張志偉，羅欽（通訊作者），鄒博勝，商凱源，杜小鳳

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲，412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲，412007）

0 引言

近年來，由于電商市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，服裝行業(yè)的銷量也在穩(wěn)步提升。隨規(guī)模擴(kuò)大而來的問題，是包裝方面的效率不足。目前市場(chǎng)的主要打包方式還是嚴(yán)重依賴人工，存在著以效率低下為代表的諸多問題。針對(duì)這一系列問題，設(shè)計(jì)一款高度自動(dòng)化的智能包裝機(jī)就顯得尤為重要。本文以實(shí)現(xiàn)多材料、多尺寸兼容為目標(biāo)，對(duì)多膜包裝機(jī)進(jìn)行拆解闡述。該多膜包裝機(jī)的設(shè)計(jì)，符合包裝行業(yè)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)[1]，為提高包裝效率提供了一種可行方案，對(duì)包裝生產(chǎn)自動(dòng)化具有重要意義。

1 多膜包裝機(jī)的主體架構(gòu)

多膜包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由物體輸送機(jī)構(gòu)、熱封切機(jī)構(gòu)和膜卷供應(yīng)機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。物體輸送機(jī)構(gòu)的功能是移動(dòng)被包裝物至包裝處；熱封切機(jī)構(gòu)的功能是切斷包裝膜，完成封裝；膜卷供應(yīng)機(jī)構(gòu)的功能是分開和供應(yīng)包裝膜。包裝機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

物體輸送機(jī)構(gòu)是由控制電路、輸送帶、步進(jìn)電機(jī)及其電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成。其中控制電路由電機(jī)控制電路和物體檢測(cè)電路組成，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到輸送帶上有服裝，開啟輸送帶，將服裝和包裝薄膜一同輸送至熱封切機(jī)構(gòu)。

熱封切機(jī)構(gòu)是由刀具支架、L型熱封切刀、Max31865模塊、PT100鉑電阻、步進(jìn)電機(jī)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成。熱封和切袋都是由熱封切刀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)完成的[2]。L型熱封切刀由鎳鉻合金電阻絲做成，安裝在刀具支架上，步進(jìn)電機(jī)通過曲柄遙感機(jī)構(gòu)控制刀具支架上下運(yùn)動(dòng)。L型熱封切刀、12V恒壓電源和大功率MOS管串聯(lián)在一起，電流通過時(shí)，電阻絲持續(xù)加熱，PT100鉑電阻緊貼電阻絲，Max31865不斷檢測(cè)鉑電阻阻值并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的薄膜熱封切分溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱封切刀相連的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，完成對(duì)薄膜的熱封切分動(dòng)作。當(dāng)熱封切刀溫度超過工作溫度時(shí)，斷開恒電壓源，從而達(dá)到降低熱封切刀溫度的目的；而機(jī)器停止工作時(shí)，則采用自然冷卻。

薄膜供應(yīng)機(jī)構(gòu)是由薄膜支架、分膜撐桿、步進(jìn)電機(jī)和光電傳感器組成。包裝薄膜為塑料對(duì)折膜，在物體輸送機(jī)構(gòu)開啟后，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)使其以輸送帶相同的運(yùn)動(dòng)速度供應(yīng)薄膜。薄膜經(jīng)過分膜撐桿后，會(huì)被打開并且運(yùn)動(dòng)方向改變90°，薄膜打開后為上下兩片，上片在服裝上方，下片在輸送帶1下方，下片通過輸送帶1和2的中縫至輸送帶2和包裝物之間。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

電氣部分包含兩大模塊：一是機(jī)械運(yùn)動(dòng)與檢測(cè)模塊；二是溫度閉環(huán)控制模塊。兩大模塊分別以一片STM32F1 03ZET6為控制芯片，STM32F103ZET6單片機(jī)是一款具有8個(gè)定時(shí)器112個(gè)GPIO端口的32位單片機(jī)。單片機(jī)時(shí)鐘電路和電源模塊采用典型電路即可。按鍵采用獨(dú)立式按鍵接口，實(shí)現(xiàn)調(diào)溫、尺寸手動(dòng)更改等功能。控制器與OLED屏幕通信采用SPI通信方式，屏幕用于溫度、數(shù)量、設(shè)置尺寸等參數(shù)的顯示。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)與檢測(cè)模塊。包裝機(jī)中所有的執(zhí)行電機(jī)均采用57步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤差積累，無需引入反饋環(huán)節(jié)；檢測(cè)電路采用光敏電阻傳感器。光電傳感器檢測(cè)到物體到來時(shí)或包裝薄膜余量不足時(shí)，經(jīng)紅外光電式檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)A，單片機(jī)進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)。以光電傳感器1檢測(cè)到信號(hào)為例，當(dāng)其檢測(cè)到傳送帶上有待包裝物時(shí)，將信號(hào)傳到STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)A，單片機(jī)發(fā)出相關(guān)信號(hào)控制傳送裝置中的電機(jī)1和電機(jī)2運(yùn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)與檢測(cè)模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)電路

溫度閉環(huán)控制模塊。溫度傳感器選用PT100鉑電阻傳感器，測(cè)量范圍在-200～850℃[3]，經(jīng)Max31865模塊將電阻絲溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)B。最小系統(tǒng)B根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定的溫度值相比較，實(shí)時(shí)溫度低則輸出信號(hào)控制大功率MOS管閉合，給電阻絲通電；實(shí)時(shí)溫度高則輸出信號(hào)控制大功率MOS管斷開，使電阻絲斷電。通過控制MOS管的通斷，達(dá)到控制溫度的目的。該模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 熱封切機(jī)構(gòu)的溫度閉環(huán)電路

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程

機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)是通過單片機(jī)A、步進(jìn)電機(jī)、光電傳感器相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)服裝的包裝。程序工作流程：人工將待包裝的服裝放在輸送帶1上，當(dāng)光電傳感器1檢測(cè)到有物體時(shí)，單片機(jī)通過輸出PWM[4]控制物體傳送機(jī)構(gòu)和薄膜供應(yīng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)配合運(yùn)動(dòng)，將待包裝服裝運(yùn)往已經(jīng)打開的對(duì)折膜中。光電傳感器2檢測(cè)到服裝和薄膜到達(dá)設(shè)定的合適的熱切封位置后，物體傳送機(jī)構(gòu)和薄膜供應(yīng)機(jī)構(gòu)停止工作。同時(shí)，單片機(jī)A輸出PWM控制電機(jī)3正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)L型熱封切刀下落，完成對(duì)服裝的熱封和切袋。熱切封完成后，單片機(jī)A輸出PWM控制電機(jī)4反轉(zhuǎn)，抬起熱封切刀，并輸出PWM控制物體傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將成品運(yùn)走。當(dāng)傳感器3檢測(cè)到物體后，記件數(shù)加1。完成整個(gè)包裝流程。

圖4 機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)系統(tǒng)

圖5 溫度閉環(huán)系統(tǒng)軟件流程

3.2 溫度閉環(huán)系統(tǒng)軟件流程

此部分程序的作用是在包裝機(jī)啟動(dòng)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻絲溫度的恒溫控制。由于電阻絲需要實(shí)時(shí)精確控制溫度，所以單獨(dú)采用單片機(jī)進(jìn)行控制。電阻絲隨溫度變化阻值發(fā)生變化，Max31865模塊對(duì)其阻值進(jìn)行測(cè)量與A/D轉(zhuǎn)換，并通過SPI通訊方式，將數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)B。單片機(jī)通過讀取的數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)算，調(diào)整繼電器的斷開和閉合時(shí)間，另外將數(shù)字信號(hào)通過SPI通訊方式傳給OLED屏幕，屏幕將目前檢測(cè)到的溫度、設(shè)定溫度等信息顯示在屏幕上。

4 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，對(duì)于服裝的需求量日益增大。在龐大的服裝數(shù)量和種類以及中小型企業(yè)較弱承擔(dān)能力面前，只有自適應(yīng)包裝物規(guī)格的多膜包裝機(jī)才能滿足這樣的需求。本文設(shè)計(jì)的多膜智能包裝機(jī)，實(shí)現(xiàn)了切封溫度可調(diào)、包裝尺寸可調(diào)的功能，達(dá)到了一機(jī)多用的目的，適用于服裝包裝市場(chǎng)、服裝電商個(gè)體等多個(gè)群體，用于減輕運(yùn)用人工或半自動(dòng)包裝機(jī)械的繁雜和高成本帶來的不便，具有一定的實(shí)用性，并且很大程度上的提高了服裝等柔性產(chǎn)品的包裝效率。