與刷膠輥來完成。為實(shí)現(xiàn)上述工藝流程，本文設(shè)計(jì)了包裝機(jī)控制系統(tǒng)，控制包裝機(jī)完成送料、壓緊、供紙、輸紙、包裝、卸料工作?？刂葡到y(tǒng)配置了4個(gè)裝有磁感式傳感器的有桿氣缸，并且每個(gè)氣缸的出氣口、入氣口均裝有單向節(jié)流閥，用來調(diào)節(jié)氣體流量控制速度。

圖1　包裝機(jī)工藝流程圖Fig.1　Flowchart of packing machines

1.2氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理

自動(dòng)包裝機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)部分組成，即送料、壓緊、供紙、卸料。氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2　氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.2　Schematic diagram of the pneumatic system

圖2中，卸料、送料、壓緊分別由有桿氣缸A，B，C，以及2個(gè)單向節(jié)流閥和一個(gè)二位五通電磁閥進(jìn)行控制；供紙由有桿氣缸D和2個(gè)單向節(jié)流閥，以及一個(gè)二位五通電磁閥與一個(gè)二位二通電磁閥進(jìn)行控制。氣動(dòng)系統(tǒng)各部分的工作流程如下。

1）送料即將工件送至包裝部位。送料氣缸B活塞上的永久磁環(huán)檢測(cè)氣缸活塞位置，控制電磁閥通電，從而來改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向。二位五通電磁閥換向改變送料氣缸B的移動(dòng)方向。節(jié)流閥控制送料氣缸B的移動(dòng)速度。二位五通電磁閥YA2接電，送料氣缸B向右移動(dòng)，節(jié)流閥控制氣缸速度，使其運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器2B2位置，傳感器2B2發(fā)出信號(hào)。電磁閥YA2失電，送料氣缸向左運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器2B1位置，傳感器2B1發(fā)出供紙信號(hào)。

2）供紙即將包裝紙供送到輸送部位。二位二通電磁閥YA5接電，真空吸盤運(yùn)作吸紙，二位五通電磁閥YA4接電，供紙氣缸D向左運(yùn)動(dòng)，節(jié)流閥控制氣缸的移動(dòng)速度，當(dāng)供紙氣缸D運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器4B1位置，傳感器4B1發(fā)出信號(hào)。二位二通電磁閥YA5和二位五通電磁閥YA4失電，吸盤停止運(yùn)作，供紙氣缸D向右運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器4B2位置，傳感器4B2發(fā)出壓緊信號(hào)。

3）壓緊即將包裝紙盒工件壓緊。二位五通電磁閥YA3得電，壓緊氣缸C向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器3B2位置，傳感器3B2發(fā)出信號(hào)?？刂瓢b電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)并對(duì)工件進(jìn)行包裝，同時(shí)，控制器控制一定時(shí)間，以保證包裝完成后，二位五通電磁閥YA3失電，壓緊氣缸C向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器3B1位置，發(fā)出卸料信號(hào)。

4）卸料即將包裝好的工件脫離包裝部位。二位五通電磁閥YA1得電，卸料氣缸A向左運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至磁感應(yīng)式傳感器1B1位置，傳感器1B1發(fā)出信號(hào)。二位五通電磁閥YA1失電，卸料氣缸A迅速回到磁感應(yīng)式傳感器1B2位置，發(fā)出送料信號(hào)。

5）更換工件，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

6）當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)需等到每個(gè)工序都完成后，才能復(fù)位，并停止工作。當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻停止工作。

2　包裝機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件配置和 I/O表分配

根據(jù)包裝機(jī)的實(shí)際輸入/輸出，考慮包裝機(jī)的性能要求和實(shí)際需要，結(jié)合三菱FX2N系列PLC的特點(diǎn)［4］，本文選用FX2N系列FX3U-32MR的PLC，其可以為工廠自動(dòng)化生產(chǎn)提供很大的靈活性和較強(qiáng)控制能力。按照工藝流程和氣動(dòng)系統(tǒng)控制要求，對(duì)PLC的I/O地址進(jìn)行分配，如表1所示。

表1　I/O地址分配表Table 1　I/O address assignment

由表1可以看出，本文將啟動(dòng)、停止、氣動(dòng)回路的各磁性開關(guān)作為輸入信號(hào)，將氣動(dòng)系統(tǒng)的各電磁閥、包裝電機(jī)作為輸出信號(hào)。PLC控制系統(tǒng)按照包裝機(jī)的工序流程進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。

2.2控制系統(tǒng)順序功能圖

順序功能圖又叫做狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，其思想是將控制設(shè)備的一個(gè)周期劃分為若干個(gè)工作步，并且明確表示每一步要執(zhí)行的輸出以及步與步之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)自動(dòng)包裝機(jī)的工作動(dòng)作要求［5］，該自動(dòng)包裝機(jī)的順序功能圖如圖3所示。

圖3　順序功能圖Fig.3　Sequential function chart

2.3系統(tǒng)控制流程圖

PLC具有豐富的編程指令、良好的軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，可采用梯形圖（ladder diagram，LD）、順序功能圖（sequeential function chart，SFC）和指令表（intermediate language，IL）等基本的編程語言［6-7］。本文采用順序功能圖編程，編程軟件為FXGP。先利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和調(diào)試，調(diào)試成功后，通過接口電纜將控制程序下載到PLC中。

根據(jù)控制系統(tǒng)的順序功能圖，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)的控制流程圖，如圖4所示。由圖4可以看出，該工作過程和包裝工序表達(dá)清楚，轉(zhuǎn)移條件明確。

圖4　PLC程序控制流程圖Fig.4　PLC procedure control flow chart

3　結(jié)語

本文根據(jù)彩珠筒煙花外包裝機(jī)各個(gè)工藝先后動(dòng)作的順序，設(shè)計(jì)與研制了“PLC-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的典型氣-電一體化控制系統(tǒng)［6］，即彩珠筒包裝機(jī)控制系統(tǒng)。自動(dòng)裝配機(jī)的控制器為FX3U-32MR的PLC。該系統(tǒng)從根本上解決了人與煙花包裝的分離，并且為實(shí)現(xiàn)煙花爆竹產(chǎn)品流水作業(yè)生產(chǎn)提供了依據(jù)和保障，把勞動(dòng)力從密集型產(chǎn)業(yè)中釋放出來，提高了安全性，為今后煙花爆竹生產(chǎn)過程中其他工藝流程的機(jī)械化提供了一定的基礎(chǔ)。

［1］胡威林，吳吉平，孫曉，等.全自動(dòng)彩珠筒外裝潢紙裹包機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.包裝學(xué)報(bào)，2015，7（3）：36-39.HU Weilin，WU Jiping，SUN Xiao，et al.The Design of Color Bead Tube External Decoration Paper Wrapping Machine［J］.Packaging Journal，2015，7（3）：36-39.

［2］趙彤.氣動(dòng)技術(shù)在高端裝備業(yè)中的展望［J］.液壓與氣動(dòng)，2014（6）：75-82.ZHAO Tong.Prospect of Pneumatic Technology in Top Equipment Fields［J］.Chinese Hydraulics & Pneumatics，2014（6）：75-82.

［3］邱麗萍.在包裝自動(dòng)機(jī)中應(yīng)用氣動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)［J］.輕工機(jī)械，2003（3）：30-32.QIU Liping.Superiority of Pneumatic Technology Applications in Packaging Auto-Machines［J］.Light Industry Machinery，2003（3）：30-32.

［4］劉艷梅，陳震，李一波，等.三菱PLC基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：50-76.LIU Yanmei，CHEN Zhen，LI Yibo，et al.Mitsubishi PLC Base and Its System Design［M］.Beijing：China Machine Press，2009：50-76.

［5］宋黎明.PLC控制程序的設(shè)計(jì)技巧［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，10（5）：96-97.SONG Liming.The Design Technique of PLC Controlling Program［J］.Journal of Chongqing University of Science and Technology（Natural Sciences Edition），2008，10（5）：96-97.

［6］范金玲.基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2010（7）：36-38.FAN Jinling.Control System Design of the Pneumatic Manipulator Based on PLC［J］.Chinese Hydraulics & Pneumatics，2010（7）：36-38.

［7］聶輝.PLC梯形圖輸出元件網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法探討［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（3）：47-51.NIE Hui.The Output Element Network Design Method for PLC Ladder Diagram［J］.Journal of Hunan University of Technology，2014，28（3）：47-51.

（責(zé)任編輯：鄧彬）

A Design of Control System for Fireworks Tube Packing Machines

WU Jiping，HU Weilin，SUN Xiao
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the absence of fully automated production lines for current fireworks tube packaging machines on the market， a new design for the control system of fireworks tube packaging machines has been proposed.Firstly， a detailed introduction has been made of the work-flow procedures of its control system and the working principles of its pneumatic system， followed by the employment of the outer packing machine driven by the pneumatic system， and the monitoring of the working process of the packaging machines by Mitsubishi FX series programmable controllers.This control system helps to improve the safety performance and the work efficiency of fireworks production， thus laying a theoretical basis for the design of similar fireworks packing machines.

color bead tube；packing machine；control system；pneumatic circuit；PLC

TJ530.5；TH138

A

1673-9833（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.001

2016-05-06

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（14JJ5023）

吳吉平（1968-），男，湖南安化人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制，包裝機(jī)械設(shè)計(jì)，E-mail：wjp0918@163.com