雷斌 鄭洪波 李明俊 余正泓

摘要：針對包裝行業(yè)待包裝紙盒人工送料開蓋過程中存在人工成本高、工作效率低、勞動強度大等問題，對工藝流程和現(xiàn)場布局進行分析，研究了一套可以自動送料、自動拆蓋的自動送料拆蓋裝置。運用Soildworks建立設備的三維模型，主要包括送料和拆盒兩部分組成;電氣控制采用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制系統(tǒng)，設計了該控制系統(tǒng)的框架，確立了控制系統(tǒng)的硬件組成，基于三菱GXworks軟件編寫了該裝置自動送料、自動拆蓋的程序，完成了人機界面的組態(tài)。研究結果表明，所設計的裝置結構合理、功能完善、性能穩(wěn)定，提高了操作的便捷性與生產(chǎn)的安全性，生產(chǎn)效率得到了提高，降低了工人重復勞動的強度。

關鍵詞：自動送料機;控制系統(tǒng);可編程邏輯控制器;人機界面

中圖分類號：TP23文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0161-05

Design of a Carton Automatic Aeeding and Removing Device

Lei Bin ，Zheng Hongbo，Li Mingjun，Yu Zhenghong

（School of Robotics， Guangdong Vocational College of Science and Technology， Zhuhai， Guangdong 519090， China）

Abstract： In view of the problems of high labor cost， low work efficiency， and high labor intensity in the manual feeding and opening process ofthe packaging carton to be packed in the packaging industry， a set of automatic feeding and automatic feeding and removing cover device forremoving cover was studied. The three-dimensional model of the equipment was established by using Soildworks， which mainly consists offeeding and unpacking. Programmable logic controller （PLC） was adopted as the electrical control system， the framework of the control systemwas designed， and the hardware composition of the control system was established. Based on Mitsubishi gxworks software， the program ofautomatic feeding and automatic cover removal of the device was compiled， and the configuration of man-machine interface was completed.The results show that the designed device has reasonable structure， perfect function and stable performance， improves the convenience ofoperation and production safety and the production efficiency， reduces the intensity of repeated labor.

Key words： automatic feeder; control system; programmable logic controller; man-machine interface

0 引言

近年來，隨著電子產(chǎn)品的包裝需求過旺，針對包裝行業(yè)待包裝紙盒人工送料、開蓋過程強度大，生產(chǎn)周期較長等問題。本文旨在設計一套低成本紙盒自動送料拆盒裝置，以此實現(xiàn)自動化送料拆盒的功能，將工人從繁重的包裝勞動中解放出來，提高企業(yè)的工作效率[1]。

通過行業(yè)調研數(shù)據(jù)分析可知，大多數(shù)包裝企業(yè)現(xiàn)狀均采用人工或多自由度工業(yè)機器人對紙盒進行拆盒包裝。但上述2種方式均存在許多問題，如使用人工包裝，費時費力，長期考慮成本較高;如使用機器人，由于紙盒大小形態(tài)常變，生命周期有限，又會使設備使用無法持續(xù)，需經(jīng)常更換，不滿足企業(yè)要求。

通過分析工藝流程和行業(yè)現(xiàn)狀可知，目前國內外針對包裝行業(yè)送料拆蓋環(huán)節(jié)的低成本設計尚屬空白，包裝需求又日益增加，現(xiàn)有使用方案成本均比較高。因此，對于紙盒拆蓋工序，研究一套低成本送料拆蓋裝置十分有必要[2]。本文所研究方案期望解決生產(chǎn)過程中人力包裝強度大、周期長、成本高等痛點，使用低成本自動化設備代替人工，實現(xiàn)了自動化送料拆盒的功能。本裝置的研究實現(xiàn)對于大幅節(jié)省企業(yè)成本、提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化能夠起到較大的實際意義與作用。

1 送料拆盒工藝分析

數(shù)碼產(chǎn)品的包裝盒基本以長寬不等的長方形天地蓋形式紙盒為主，紙盒式樣如圖1所示。

包裝行業(yè)原始紙盒來料為完整紙盒，工藝過程是首先由人工上料，再逐一拆盒為上下蓋兩部分，最后人工卸料，將拆盒完畢的上下蓋運送至下個工位以滿足后續(xù)工藝要求，如此循環(huán)。工藝流程如圖2所示。

2 總體結構設計

2.1 機械結構及功能

自動送料拆盒機的整體結構由送料和拆盒兩部分組

成，送料部分機械結構由加料機構、推料機構、送料機構組成，拆盒部分機械結構由拆盒平臺、開盒機構和旋轉機構組成。其結構組成及工位正視圖如圖3所示。

2.2 送料模塊設計

送料模塊由加料機構、推料機構、送料機構組成，具體如圖4所示。

加料機構：由升降和水平兩部分組成，利用氣缸驅動，使機構末端的加料擋板沿滑軌升降或水平運動，完成加料動作。

推料機構：由推料氣缸結構組成，機構末端的推料擋板在完成一次加料后，推料擋板動作，將紙盒推至送料工位。

送料機構：由送料氣缸結構組成，推料機構在完成一次推料后，送料擋板將待拆紙盒往前推送至開盒平臺，完成一次送料工序。

2.3 拆盒模塊設計

拆盒模塊分別由拆盒平臺、開盒機構、旋轉機構等結構組成，主要機構如圖5所示。

拆盒平臺：由可調擋板和物料檢測裝置組成，當送料部分完成一次投料并物料檢測到紙盒后通知開盒機構開始工作。

開盒機構：由兩個水平開盒氣缸組成，當收到拆盒信號后，利用氣缸驅動，使機構末端的拆盒吸盤沿滑軌水平合攏，夾緊待拆紙盒，后打開真空回路，吸緊紙盒，水平遠離回到初始位置，完成一次拆盒動作。

旋轉機構：由兩對旋轉步進電機組成，末端結構由吸盤面板與吸盤組成，吸盤固定在吸盤面板的4個邊角上。當完成拆盒動作后，通過電機驅動，來控制末端執(zhí)行器旋轉將上下蓋同時旋轉至水平位置，準備垂直投放至相應載板運輸至下一工位。

3 氣路系統(tǒng)設計

3.1 物料夾取方式的選定

根據(jù)紙盒材質及拆盒工藝流程分析，本裝置拆盒部分末端執(zhí)行器采用氣吸附方式取料，與夾鉗式等其他方式相比，具有如下優(yōu)點[3]：結構簡單，重量輕;吸附力分布均勻、穩(wěn)定，對物體表面損害極小;廣泛應用于非金屬材料，對于片狀物體的搬運更具有優(yōu)越性。

3.2 氣路功能需求分析

氣吸附式末端執(zhí)行器需配備完整的氣路系統(tǒng)以實現(xiàn)真空吸附的功能，氣路系統(tǒng)一般由真空吸盤、氣體控制元件、吸附氣路等組成。在真空氣路系統(tǒng)的設計過程中需要考慮如下功能需求。

（1） 需配備氣體干燥過濾元件，其作用是負責對氣路氣體進行干燥過濾，減少雜質和水分，保證氣路系統(tǒng)環(huán)境的干燥、純凈，提高吸附精度和吸附力的穩(wěn)定性。

（2） 需配備型號合適的減壓閥，用于穩(wěn)定氣體壓力，減少氣壓波動所產(chǎn)生的干擾，以此提高氣路輸出氣壓的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 氣路方案設計

通過氣路功能需求分析可知，紙盒的吸附與釋放是氣路系統(tǒng)的主要工作狀態(tài)，紙盒吸附完成后需正壓氣體以解除負壓狀態(tài)來釋放紙盒，吸附與釋放兩種狀態(tài)的切換過真空電磁閥控制實現(xiàn);由于在工作中，需實時監(jiān)測內部真空狀態(tài)，動態(tài)調整壓強，因此需配置真空監(jiān)測器裝置[4]。

根據(jù)上述功能需求，以此確定真空氣路系統(tǒng)的設計方案如圖6所示。圖中，氣源由真空鼓風機產(chǎn)生，真空氣體經(jīng)干燥、過濾、減壓后儲存在氣罐中，為氣體回路提供可靠的真空度。工作時，打開電磁閥，吸盤上的吸嘴內產(chǎn)生真空負壓，形成吸力完成紙盒吸附，當紙盒到達目標位置后，PLC發(fā)出指令控制關閉電磁閥，真空負壓消失，紙盒釋放，完成拆蓋動作。

4 電氣控制系統(tǒng)設計

4.1 工作原理

送料拆盒的工藝流程如圖7所示，更換不同型號的紙盒后，手動調整開盒平臺和送料平臺尺寸，定位紙盒位置，并進行相應部位的調試，送料拆盒機啟動后，紙盒由人工送料，10個一組放置加料倉位，而后由加料機構和推料機構配合將其送至送料倉位，最后由送料機構送至開盒平臺，紙盒到達指定位置后，開盒機構水平夾緊紙盒，開啟真空回路，兩個吸盤吸取上下紙盒蓋，而后開盒氣缸回到初始位置，上下紙盒蓋由旋轉機構旋轉至水平位置，檢測載板到位后，完成上下蓋投料，從而完成整個自動送料拆盒流程。

4.2 控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的主要任務是通過分析紙盒包裝的拆盒工藝來控制各個機構的執(zhí)行，控制原理如圖8所示。控制系統(tǒng)主要包括紙盒補充、紙盒輸送、紙盒拆盒等。通過上述功能需求分析可知，本裝置主要由 PLC 、步進電機、驅動器、復位按鈕、啟動按鈕、急停按鈕、光電開關、接近傳感器、氣缸、蜂鳴器等部分組成。

4.3 系統(tǒng)控制要求

為保證系統(tǒng)的正常運行，有如下控制要求。

（1） 異常報警：在設備運行過程中，傳感器實時監(jiān)測，若監(jiān)測到料倉缺料、紙盒定位錯誤、紙盒中途掉落等異常，蜂鳴器亮紅燈報警，當異常排除后，點擊觸摸屏復位按鈕即可使設備重新運行。

（2） 急停處理：若設備出現(xiàn)異常報警，為保護人員及設備安全，需工人立即按下急停開關，緊急斷電使設備停止運行，當異常排除后，點擊觸摸屏復位按鈕使各執(zhí)行機構回歸原位，重新開始正常運行。

（3） 復位處理：首先在系統(tǒng)正常運行前進行復位初始化工作，保證各個機構處于初始狀態(tài);其次在緊急情況處理完畢后，點擊復位按鍵完成復位初始化工作。

（4） 缺料預警：系統(tǒng)工作中，實時監(jiān)控紙盒料倉的剩余數(shù)量，當紙盒數(shù)量小于預警位后，設備通過指示燈及蜂鳴器發(fā)出警示，提醒補料。

4.4 硬件選型

通過分析整個設備工藝流程可知，本裝置工藝過程步驟復雜，完成整道工序需加料、推料、送料的動作配合，又有拆盒、旋轉以及真空吸盤的動作配合，同時還要求整個過程并行操作，加快拆盒速度，提高工作效率。

中央控制器的選型上，若采用單片機 MCU控制，需設計復雜外部電路進行配合，控制器的穩(wěn)定性及可靠性無法保證。在工業(yè)自動化行業(yè)，除選用單片機作為控制器外，還可選擇 PLC作為主控，PLC全稱可編程邏輯控制器，PLC具有很強的順序控制、邏輯運算、定時控制等指令，并可通過光電開關、機械開關等作為輸入信號，以氣缸、電機、電磁閥等作為輸出信號，進行工業(yè)自動化生產(chǎn)過程的控制[5]。因此，本系統(tǒng)控制器采用三菱公司生產(chǎn)的 FX3U-64MT系列 PLC實現(xiàn)對整個拆盒過程的自動化控制，通過對于工作過程需求分析，該系列共有64個輸入/輸出點數(shù)，完全滿足本設備需求。

4.5 控制系統(tǒng) I/O地址分配

通過分析自動送料拆盒機的控制要求可知，本系統(tǒng)需配置15個輸出信號和26個輸人信號，輸入、輸出地址的分配如表1所示。

4.6 控制軟件編程

通過分析系統(tǒng)控制要求，本裝置控制軟件流程如圖9所示，PLC程序采用順控梯形圖進行編程，根據(jù)系統(tǒng)控制流程所述步驟，當 PLC收到傳感器等輸入信號時，程序控制各個機構按流程先后次序自動依次進行動作。

本裝置 PLC軟件設計采用三菱的GXworks編程軟件，在分配好各個輸入/輸出地址后進行 PLC程序編程[6]。根據(jù)產(chǎn)品工藝流程，在設計本裝置程序時，將主控程序分為送料和開盒兩部分進行編程，程序設計需考慮紙盒送料、開盒各個動作之間的配合。

根據(jù)系統(tǒng)要求，料倉中的光電傳感器實時監(jiān)測紙盒，當未檢測到紙盒時，系統(tǒng)進行缺料報警，而后人工根據(jù)提示進行人工放料，按下入料就緒按鍵后，加料機構往料倉進行補料，而后推料和送料機構開始配合送料至開盒平臺;當開盒平臺光電傳感器檢測到紙盒后，兩個對稱的開盒氣缸動作，吸盤吸取上下紙蓋后送達至指定位置放料，若未到達指定位置，當吸盤上的光電傳感器檢測到中途紙盒掉落，則系統(tǒng)異常報警，各個輸出位均復位，等待人工處理完畢后重新開始工作。

5 中控系統(tǒng)設計

5.1 中控系統(tǒng)

本裝置中控系統(tǒng)配備1臺 PC主機及顯示屏，中控系統(tǒng)采用 VB.NET 進行軟件控制程序編寫，中控系統(tǒng)通過串口通信向 PLC電氣控制系統(tǒng)發(fā)送控制信息，如圖10所示;同時當電氣控制系統(tǒng)完成相應的動作或出現(xiàn)故障時，亦可通過指定的協(xié)議向中控系統(tǒng)反饋信息，實現(xiàn)全程控制與監(jiān)控[7]。

5.2 系統(tǒng)管理界面

中控系統(tǒng)作為整個裝置的樞紐[8]，主要負責控制與監(jiān)控裝置的實時運行狀況，系統(tǒng)界面主要有3個部分組成。

（1） 工作界面：主要為設備的啟動、停止、復位等操作控制界面，并實時顯示設備工作狀態(tài)下的產(chǎn)能、完成率等各類參數(shù)，具體界面如圖11所示。

（2） 故障監(jiān)控界面：主要負責記錄設備各類故障的發(fā)生情況，并對故障原因進行分析統(tǒng)計，輸出實時數(shù)據(jù)，具體界面如圖12所示。

（3） 參數(shù)配置界面：主要為設備研發(fā)人員設計開

放，在此界面研發(fā)工程師可以實現(xiàn)各類氣缸、電機等執(zhí)行器件的手動操作，主要用于設備的日常維護、調試與升級，具體界面如圖13所示。

6 研究成果驗證

6.1 設備運行測試

通過對本裝置進行大批量多輪實地測試，實際運行數(shù)據(jù)如圖14所示。送料拆盒工序，滿足設計及工藝要求。如圖所示，本裝置在為期3輪的測試周期內，總計拆盒個數(shù)12000，成功個數(shù)11812，拆盒成功率98.4%，且每輪成功率均維持在97%以上，實際數(shù)據(jù)滿足設計要求所規(guī)定的95%。

從上述測試數(shù)據(jù)分析可知，本裝置實際運行可靠穩(wěn)定，能夠較好地完成送料拆盒工序，滿足設計及工藝要求。

6.2 改善效率評估

對比分析本裝置與原有人工操作的數(shù)據(jù)如圖15所示。通過圖中數(shù)據(jù)可知，使用自動送料開蓋裝置代替人工操作后，從人力資源上看本裝置節(jié)省了2個人工，從工時上可知，本裝置成功實現(xiàn)了自動化送料拆盒的功能，節(jié)省人工成本、有效地提高了工作效率。

7 結束語

隨著產(chǎn)品紙盒包裝的需求日益增大，利用自動控制技術改造傳統(tǒng)手工包裝行業(yè)，對提高生產(chǎn)設備的自動化及企業(yè)的生產(chǎn)效率是一種有效的方法。本裝置針對包裝行業(yè)紙盒人工送料開蓋過程中人工成本高、工作效率低、勞動強度大等一系列問題進行工藝整合優(yōu)化，本文利用 PLC 、觸摸屏等技術設計出自動送料開蓋裝置，實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，新設備性能穩(wěn)定，操作簡捷，大大提高了生產(chǎn)效率，所有指標均達到了設備及工藝要求。

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第一作者簡介：雷斌（1992-），男，湖南岳陽人，碩士，研究領域為自動化機電設備，已發(fā)表論文6篇。

（編輯：刁少華）