低成本全自動無人套袋機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

濮陽職業(yè)技術(shù)學院 王 亞

低成本全自動無人套袋機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

濮陽職業(yè)技術(shù)學院 王 亞

選用單片機作為系統(tǒng)控制核心使套袋機實現(xiàn)全自動。同時，通過全部使用氣缸實現(xiàn)低成本。本文從套袋動作解析、控制系統(tǒng)設(shè)計、單片機編程實現(xiàn)等方面闡述了低成本全自動無人套袋機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。

套袋機；上袋機；全自動；氣缸；單片機

引言

套袋機也叫上袋機，是一種代替人工往物料灌裝機械上套裝各種包裝袋的機械。自動套袋機代替了手工套袋，為企業(yè)實現(xiàn)了包裝自動化，操作員只要一次性將幾百個包裝袋，放在設(shè)備的取袋部，設(shè)備機械會自動的取袋、列印日期、開袋、給計量裝置信號計量并落料、封口、輸出。包裝全過程無需人工作業(yè)，有效的提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人工費用及管理費用，大幅降低了成本。

套袋機的適用范圍極其廣泛?？捎糜诩埶軓秃?、塑塑復合、鋁塑復合、PE復合等類型的預制好的包裝袋，也可以用于普通編織袋。此外，還可以一機多用，只需根據(jù)不同的物料配套不同的下料計量裝置能實現(xiàn)顆粒、粉末、塊狀、液體、軟罐頭、玩具、五金件等產(chǎn)品的全自動包裝。目前，套袋機常常作為自動化配料包裝碼垛生產(chǎn)線的一部分隨整個生產(chǎn)線一起銷售。由于整個生產(chǎn)線價格高昂，通常從幾十萬到幾百萬人民幣，一般的小廠無力購買，不得不選擇人工套袋。然而在人工套袋中，除長期人工成本和管理成本不斷增加外，工人還必須承受大量粉塵污染的侵害，于是研發(fā)低成本的無人化自動套袋機械勢在必行。

1.系統(tǒng)組成

自動套袋機由機架、單片機控制器（帶液晶屏）、空氣壓縮機、電機、真空泵、電磁閥、氣缸、傳感器等元器件組成。以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，控制各個氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)調(diào)工作，完成一系列動作，使包裝袋套在灌裝機構(gòu)上。其操作方便，并配有檢測裝置，可以檢測機器在沒有包裝物或包裝袋沒有打開的情況下使充填裝置不進行充填，熱封裝置不封口，從而避免浪費包材和原料。

2.套袋機自動套袋動作解析

套袋機分為吸袋、給袋、運袋、開袋、插入、撐袋、套袋、夾袋、抽離、復位、封口等步驟。其動作解析如下：

（1）吸袋

控制電磁閥a使吸袋氣缸下行，并使真空泵的電磁閥b打開將袋倉中的袋子吸住，之后使氣缸上行，上行過程中有個上下往復的抖動動作，避免粘連。

（2）給袋

控制電磁閥c，使給袋氣缸給袋，并使給袋撥片動作，完成給袋。

（3）運袋

電機轉(zhuǎn)動經(jīng)皮帶傳動帶動輥子轉(zhuǎn)動，將袋子從袋倉滾動到開袋工位。

（4）開袋

控制電磁閥d，使開袋氣缸下行，同時控制電磁閥b使開袋工位的下方的氣管和上方的氣管打開抽真空，吸住袋子后，氣缸上行，使袋口打開。

（5）插入

控制電磁閥e，使短氣缸回縮，帶動撐袋機構(gòu)插入袋口。

（6）撐袋

控制電磁閥f，使撐袋氣缸撐住袋口。

（7）套袋

控制電磁閥g，使長氣缸撐開，把袋子套入出料口。

（8）夾袋

控制電磁閥h，使氣缸動作，通過打開出料口把袋子夾在出料口上。

（9）抽離

控制電磁閥e，使短氣缸也撐開，將撐袋機構(gòu)抽離出料口。

（10）復位

控制電磁閥g，使長氣缸回縮；同時控制電磁閥f，使撐袋氣缸松開撐袋，回歸原位。

（11）封口

待下料結(jié)束，控制電磁閥h，使出料口關(guān)閉；同時控制電磁閥i，使封口氣缸動作，排除袋子中的氣體，進行熱封或列印日期。封口動作也有減少灰塵污染的作用。

其中，如表1所示，電磁閥e控制的短氣缸和電磁閥g控制的長氣缸串聯(lián)來控制套袋臂的工位，通過四種排列組合，得到四個工位，巧妙的滿速了實際需求，代替了價格較為高昂的伺服電機或者步進電機，并且有更好的長期穩(wěn)定性，不易發(fā)生故障，效果良好。

表1 串聯(lián)氣缸邏輯控制功能表

3.控制系統(tǒng)原理

當用戶開啟系統(tǒng)總閘，整個系統(tǒng)上電，空氣壓縮機、真空泵、皮帶電機開始得電工作，此時單片機控制器也得電處于待命狀態(tài)。按下開始按鍵，單片機控制器即控制各個執(zhí)行機構(gòu)開始套袋動作。當袋子用完，或者出現(xiàn)套袋故障時，報警器會報警，提醒操作人員進行補袋或者進行故障處理。按停止按鈕，系統(tǒng)則會停止套袋動作。關(guān)閉系統(tǒng)總閘，則所有設(shè)備失電停止工作。

單片機控制器選用STC12C5A32S2單片機作為系統(tǒng)控制核心，并配以19264LCD液晶屏、薄膜按鍵、蜂鳴輸出，以及一系列PLC式的標準光耦隔離輸入和繼電器輸出。STC12C5A32S2的LQFP-48封裝機型含有44個IO口，有29K的掉電不丟失的EEPROM存儲空間和31K的flash程序存儲器，還具備8路10位AD，功能強大。

全自動套袋機的IO分配方面，套袋機本身至少需要10個輸出口，4個輸入口。由此，單片機控制器的所有IO引腳中，有12個（2個備用）分配給可承載220AC1A的繼電器輸出端口，12個（8個備用）分配給光耦隔離輸入端口，5個分配給薄膜按鍵接口用于調(diào)整延時時間之類的參數(shù)設(shè)置，1個分配給蜂鳴器輸出。此外，LCD的數(shù)據(jù)輸入輸出需要8個引腳，LCD的其余控制引腳，PSB、E1、E2、RST、RS、RW又需要6個引腳。至此，44個引腳分配完畢。

4.軟件設(shè)計

單片機上電后首先進行初始化CPU、LCD，讀取EEPROM中存儲的設(shè)置，顯示開機字幕，使蜂鳴器發(fā)音等初始化工作。然后，進入無限循環(huán)，包括傳感器掃描處理，按鍵掃描處理，系統(tǒng)參數(shù)保存處理，顯示信息，狀態(tài)輸出。其中狀態(tài)輸出是軟件的核心部分，包含一系列條件輸出。按照套袋機的工作步驟，根據(jù)時間和輸入條件，判斷出當前應(yīng)該的狀態(tài)，使輸出端口輸出0或者1，進而控制電磁閥，進而控制氣缸等執(zhí)行機構(gòu)，完成套袋工作。

5.結(jié)束語

由于全部使用氣缸，而氣缸具有較大彈性的特點，避免了加工特別精密的零件；同時通過巧妙的設(shè)計，代替了伺服電機等成本較為高昂的元件，成本大幅度降低，達到了低成本的效果。這使得一些原本無力購買整條包裝碼垛生產(chǎn)線的小廠也有了使用條件，大大擴大了市場接受度，為中小企業(yè)提高自動化生產(chǎn)程度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，以及減少污染、保護工人等起到了很大作用，取得了良好的市場效益和社會效益。

[1]張碧波.淺談包裝碼垛自動生產(chǎn)線的發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2008(23).

[2]STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[Z].宏晶科技,2014.8.

王亞（1981—），男，河南濮陽人，濮陽職業(yè)技術(shù)學院教師。