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        多膜智能包裝機的設計與實現(xiàn)

        2021-10-13 10:25:38張志偉羅欽通訊作者鄒博勝商凱源杜小鳳
        電子制作 2021年19期
        關(guān)鍵詞:電阻絲切刀包裝機

        張志偉,羅欽(通訊作者),鄒博勝,商凱源,杜小鳳

        (1.湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院,湖南株洲,412007;2.湖南工業(yè)大學機械工程學院,湖南株洲,412007)

        0 引言

        近年來,由于電商市場規(guī)模的擴大,服裝行業(yè)的銷量也在穩(wěn)步提升。隨規(guī)模擴大而來的問題,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,設計一款高度自動化的智能包裝機就顯得尤為重要。本文以實現(xiàn)多材料、多尺寸兼容為目標,對多膜包裝機進行拆解闡述。該多膜包裝機的設計,符合包裝行業(yè)智能化、自動化的發(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)自動化具有重要意義。

        1 多膜包裝機的主體架構(gòu)

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

        圖1 包裝機機械結(jié)構(gòu)

        物體輸送機構(gòu)是由控制電路、輸送帶、步進電機及其電機驅(qū)動組成。其中控制電路由電機控制電路和物體檢測電路組成,當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構(gòu)。

        熱封切機構(gòu)是由刀具支架、L型熱封切刀、Max31865模塊、PT100鉑電阻、步進電機和曲柄搖桿機構(gòu)組成。熱封和切袋都是由熱封切刀的機械運動完成的[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,步進電機通過曲柄遙感機構(gòu)控制刀具支架上下運動。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,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,當溫度達到設定的薄膜熱封切分溫度時,單片機控制熱封切刀相連的步進電機動作,完成對薄膜的熱封切分動作。當熱封切刀溫度超過工作溫度時,斷開恒電壓源,從而達到降低熱封切刀溫度的目的;而機器停止工作時,則采用自然冷卻。

        薄膜供應機構(gòu)是由薄膜支架、分膜撐桿、步進電機和光電傳感器組成。包裝薄膜為塑料對折膜,在物體輸送機構(gòu)開啟后,單片機控制步進電機使其以輸送帶相同的運動速度供應薄膜。薄膜經(jīng)過分膜撐桿后,會被打開并且運動方向改變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:一是機械運動與檢測模塊;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單片機是一款具有8個定時器112個GPIO端口的32位單片機。單片機時鐘電路和電源模塊采用典型電路即可。按鍵采用獨立式按鍵接口,實現(xiàn)調(diào)溫、尺寸手動更改等功能??刂破髋cOLED屏幕通信采用SPI通信方式,屏幕用于溫度、數(shù)量、設置尺寸等參數(shù)的顯示。

        機械運動與檢測模塊。包裝機中所有的執(zhí)行電機均采用57步進電機,該電機工作時不會產(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或包裝薄膜余量不足時,經(jīng)紅外光電式檢測模塊轉(zhuǎn)化為電信號傳給STM32單片機最小系統(tǒng)A,單片機進而控制對應的電機運動。以光電傳感器1檢測到信號為例,當其檢測到傳送帶上有待包裝物時,將信號傳到STM32單片機最小系統(tǒng)A,單片機發(fā)出相關(guān)信號控制傳送裝置中的電機1和電機2運動。機械運動與檢測模塊的原理圖如圖2所示。

        圖2 機械運動、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單片機最小系統(tǒng)B。最小系統(tǒng)B根據(jù)檢測到的實時溫度與設定的溫度值相比較,實時溫度低則輸出信號控制大功率MOS管閉合,給電阻絲通電;實時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 熱封切機構(gòu)的溫度閉環(huán)電路

        3 系統(tǒng)軟件部分設計

        3.1 機械運動、檢測系統(tǒng)軟件流程

        機械運動、檢測控制系統(tǒng)是通過單片機A、步進電機、光電傳感器相互配合,實現(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,當光電傳感器1檢測到有物體時,單片機通過輸出PWM[4]控制物體傳送機構(gòu)和薄膜供應機構(gòu)中的電機配合運動,將待包裝服裝運往已經(jīng)打開的對折膜中。光電傳感器2檢測到服裝和薄膜到達設定的合適的熱切封位置后,物體傳送機構(gòu)和薄膜供應機構(gòu)停止工作。同時,單片機A輸出PWM控制電機3正轉(zhuǎn),帶動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A輸出PWM控制電機4反轉(zhuǎn),抬起熱封切刀,并輸出PWM控制物體傳送機構(gòu)運動,將成品運走。當傳感器3檢測到物體后,記件數(shù)加1。完成整個包裝流程。

        圖4 機械運動、檢測系統(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啟動后,實現(xiàn)對電阻絲溫度的恒溫控制。由于電阻絲需要實時精確控制溫度,所以單獨采用單片機進行控制。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B。單片機通過讀取的數(shù)字信號,通過計算,調(diào)整繼電器的斷開和閉合時間,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)較弱承擔能力面前,只有自適應包裝物規(guī)格的多膜包裝機才能滿足這樣的需求。本文設計的多膜智能包裝機,實現(xiàn)了切封溫度可調(diào)、包裝尺寸可調(diào)的功能,達到了一機多用的目的,適用于服裝包裝市場、服裝電商個體等多個群體,用于減輕運用人工或半自動包裝機械的繁雜和高成本帶來的不便,具有一定的實用性,并且很大程度上的提高了服裝等柔性產(chǎn)品的包裝效率。

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