緩沖袋氣柱成型機(jī)控制系統(tǒng)

許文靜

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 江蘇 江陰 214433)

緩沖袋氣柱成型機(jī)控制系統(tǒng)

許文靜

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 江蘇 江陰 214433)

根據(jù)實(shí)際控制要求，選用三菱的控制器，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，光電傳感器對(duì)卷膜的位置進(jìn)行識(shí)別，完成了硬件系統(tǒng)和軟件平臺(tái)的搭建。實(shí)踐證明,采用該控制方案，性能安全可靠，降低了生產(chǎn)成本，自動(dòng)化程度高，有效提高緩沖袋的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

氣柱成型機(jī)； PLC； 觸摸屏

0 引 言

近年來(lái)，緩沖袋作為一種新型包裝材料較多應(yīng)用于各運(yùn)輸包裝領(lǐng)域。它主要用在易碎商品的內(nèi)層保護(hù)性包裝上，如微電子產(chǎn)品、緊密儀器、打印耗材等，起到抗振防摔，防潮防靜電。

緩沖袋的生產(chǎn)經(jīng)印刷、復(fù)合、分切、制袋4個(gè)過(guò)程完成。緩沖袋氣柱成型機(jī)是其中生產(chǎn)柱狀空氣墊的復(fù)合、分切設(shè)備。傳統(tǒng)的緩沖袋制作方法比較困難，而且比較單一，在運(yùn)輸過(guò)程中，緩沖袋保持的時(shí)間比較短,極易造成漏氣及密封性不好。且國(guó)內(nèi)緩沖袋的生產(chǎn)主要以引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)設(shè)備為主，存在成本高、維修困難等缺點(diǎn)[1]。

文中分析了PLC控制技術(shù)和觸摸屏技術(shù)在緩沖袋薄膜氣柱成型系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了緩沖袋氣柱成型的控制系統(tǒng)。將PLC和觸摸屏結(jié)合，使現(xiàn)場(chǎng)操作更簡(jiǎn)便，對(duì)于控制程序和人機(jī)界面的靈活性有了很大的提升，使系統(tǒng)性能更加安全可靠。

1 緩沖袋氣柱成型機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

緩沖袋氣柱成型機(jī)是將塑料薄膜經(jīng)熱壓形成氣柱狀單元的成型設(shè)備。成型之后的緩沖袋分成袋裝型和襯墊型。袋裝型有全包產(chǎn)品(如Q型袋)、半包產(chǎn)品(如半Q型袋)、單面包產(chǎn)品(如U型袋)的袋型；襯墊型可分為無(wú)折點(diǎn)的單面襯墊、兩折點(diǎn)的L型襯墊、三折點(diǎn)的U型襯墊及氣泡組合[2]。袋裝型如圖1所示。

圖1 緩沖袋外形

緩沖袋氣柱成型機(jī)的結(jié)構(gòu)由上卷膜機(jī)構(gòu)、下卷膜機(jī)構(gòu)、閥封拉膜機(jī)構(gòu)、三層拉膜機(jī)構(gòu)和收膜機(jī)構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上、下卷膜機(jī)構(gòu)在剎車調(diào)速電機(jī)的帶動(dòng)下放膜，當(dāng)漲膜機(jī)構(gòu)滑動(dòng)輥到底端，調(diào)速電機(jī)在漲膜機(jī)構(gòu)上的光電開(kāi)關(guān)控制下停止；當(dāng)漲膜機(jī)構(gòu)滑動(dòng)輥到頂端，電機(jī)開(kāi)始送膜。閥封拉膜機(jī)構(gòu)由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)控制，在閥封氣缸升到位后開(kāi)始拉膜，并且?guī)в须娧鄹櫣δ?，可自?dòng)糾正拉膜的距離。三層拉膜機(jī)構(gòu)作用和閥封拉膜機(jī)構(gòu)相同。收膜機(jī)構(gòu)在剎車調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)下收膜，調(diào)速電機(jī)開(kāi)關(guān)由漲膜機(jī)構(gòu)上的光電開(kāi)關(guān)控制，漲膜機(jī)構(gòu)滑動(dòng)輥到底端，電機(jī)開(kāi)始收膜，漲膜機(jī)構(gòu)滑動(dòng)輥拉到頂端，電機(jī)停止。

1.收膜機(jī)構(gòu)； 2.漲膜機(jī)構(gòu); 3.三層拉膜機(jī)構(gòu); 4.熱封1； 5.熱封2; 6.閥封糾偏光電開(kāi)關(guān);7.閥封拉膜機(jī)構(gòu)； 8.熱封3; 9.下層卷膜機(jī)構(gòu)； 10.上層卷膜機(jī)構(gòu)

半成品(印刷好的三層薄膜)的加工需要經(jīng)過(guò)放膜、熱封、牽引、收膜等幾個(gè)工序才能制成未充氣的成品緩沖袋。

由圖2可知，緩沖袋氣柱成型機(jī)在具體工作時(shí)，首先將卷繞成筒的印刷薄膜進(jìn)行放膜，放膜的長(zhǎng)度由漲膜機(jī)構(gòu)控制。當(dāng)漲膜機(jī)構(gòu)滑動(dòng)輥到底端，調(diào)速電機(jī)停止放膜。在氣缸的推力作用下，燙刀對(duì)三層薄膜進(jìn)行熱封，當(dāng)熱封結(jié)束燙刀抬起時(shí)(由光電傳感器進(jìn)行信號(hào)識(shí)別)通過(guò)拉膜機(jī)構(gòu)指定氣柱的寬度。燙刀上下循環(huán)一周期，薄膜就成形往前移動(dòng)預(yù)先設(shè)定好的位置。然后經(jīng)收膜機(jī)構(gòu)牽引制成袋子。只有對(duì)熱封、定長(zhǎng)、定位、張力、溫度進(jìn)行全面控制，氣柱成型機(jī)在成型過(guò)程中才能高效率、高質(zhì)量。

緩沖袋氣柱成型機(jī)工藝流程如圖3所示。

圖3 緩沖袋氣柱成型機(jī)工藝流程

2 緩沖袋氣柱成型機(jī)的控制要求

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)三層薄膜進(jìn)行傳送并燙封成密封的氣柱。具體的控制要求如下：

1)氣柱密封性好，滿足一定的氣壓；

2)氣柱寬度可根據(jù)客戶要求調(diào)節(jié)；

3)在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，循環(huán)次數(shù)26.7 r/min，多重步驟速度13 r/min，平均速度8.2 m/min， 標(biāo)示區(qū)域10 mm ，進(jìn)料設(shè)定307.0 m，使其定位誤差≤±0.2 mm，溫度誤差≤1 ℃，以確保燙封的平整性、牢度和精確的定位裁切。

在氣柱成型過(guò)程中，膜長(zhǎng)與主機(jī)速度、定長(zhǎng)定位和薄膜進(jìn)給間的協(xié)調(diào)控制是主要的控制難點(diǎn)[3]。為了防止操作過(guò)程中的失誤,采用膜長(zhǎng)主機(jī)速度的協(xié)調(diào)控制；提高生產(chǎn)速度及減少操作調(diào)整的重點(diǎn)是定長(zhǎng)定位與薄膜進(jìn)給的協(xié)調(diào)控制[4]。

整個(gè)成型系統(tǒng)的控制對(duì)象是幾個(gè)執(zhí)行裝置的順序或循環(huán)動(dòng)作，被控量主要是限位開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)等的實(shí)時(shí)反饋?？紤]到本系統(tǒng)的控制規(guī)模小，被控制量少，另外還根據(jù)用戶的要求，在對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的成本和綜合效益的全面分析基礎(chǔ)上，決定選擇可編程邏輯控制器作為主控制器。

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)氣柱成型機(jī)控制要求和控制功能的分析，數(shù)字量輸入信號(hào)有8個(gè)，模擬量輸入信號(hào)有2個(gè)，數(shù)字量輸出信號(hào)有7個(gè)，模擬量輸出信號(hào)有2個(gè);考慮到以后的擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)保留一定的擴(kuò)展余量(工業(yè)應(yīng)用中一般保留 20% 左右)，因此，PLC機(jī)型選擇三菱FX2N系列FX2N-32MR-D一臺(tái)。 FX2N-32MR-D有16個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，16 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，2 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和 1 個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。FX2N系列具有性能優(yōu)異、運(yùn)行速度快、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 I/O地址分配

緩沖袋氣柱成型機(jī)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)PLC 的I/O 地址分配見(jiàn)表1。

表1 I/O端子分配表

3.2 I/O接線

根據(jù)I/O分配表和氣柱成型機(jī)的控制要求，給出PLC的I/O接線圖，如圖4所示。

圖4 硬件電路接線圖

通過(guò)電機(jī)使同步帶傳動(dòng)來(lái)直接控制袋子的長(zhǎng)度。緩沖袋氣柱成型機(jī)的控制中心是PLC,通過(guò)調(diào)速器對(duì)驅(qū)動(dòng)放膜的電機(jī)和收膜的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,從而達(dá)到緩沖袋所要求氣柱的寬度。在袋傳動(dòng)鏈系統(tǒng)中設(shè)有編碼器,對(duì)實(shí)際的袋速可以進(jìn)行在線測(cè)量,從而使送料在設(shè)定的周期內(nèi)做變速運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)能反映各個(gè)電機(jī)的故障現(xiàn)象,并通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示,減小了傳統(tǒng)的繼電-接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié),減少了硬件和線路,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。功能上的發(fā)展趨勢(shì)是向著操作更簡(jiǎn)單和維修更方便的方向發(fā)展,使整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化,自動(dòng)化程度得到顯著提高。

3.3其它主要硬件選型

在放膜電機(jī)和收膜電機(jī)啟動(dòng)之前,檢測(cè)和控制條件均有效,則按下啟動(dòng)按鈕使兩臺(tái)機(jī)低速啟動(dòng)、同步升速、協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn),并在控制系統(tǒng)控制下升速,達(dá)到預(yù)定的運(yùn)行速度而平穩(wěn)工作。若機(jī)器一旦發(fā)生故障，可立即快速制停及切斷電源,確保機(jī)器在啟停中均能保持平穩(wěn)，減小機(jī)械沖擊，確保人身安全。

上、下卷膜機(jī)構(gòu)采用可調(diào)速電機(jī),根據(jù)制袋機(jī)工作情況,只要速度變化的范圍內(nèi)輸出扭矩的要求不變,即必須采用恒扭矩調(diào)速電機(jī),轉(zhuǎn)速的范圍為70～1 420 r/min可調(diào)。根據(jù)以上分析，文中采用精研生產(chǎn)的100YF200GV22，三層拉模機(jī)構(gòu)和閥封拉模機(jī)構(gòu)均采用三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)和D306型號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接。選用D306型號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，是因?yàn)樗诳刂品绞缴暇哂腥珨?shù)字式電流環(huán)控制，三相正弦電流驅(qū)動(dòng)輸出的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)三相混合式電機(jī)無(wú)低速爬行，無(wú)共振，噪音小等特點(diǎn)[5]。D306驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)可設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)步數(shù)等。

在熱封過(guò)程中，加熱的元件采用的是電熱管。電熱管的作用將電能轉(zhuǎn)化為熱能，由于其價(jià)格便宜、使用安裝方便、無(wú)污染，所以被廣泛使用在各種加熱場(chǎng)合。與其它同熱量的電熱元件相比，管狀電熱管可節(jié)約5%的電熱材料，同時(shí)，熱效率可達(dá)到90%以上。因此，文中選用電熱管型號(hào)AC220v-3X500W，能夠滿足加熱塑料薄膜的工藝要求。

3.4觸摸屏

運(yùn)用可編程控制器可以提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度、可靠性和抗干擾能力。但觸摸屏的使用與可編程控制器組成了一個(gè)橋梁，兩者相輔相成形成了一個(gè)良好的人機(jī)界面，同時(shí)兩者相互協(xié)調(diào)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。一般由觸摸檢測(cè)裝置和觸摸屏控制器兩個(gè)部分組成觸摸屏[6]。觸摸檢測(cè)裝置需要安裝在顯示器屏幕的前面，用于檢測(cè)的觸摸位置，接收到信號(hào)后傳送給觸摸屏控制器。觸摸屏控制器的作用是從觸摸檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再次傳送給處理器CPU，它同時(shí)也可以接收處理器CPU發(fā)來(lái)的命令，并且執(zhí)行發(fā)出命令。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)于PLC與觸摸屏的緩沖袋氣柱成型機(jī)的控制系統(tǒng)，機(jī)器運(yùn)作時(shí)程序繁多，并且每一步都有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系。為了滿足緩沖袋氣柱成型機(jī)在生產(chǎn)中的需要，同時(shí)降低成本，采用威綸公司的觸摸屏和FX2N系列的PLC對(duì)緩沖袋制袋機(jī)進(jìn)行高效率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]。

根據(jù)方案要求，本系統(tǒng)控制采用模塊化的結(jié)構(gòu)，其基本思路是：首先通過(guò)威綸MT8000觸摸屏設(shè)定好本次加工的參數(shù)，然后把送膜、卷膜及熱封電源打開(kāi)，上、放膜開(kāi)始動(dòng)作。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，3臺(tái)主電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)行光電檢測(cè)，防止出現(xiàn)偏差。由人機(jī)界面可以控制熱封電磁閥。當(dāng)氣路中電磁閥得電時(shí)，控制氣缸動(dòng)作，進(jìn)行熱封；當(dāng)氣缸到達(dá)下限位時(shí)，氣缸上升，同時(shí)兩位兩通冷卻電磁閥得電進(jìn)行冷卻。然后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始拉膜、收膜，當(dāng)收膜檢測(cè)到位時(shí)即符合參數(shù)，主電機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2觸摸屏界面設(shè)計(jì)

選用威綸公司的軟件MT8000對(duì)氣柱成型機(jī)進(jìn)行觸摸界面的設(shè)計(jì)，它可以對(duì)界面參數(shù)、手動(dòng)及自動(dòng)進(jìn)行有效的調(diào)整[8]?；緟?shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 基本參數(shù)設(shè)置圖

在系統(tǒng)運(yùn)行之前，最重要的就是設(shè)置參數(shù)。觸摸屏可以將運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的大量數(shù)據(jù)通過(guò)電纜線傳送到PLC中，比如制袋的速度、袋子的長(zhǎng)度、熱封的寬度等。只需要輕輕地觸碰“參數(shù)畫(huà)面”鍵便可以進(jìn)入到參數(shù)畫(huà)面設(shè)置當(dāng)中需要改變的相應(yīng)參數(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

緩沖袋發(fā)展的趨勢(shì)是勢(shì)不可擋的。隨著現(xiàn)代化水平的提高，越來(lái)越重視運(yùn)輸當(dāng)中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，尤其在一些運(yùn)輸當(dāng)中會(huì)造成一些無(wú)法挽救的損失。經(jīng)分析研究，影響緩沖袋制袋機(jī)效率的因素主要有：定位定長(zhǎng)精確度較低、熱封時(shí)的溫度提升較慢，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)磨損較為嚴(yán)重等。實(shí)踐表明,緩沖袋氣柱成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能安全可靠，操作方便，自動(dòng)化程度高。同時(shí)，緩沖袋氣柱成型機(jī)在未來(lái)的發(fā)展中會(huì)漸漸通過(guò)PLC與觸摸屏建立通道連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面對(duì)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單有效調(diào)整，進(jìn)而可以達(dá)到高效率的制袋。

[1] 戴遠(yuǎn)敬.立式袋成型包裝機(jī)中常用拉膜機(jī)構(gòu)分析[J].包裝與食品，1998(12)：17-18.

[2] 李義生.立式袋成型-充填-封口機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].包裝與食品機(jī)械，1999(7)：9-11.

[3] 程永強(qiáng).基于PLC和觸摸屏的砌塊成型機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(3)：37-39.

[4] 吳富民.基于ARM的制袋機(jī)控制系統(tǒng)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2008.

[5] 劉偉.PWM技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中的應(yīng)用[D]：[碩士學(xué)位論文].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[6] 吳衛(wèi)榮,丁慎平.PLC和觸摸屏在AGV控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2012(12):115-117.

[7] 宋伯生.PLC編程實(shí)用指南[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013：21-22.

[8] 王春芳.富士觸摸屏在流化焚燒爐監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)[J].機(jī)電工程技術(shù),2007(8):62,23.

[9] 戴群亮,戴宏亮,趙丁選,等.挖掘機(jī)工作裝置電液伺服智能控制[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005,26(4)：283-285.

[10] 殷翔,董正筑,王繼燕.ADAMS和Matlab交互仿真的機(jī)械臂定位控制[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005,26(4)：332-334.

Control system in a buffer bag gas column forming machine

XU Wen-jing

(Department of Mechatronic Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214433， China)

To meet the needs of practical control, both the hardware and software for the buffer bag gas column forming machine are established, in which mitsubishi controller, touch-panel human-machine interface and photoelectric sensor are used. It is showed that the control system can be applied to the buffer bag gas column forming machine with high efficiency.

buffer bag gas column forming machine; PLC; touch-panel.

2014-06-20

許文靜(1978-)，女，漢族，江蘇無(wú)錫人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)電一體化及電氣控制方向研究,E-mail:jessic_xwj@163.com.

TB 485.1; TB 486

A

1674-1374(2014)05-0557-05