顧文斌，李 卓，李育鑫，張曉武，錢煜暉

（河海大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，常州 213022）

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國民網(wǎng)購的需求與日俱增，人工包裝包裹的壓力越來越大，且人工包裝的效率較低，包裝質(zhì)量無法保證。當(dāng)前，隨著自動(dòng)化技術(shù)的提升，我國紙箱自動(dòng)封裝行業(yè)取得了較大進(jìn)步，但自動(dòng)封裝機(jī)仍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，且多針對(duì)單一規(guī)格單一工序，自動(dòng)化程度低，控制系統(tǒng)成本高等缺點(diǎn)[1-3]。文獻(xiàn)[4]通過對(duì)飲料自動(dòng)化生產(chǎn)線中的紙箱包裝工藝流程和控制原理的分析，研究了與紙箱包裝的運(yùn)動(dòng)控制和包裝控制相關(guān)的各個(gè)環(huán)節(jié)；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了裝封箱機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)封膠帶裝置，采用接近開關(guān)和電機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)了膠帶松緊的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了煙箱封箱質(zhì)量；文獻(xiàn)[6]基于PLC采用步進(jìn)梯形圖語言，研究了青貯料裝袋機(jī)的控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[7]以8013單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了工業(yè)產(chǎn)品計(jì)數(shù)裝置，全面實(shí)現(xiàn)了工業(yè)流水線的產(chǎn)品包裝和計(jì)數(shù)工作；文獻(xiàn)[8]利用PLC作為控制核心，以F701稱重儀為測量裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)來自結(jié)片機(jī)的苯酐物料進(jìn)行自動(dòng)定量包裝并輸送至碼垛機(jī)組單元的控制功能。然而，針對(duì)自動(dòng)包裝所進(jìn)行的相關(guān)研究尚未能完全實(shí)現(xiàn)紙箱的全自動(dòng)封裝[9-12]。為高效完成紙箱封裝，并解決人工包裝的諸多問題，開發(fā)一套具有良好適應(yīng)性與穩(wěn)定性的自動(dòng)封裝機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 紙箱自動(dòng)封裝機(jī)

1.1 封裝機(jī)的結(jié)構(gòu)

瓦楞紙箱自動(dòng)封裝機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、成箱機(jī)構(gòu)、葉片折彎機(jī)構(gòu)、膠帶封箱機(jī)構(gòu)5個(gè)部分構(gòu)成。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瓦楞紙箱自動(dòng)封裝機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Corrugated boxes automatic packaging machine structure

自動(dòng)封裝機(jī)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)采用皮帶、輪輥結(jié)構(gòu)，主動(dòng)輪輥上的伺服電機(jī)通電，帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將物料送到送料機(jī)構(gòu)處；送料機(jī)構(gòu)貫穿整個(gè)包裝過程，通過電動(dòng)推桿的伸縮帶動(dòng)四級(jí)伸縮架上下升降，從而將紙箱送至不同的工位完成不同的工序；成箱機(jī)構(gòu)處的夾持爪可根據(jù)預(yù)設(shè)的紙箱尺寸，向紙箱方向行進(jìn)，在紙箱側(cè)棱處施加擠壓力，使扁平紙箱開箱，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)紙箱的夾持，同時(shí)該機(jī)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)紙箱姿勢調(diào)整；葉片折彎機(jī)構(gòu)處4個(gè)壓板依次下壓，可將紙箱底部、頂部的4個(gè)葉片沿折痕彎折；膠帶封箱機(jī)構(gòu)將膠帶貼合到紙箱側(cè)壁后，整個(gè)機(jī)構(gòu)行走在絲杠上，膠帶在壓力作用下不斷黏合到封口處，直至刀片處設(shè)置的光電傳感器檢測到與紙箱之間的距離超過預(yù)設(shè)范圍，刀片下降切斷膠帶。

1.2 紙箱自動(dòng)封裝的流程

未經(jīng)開箱的扁平紙箱經(jīng)人工檢查后放置到進(jìn)料機(jī)構(gòu)處，到達(dá)升降臺(tái)后，升降臺(tái)上升，物料輸送到成箱區(qū)，夾持爪夾持紙箱并在紙箱側(cè)楞施加壓力從而完成紙箱開箱。然后，紙箱被運(yùn)送到折彎區(qū)，壓板順次下壓使得紙箱大小葉片依次折彎。升降臺(tái)繼續(xù)上升，物料被輸送至膠封區(qū)完成紙箱一面的封口，此后升降臺(tái)下降。在成箱區(qū)，夾持爪轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整紙箱姿勢，使紙箱180°翻轉(zhuǎn)，最后升降臺(tái)再次將物料送至折彎區(qū)、膠封區(qū)完成另一面葉片折彎及封口。

在整個(gè)包裝過程中，各類行程開關(guān)、傳感器實(shí)時(shí)檢測紙箱的位置與姿勢，并將采集信號(hào)傳送到控制器中，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)程序和算法從而完成對(duì)相應(yīng)電機(jī)、電動(dòng)推桿等的控制。自動(dòng)封裝機(jī)的工藝流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)封裝機(jī)的工藝流程Fig.2 Technological process of automatic packaging machine

1.3 控制方法的選擇

控制系統(tǒng)中常用的方法有繼電器控制、單片機(jī)控制以及PLC控制等。其中，繼電器控制接線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)難度大，可靠性差；單片機(jī)控制雖然控制能力較高，但是開發(fā)難度大，開發(fā)周期長，并且程序繁瑣不易理解，抗干擾能力不足。PLC是一款以微處理器為核心的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。與其他控制器相比，PLC具有功能強(qiáng)大、抗干擾能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易的特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用[13-15]。為適應(yīng)瓦楞紙箱封裝環(huán)節(jié)的工作環(huán)境，并考慮到自動(dòng)封裝機(jī)的工作特點(diǎn)，選用PLC作為整機(jī)的控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)瓦楞紙箱封裝的工藝特點(diǎn)，自動(dòng)封裝機(jī)的控制系統(tǒng)硬件包括PLC及擴(kuò)展模塊、觸摸屏、伺服電機(jī)、電動(dòng)推桿、光電傳感器、各類行程開關(guān)等。傳感器能夠迅速感應(yīng)紙箱信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給CPU，CPU再根據(jù)預(yù)設(shè)算法和程序運(yùn)算得出相應(yīng)的輸出信號(hào)，輸出的電信號(hào)控制伺服電機(jī)、電動(dòng)推桿的運(yùn)行，從而使得設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作。PLC控制系統(tǒng)的硬件連接如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)的硬件連接Fig.3 Hardware connection of PLC control system

2.1 PLC

可編程控制器PLC是帶有指令存儲(chǔ)器、數(shù)字或模擬輸入/輸出接口；以位運(yùn)算為主；能完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算功能；面向機(jī)器或生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制裝置。

根據(jù)自動(dòng)封裝機(jī)工藝流程以及控制要求，選用三菱FX2N-32MR型PLC。該型號(hào)PLC靈活性、控制能力較強(qiáng)，內(nèi)置8 kB容量的RAM存儲(chǔ)器，最大可擴(kuò)展到16 kB，可容納大量程序，從而為自動(dòng)封裝機(jī)的控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)提供有力保障；具有16個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，根據(jù)控制系統(tǒng)需要具備的功能分析和I/O點(diǎn)數(shù)目估算，能夠滿足控制要求，且留有10%～20%余量，便于擴(kuò)展。

將RS-485通信擴(kuò)展板安裝于PLC的基本單元上，PLC可以與帶有RS-485接口的外部設(shè)備進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)用戶通過以太網(wǎng)通信與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 觸摸屏

觸摸屏用于對(duì)自動(dòng)封裝機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障的顯示與監(jiān)控。該系統(tǒng)上位機(jī)選用威綸TK6050ip系列觸摸屏。

TK6050ip觸摸屏擁有400 MHz的32位RISC處理速度，配置RS-485等多個(gè)通信端口，從而能快速與下位機(jī)PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信，其供電電壓為常用的直流24 V；擁有較高的性價(jià)比，且在較惡劣的工作環(huán)境中，具有較高的穩(wěn)定性，能夠有效實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的通信，從而監(jiān)控與保證紙箱自動(dòng)封裝機(jī)的可靠運(yùn)行。此外，通過觸摸屏，可以設(shè)定待包裝紙箱的長寬高尺寸、包裝速度等參數(shù)；可以實(shí)現(xiàn)封裝機(jī)各個(gè)工位手動(dòng)操縱、多個(gè)工位聯(lián)動(dòng)調(diào)試等功能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為提高瓦楞紙箱自動(dòng)封裝機(jī)的智能性、可靠性，并保證自動(dòng)封裝機(jī)的整體性能，控制軟件部分的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。該自動(dòng)封裝機(jī)的PLC控制系統(tǒng)軟件采用GX Developer進(jìn)行程序的編程、監(jiān)控、調(diào)試，采用圖形化較好的梯形圖語言進(jìn)行控制程序的編程。自動(dòng)封裝機(jī)控制系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程Fig.4 Control system main control program flow chart

3.1 子模塊軟件設(shè)計(jì)

進(jìn)料模塊進(jìn)入工作模式時(shí)，主動(dòng)輪輥伺服電機(jī)通電，牽引外圈皮帶將紙箱送入設(shè)備內(nèi)部；紙箱到達(dá)升降臺(tái)后，觸發(fā)該處接近開關(guān)，送料模塊進(jìn)入工作模式。由于送料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將物料送至不同工位，在設(shè)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)依次為送料機(jī)構(gòu)處的電動(dòng)推桿通電，從而升降臺(tái)可到達(dá)不同高度的工位，因此送料子程序貫穿整個(gè)工作循環(huán)。升降臺(tái)上升觸發(fā)成箱機(jī)構(gòu)處的行程開關(guān)后，成箱模塊進(jìn)入工作模式，完成對(duì)紙箱的開箱和夾持。成箱模塊流程如圖5所示。

葉片折彎機(jī)構(gòu)進(jìn)入工作模式時(shí)，2臺(tái)伺服電機(jī)依次通電，帶動(dòng)4個(gè)壓板按順序下壓，使得紙箱大小葉片沿折痕彎折，此后電機(jī)失電，壓板在彈簧回復(fù)力作用下復(fù)位；升降臺(tái)到達(dá)膠封工位時(shí)，膠封模塊開始工作，完成膠帶貼箱壁、膠帶行走、膠帶切斷等過程。膠封模塊流程如圖6所示。

3.2 上位機(jī)軟件開發(fā)

用于系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置以及故障監(jiān)控的TK6050ip觸摸屏的主要功能如下：

圖5 成箱模塊控制流程Fig.5 Boxing module control flow chart

圖6 膠帶密封模塊流程Fig.6 Tape sealing module flow chart

1）狀態(tài)顯示 上位機(jī)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前傳感器、電機(jī)等的運(yùn)行狀態(tài)，以及已包裝成品的數(shù)量等工藝運(yùn)行參數(shù)。

2）包裝系列參數(shù)設(shè)置 根據(jù)不同型號(hào)紙箱的尺寸，編輯不同的長寬高數(shù)值，通過與PLC交互控制電機(jī)通電時(shí)長，實(shí)現(xiàn)柔性包裝功能。

3）數(shù)據(jù)查詢 為便于了解長期工作的歷史趨勢，在數(shù)據(jù)庫中存放有歷史數(shù)據(jù)，可以方便、精確、快捷地查閱相關(guān)數(shù)據(jù)。

4）報(bào)警功能 生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)，當(dāng)某一參數(shù)數(shù)據(jù)超過設(shè)定范圍或者設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，上位機(jī)報(bào)警，設(shè)備進(jìn)入急停狀態(tài)，相關(guān)的報(bào)警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中便于查詢。

紙箱自動(dòng)封裝機(jī)人機(jī)界面，主要包括初始界面、主控界面、手動(dòng)界面以及報(bào)警界面，部分界面如圖7所示。其中，初始界面用于設(shè)置語言，該軟件設(shè)計(jì)有中英文2種語言格式；主控畫面主要用于設(shè)定包裝紙箱的長寬高等尺寸參數(shù)，以及包裝速度的初始賦值；報(bào)警界面用于將故障檢測系統(tǒng)監(jiān)測到的故障結(jié)果顯示。

圖7 人機(jī)界面Fig.7 Human-machine interface

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)紙箱自動(dòng)封裝的自動(dòng)化與智能化，提出一種基于PLC的紙箱自動(dòng)封裝機(jī)控制系統(tǒng)，以三菱FX2N-32MR型PLC為控制系統(tǒng)核心，威綸TK6050ip觸摸屏作為上位機(jī)，完成了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在硬件載體的基礎(chǔ)上，采用梯形圖語言設(shè)計(jì)了PLC軟件程序，通過給出紙箱自動(dòng)封裝機(jī)的控制主程序流程、子模塊流程以及人機(jī)界面，從而使得紙箱自動(dòng)封裝機(jī)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。經(jīng)過樣機(jī)的試運(yùn)行，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠穩(wěn)定，提高了紙箱包裝效率和包裝質(zhì)量，具有可觀的應(yīng)用前景。