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)
近年來,由于電商市場規(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[1],為提高包裝效率提供了一種可行方案,對包裝生產(chǎn)自動(dòng)化具有重要意義。
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電路組成,當(dāng)光電傳感器檢測到輸送帶上有服裝,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不斷檢測鉑電阻阻值并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給單片機(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。
電氣部分包含兩大模塊:一是機(jī)械運(yùn)動(dòng)與檢測模塊;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??刂破髋cOLED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)不會產(chǎn)生誤差積累,無需引入反饋環(huán)節(jié);檢測電路采用光敏電阻傳感器。光電傳感器檢測到物體到來時(shí)或包裝薄膜余量不足時(shí),經(jīng)紅外光電式檢測模塊轉(zhuǎn)化為電信號傳給STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)A,單片機(jī)進(jìn)而控制對應(yīng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)。以光電傳感器1檢測到信號為例,當(dāng)其檢測到傳送帶上有待包裝物時(shí),將信號傳到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)與檢測模塊的原理圖如圖2所示。
圖2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢測電路
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
機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢測控制系統(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)打開的對折膜中。光電傳感器2檢測到服裝和薄膜到達(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)、檢測系統(tǒng)
圖5 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模塊對其阻值進(jìn)行測量與A/D轉(zhuǎn)換,并通過SPI通訊方式,將數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)B。單片機(jī)通過讀取的數(shù)字信號,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)字信號通過SPI通訊方式傳給OLED屏幕,屏幕將目前檢測到的溫度、設(shè)定溫度等信息顯示在屏幕上。
隨著人們生活水平的提高,對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、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。