張學良 彭寬棟 莊敏

摘? 要：針對目前市場上小型多功能包裝設備緊缺的現(xiàn)狀，開發(fā)了一種集“旋蓋—封口—開箱—裝箱—折箱—封箱”等功能于一體的包裝機。提出了一種由自動封口、自動開箱、自動裝箱、自動折箱和自動封箱等機構組成的結構設計方案，利用三維建模軟件建立了該包裝一體機的數(shù)字化模型。在分析各機構運動關系的基礎上，開發(fā)了基于PLC與WinCC Flexible的智能控制系統(tǒng)及智能操作系統(tǒng)。最后對工程樣機進行測試，結果表明：所設計的包裝一體機操作簡便、運行穩(wěn)定，達到總體設計要求。

關鍵詞：多功能包裝一體機;智能控制系統(tǒng);工程樣機

中圖分類號：TP315? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0154-05

Research and Test of Multifunctional Integrated Packaging Machine

ZHANG Xueliang1，2， PENG Kuandong1，2， ZHUANG Min1，2

（1.Institute of High-end Equipment， Hangzhou Polytechnic， Hangzhou? 311402， China; 2.Hangzhou Polytechnic， Hangzhou? 311402， China）

Abstract： In view of the shortage situation of small multifunctional packaging equipments in the market， a packaging machine integrating the functions of “capping-sealing-unpacking-packing-folding-sealing” is developed， and a structural design scheme composed of automatic sealing， automatic unpacking， automatic packing， automatic folding and automatic sealing is put forward， the digital model of the integrated packaging machine is established by using the three-dimensional modeling software. Based on the analysis of the motion relationship of each mechanism， an intelligent control system and intelligent operating system based on PLC and WinCC Flexible are developed. Finally， the engineering prototype is tested， and the results show that the designed integrated packaging machine has the advantages of simple operation， stable operation， and meets the overall design requirements.

Keywords： multifunctional integrated packaging machine; intelligent control system; engineering prototype

0? 引? 言

目前市場上使用的大部分國內研發(fā)的包裝包裝一體機功能相對單一，大部分只能實現(xiàn)3個左右的包裝工序，對多工位多功能包裝一體機的自主研發(fā)能力相對薄弱，愿意投入精力研發(fā)的科研院校和企業(yè)也不多，本文圍繞裝箱一體化工藝流程進行分析，深入研究設計能實現(xiàn)裝箱一體化的多功能包裝一體機，提出了自動封口機構、自動開箱機構、自動裝箱機構、自動折箱機構和自動封箱機構等機構組成的多功能包裝一體機本體結構設計方案，同時在分析各機構運動關系及各包裝工序邏輯關系的基礎上，開發(fā)了基于PLC+Wincc Flexible開發(fā)包裝一體機的智能控制系統(tǒng)及智能操作系統(tǒng)。

1? 包裝一體機本體結構設計

在設計機械本體時，運用了大量四桿機構及衍生機構，基于NX軟件將進瓶、封口、開箱、裝箱、折箱和封箱等功能集成后繪制了三維機械裝置模型，在對大量仿真運行數(shù)據(jù)完善后完成了機械本體結構設計，本體各部分機械裝置均模塊化設計，方便功能拓展，解決市場上的包裝機械功能單一，不易于功能拓展的問題。

基于市場上相關包裝機械功能分析，研制的多功能包裝一體機應能代替需要人力完成的自動封口—裝箱—折箱蓋—封箱等工序，操作簡便、穩(wěn)定性高、設計人性化。在分析市場上小型包裝機械功能指標并優(yōu)化后提出的小型多功能包裝一體機相關性能設計參數(shù)如表1所示。

其主要功能有：

（1）自動封口功能：當旋蓋后的瓶子依次經(jīng)過熱封裝置時，實現(xiàn)需要密封保存類商品的密封功能。

（2）自動開箱功能：自動將紙板展開成立體形狀的紙箱。

（3）自動裝箱功能：密封后的瓶子在機械手的作用下準確裝進展開的紙箱。

（4）自動折箱功能：裝好瓶子的紙箱在傳送帶作用下進入折蓋裝置，快速折好紙箱的上下蓋子。

（5）自動封箱功能：折蓋后的紙箱在輸送裝置作用下，經(jīng)過封箱裝置，箱體上下蓋子會迅速被膠帶封好。

（6）自動分瓶、分箱功能：為保證瓶子、紙箱在傳送帶上有序運行，通過控制氣缸動作工序時間、輸送帶進瓶工序時間、實現(xiàn)自動分瓶、分箱，以保證瓶子和紙箱在傳送帶上有序運行。

包裝機的工作循環(huán)可以分為三過程：瓶子運行過程、紙箱運行過程、裝箱運行過程，其中瓶子運行過程與紙箱運行過程通過裝箱運行過程連接，整體設計方案如圖1所示。

基于以上分析，運用NX8.0設計了包裝包裝一體機的整體機械本體模型，如圖2所示，主要由熱封裝置、二自由度氣動吸盤、四桿衍生機構、五桿機構等組成。

2? 包裝一體機控制系統(tǒng)設計

2.1? 包裝一體機控制系統(tǒng)概述

在對多功能包裝一體機的控制功能需求進行詳細分析的基礎上，確定將多功能包裝一體機控制系統(tǒng)劃分為七個子系統(tǒng)，分別為：供瓶子系統(tǒng)、定位導向子系統(tǒng)、封口子系統(tǒng)、開箱子系統(tǒng)、裝箱子系統(tǒng)、折箱子系統(tǒng)、封箱子系統(tǒng)。供瓶子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)將需裝箱的瓶子，通過輸送裝置送入封口子系統(tǒng);封口子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將旋蓋后的瓶子依次經(jīng)過封口工位，采用非接觸式熱封裝置可快速實現(xiàn)密封功能;定位導向子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)將封口子系統(tǒng)中的瓶子定位好，以便于包裝一體機能順利地抓取瓶子，同時為裝箱導向，防止包裝一體機裝箱過程中發(fā)生故障;開箱子系統(tǒng)：用來完成紙箱開箱成型動作，以便于裝箱子系統(tǒng)完成裝箱任務;裝箱子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將定位好的瓶子裝入已經(jīng)成型好的紙箱中去，以便于封箱子系統(tǒng)完成封箱任務;折箱子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將裝箱后的箱蓋折平，便于下一工位進行封箱動作;封箱子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將裝箱完成的紙箱用膠帶密封，完成整個裝箱流程。理配置觸摸屏和上位機，完成控制系統(tǒng)的電路設計，主要包括系統(tǒng)供電電路設計、安全控制電路設計、伺服系統(tǒng)電路設計、電機驅動電路設計等組成。

2.2? 控制系統(tǒng)硬件分析

多功能包裝一體機的控制系統(tǒng)是基于西門子S7-200為主控，采用變頻驅動系統(tǒng)來實現(xiàn)運動控制，由EM232模塊來進行數(shù)字量/模擬量轉換對VFD-M系列臺達變頻器0～10 V電壓改變進行信號傳送從而實現(xiàn)電機加速減速功能。在整個系統(tǒng)中主要靠光電傳感器利用開關量信號接收以及磁性開關的信號接收，PLC的I/0口根據(jù)這些檢測得到的信號進行計算從而控制電機驅動板來控制電機停止及加減速功能。光電開關接收到封口位信號，高頻發(fā)生器進行動作，將瓶口的鋁膜封起來。當送料傳送帶底部檢測到瓶子滿時，左右無桿氣缸動作，將瓶子送到送箱傳送帶中，在送箱傳送帶上，當箱子折完前端蓋時，光電開關檢測到信號，折蓋氣缸動作，之后通過封箱機構從而完成一系列動作。整個控制系統(tǒng)的控制原理如圖3所示。

2.3? 控制系統(tǒng)軟件設計

包裝一體機分瓶、封口環(huán)節(jié)程序控制邏輯流程如圖4所示，當光電傳感器檢測到瓶子后，傳送帶停止運行，磁性開光啟動，分瓶氣缸擋住后面的瓶子，鋁膜封口裝置開始加熱，延時3秒之后擋瓶氣缸收回，鋁膜封口裝置停止加熱，傳送帶啟動，再延時10秒之后擋瓶氣缸伸出，進行下一個瓶子的封口，部分程序圖如圖5所示。

包裝一體機抓瓶裝箱程序控制邏輯流程如圖6所示，當光電傳感器感應到瓶子達一定數(shù)量后，傳送帶停止運行，機械手運行到瓶子上方，氣缸向下抓取瓶子，抓到瓶子后上升，延遲一定時間后傳送帶恢復運動，移動到箱子上方，光電傳感器感應到紙箱時氣缸向下運動，到一定程度后松開，完成裝箱。部分程序如圖7所示。

包裝一體機折箱蓋、封箱程序控制邏輯流程圖如圖8所示，當箱子裝滿瓶子后傳送帶運行，當折箱蓋的光電傳感器感應到箱子到達后電池閥開始運行進行后撤箱蓋，前側和兩翼采用全自動折蓋裝置，之后運行到自動封箱裝置開始進行箱頂?shù)姆庀?。部分程序如圖9所示。

2.4? 包裝一體機操作系統(tǒng)設計

對包裝一體機的軟件功能需求研究分析后，明確了其控制功能需求和操作功能需求，利用Wincc Flexible人機界面開發(fā)平臺開發(fā)出多功能包裝一體機人機交互界面如圖10所示，包含“封口—開箱—裝箱—折箱—封箱”等功能及拓展貼標功能。

3? 運行測試

所研發(fā)的多功能包裝一體機設備樣機如圖11所示。經(jīng)測試，包裝一體機前端待密封瓶子經(jīng)過封口機構時能準確完成瓶口鋁膜密封，密封好的瓶子在分瓶機構作用下達到整箱數(shù)量后由裝箱機構完成裝箱，裝滿瓶子的箱體經(jīng)過分箱機構后由傳送帶送達到折箱蓋機構，快速完成折箱蓋后再由封箱機構實現(xiàn)封箱，整個功能周期為30秒，運行穩(wěn)定。

經(jīng)實驗測試，多功能包裝一體機在各包裝工序運行準確，整個包裝過程約120秒，滿足設計開發(fā)要求，抓瓶、裝箱、折箱、封箱等運行效果如圖12所示。

4? 結? 論

多功能包裝一體機由封口機構、裝箱機構、折箱蓋機構和封箱機構組成。封口機構由熱封裝置用鋁膜對瓶口進行密封。裝箱機構由無桿氣缸、雙桿氣缸和真空吸盤組成，通過氣缸運動實現(xiàn)對瓶子的移動，將瓶子準確無誤的放進紙箱內。折箱蓋機構為四桿衍生機構，由簡單的幾塊亞克力板、兩塊鐵板和氣缸組成，結構簡單，簡單的機構卻能在箱體通過時，快速將箱子上部4個封邊蓋折好。封箱機構采用五桿機構可將膠帶干脆利落的緊貼箱體，完成對紙箱的包裝。本產(chǎn)品的控制部分主要采用PLC控制，在整個系統(tǒng)中主要靠光電傳感器利用開關量信號接收以及磁性開關的信號接收，PLC的I/O口根據(jù)這些檢測得到的信號進行計算從而控制電機驅動板來控制電機停止及加減速功能。利用WinccFlexible平臺開發(fā)設計的多功能包裝一體機操作界面，操作方便，能夠順利實現(xiàn)自動與手動模式切換。

參考文獻：

[1] 馬娟娟.全自動包裝機器人系統(tǒng)的研制 [D].南京：南京航空航天大學，2011.

[2] 王勇，龐增拴.基于PLC的全自動軟包袋袋碼垛控制系統(tǒng)設計 [J].科技創(chuàng)新導報，2015（29）：17-18.

[3] 張志偉，羅欽，鄒博勝，等.多膜智能包裝機的設計與實現(xiàn) [J].電子制作，2021（19）：71-72+97.

[4] 高康，黃倩.智能包裝應用現(xiàn)狀研究 [J].綠色包裝，2019（3）：52-55.

[5] 彭寬棟，張學良等.自適應履帶機器人的研究與測試 [J].機電工程2017，34（12）：1485-1490.

作者簡介：張學良（1977.03—），男，漢族，山東濰坊人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：機電一體化設備研究。