瓦楞紙箱自動(dòng)制作系統(tǒng)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

杜小運(yùn)，歸文強(qiáng)，王 棟

(西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引言

隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的發(fā)展，瓦楞紙箱作為包裝材料使用越來越普遍。目前，涂膠粘箱的瓦楞紙箱加工生產(chǎn)方式以人工為主，紙箱的加工質(zhì)量難以保證，且紙箱加工耗時(shí)較長(zhǎng)，因此迫切需要開發(fā)一款全自動(dòng)的瓦楞紙箱粘箱機(jī)以代替人工粘箱作業(yè)[1-2]，以提高紙箱加工效率和質(zhì)量。針對(duì)自動(dòng)粘箱工藝，日本的三菱重工早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)達(dá)到了較高水平，并已經(jīng)在市場(chǎng)中應(yīng)用成熟[3-5]。法國(guó)馬天公司生產(chǎn)的瓦楞紙自動(dòng)粘貼機(jī)器在印刷功能和穩(wěn)定性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此其市場(chǎng)占有率較高[6-8]。我國(guó)在這方面的研究起步于20世紀(jì)80年代，主要借鑒日本及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，因此在自動(dòng)化及產(chǎn)品加工質(zhì)量上與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。近幾年隨著我國(guó)外貿(mào)出口力度的加大，直接帶動(dòng)了作為普遍使用的瓦楞紙箱包裝自動(dòng)粘貼加工技術(shù)的發(fā)展，其加工的自動(dòng)化程度逐漸提高，紙箱生產(chǎn)質(zhì)量也有了較大改善[9-10]。從目前的自動(dòng)粘箱機(jī)應(yīng)用分析，粘箱機(jī)的機(jī)械部件設(shè)計(jì)已趨于成熟，但生產(chǎn)過程中的軟件自動(dòng)控制系統(tǒng)有待優(yōu)化和進(jìn)一步提升，因此對(duì)瓦楞紙箱自動(dòng)生產(chǎn)的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及與之對(duì)應(yīng)的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，對(duì)提升瓦楞紙箱質(zhì)量及生產(chǎn)效率具有一定的指導(dǎo)意義。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

自動(dòng)控制系統(tǒng)由圖1所示的3部分組成。其中，進(jìn)紙與折疊控制系統(tǒng)是對(duì)瓦楞紙箱原材料按照預(yù)定的形狀尺寸進(jìn)行折疊加工處理，對(duì)于一些需要噴涂膠水的紙箱邊進(jìn)行噴涂處理，主要由動(dòng)力電機(jī)、折疊桿和控制開關(guān)等基本元件組成，并通過開關(guān)的閉合和開啟控制電機(jī)帶動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作。動(dòng)力控制系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力輸出和保證[11]，主要包括風(fēng)機(jī)、主電機(jī)和變頻器等部件，通過控制動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)的運(yùn)行速度，可以控制整個(gè)生產(chǎn)線的加工速度。動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行以整理計(jì)數(shù)系統(tǒng)中紙箱的堆積為基礎(chǔ)，當(dāng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)堆積到一定程度，系統(tǒng)自動(dòng)降低折紙加工速度。整理計(jì)數(shù)系統(tǒng)是對(duì)由動(dòng)力系統(tǒng)加工完成并打包的瓦楞紙箱進(jìn)行計(jì)數(shù)整理，主要由移動(dòng)電機(jī)、排出電機(jī)、計(jì)數(shù)器和感應(yīng)器等關(guān)鍵部件組成。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)加工工藝流程如圖2所示。進(jìn)紙部將紙板運(yùn)送到整個(gè)加工系統(tǒng)中，利用機(jī)器的折臂將紙的邊緣部分涂膠水并送入折疊部；折疊部根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先的設(shè)定程序?qū)Ξa(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行加工處理，折疊部加工完成后通過系統(tǒng)動(dòng)力部分的傳輸將加工完成的紙箱帶入到整理部；整理部是紙箱成品完成的最后流程，整理部以件為單位對(duì)紙箱數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)將加工完成的紙箱打包整理。

圖2 加工工藝流程

控制系統(tǒng)通過I/O端口實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的控制。表1展示了系統(tǒng)中各個(gè)端口的分布和功能。

系統(tǒng)架構(gòu)組成如圖3所示。下位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，下位機(jī)能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集并處理，檢測(cè)系統(tǒng)及通信模塊相關(guān)信息會(huì)通過下位機(jī)的信息反饋?zhàn)饔脤?duì)執(zhí)行模塊的執(zhí)行命令進(jìn)行調(diào)節(jié)。上位機(jī)是利用整條生產(chǎn)線中的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的加工環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果通過通信模塊對(duì)下位機(jī)發(fā)送指令。通信模塊是通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[12]，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)間的指令交換。檢測(cè)模塊利用傳感器、編碼器和行程開關(guān)對(duì)成品進(jìn)行檢查處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工中的缺陷。執(zhí)行模塊根據(jù)下位機(jī)發(fā)送的加工指令對(duì)原材料進(jìn)行加工制作。

表1 端口信息

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

控制器是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮起直接影響作用[13]，系統(tǒng)所用控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)主要由主機(jī)、CPU和存儲(chǔ)器3部分組成，通過輸入和輸出端口對(duì)接到的信息進(jìn)行加工處理，并利用系統(tǒng)語(yǔ)言輸出到擴(kuò)展機(jī)。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)

從以上對(duì)控制系統(tǒng)的分析可知，瓦楞紙箱自動(dòng)制作系統(tǒng)中自動(dòng)折疊部和計(jì)件部是系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件，對(duì)其自動(dòng)化程度和瓦楞紙箱生產(chǎn)質(zhì)量起決定性影響，因此本文利用數(shù)值模擬軟件ANSYS對(duì)系統(tǒng)的折疊和計(jì)數(shù)部進(jìn)行了建模分析。

自動(dòng)折疊部件模型數(shù)值模型如圖5所示。折疊部件可簡(jiǎn)單分為4個(gè)簡(jiǎn)單小部件。前端整紙部件對(duì)瓦楞紙的前端進(jìn)行整理，使紙箱按照預(yù)定的位置對(duì)前端進(jìn)行整理。與前端整紙部件對(duì)應(yīng)的是側(cè)端整紙部件，目的是使紙箱的側(cè)端對(duì)齊紙箱的側(cè)邊緣。系統(tǒng)傳動(dòng)部件是對(duì)原材料和紙箱成品在不同系統(tǒng)自動(dòng)傳動(dòng)必不可少的部件。自動(dòng)折疊部件內(nèi)部含有I/O端口，操作人員可從系統(tǒng)中根據(jù)用戶需求對(duì)紙箱外形尺寸進(jìn)行定義和更改。

圖5 自動(dòng)折疊部件

系統(tǒng)計(jì)數(shù)和傳達(dá)部件模型如圖6所示。系統(tǒng)通過齒輪的帶動(dòng)將動(dòng)力傳送給軸承，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承之間通過皮帶傳送完成加工的紙箱，并利用側(cè)壁的計(jì)數(shù)器自動(dòng)對(duì)經(jīng)過皮帶傳送的紙箱計(jì)數(shù)。

圖6 計(jì)數(shù)和傳送部件

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便通過指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加工過程的控制和調(diào)整。本文的監(jiān)控系統(tǒng)是在組態(tài)王軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的。

在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)前需對(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)行定義，將控制系統(tǒng)中變量添加到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中以便對(duì)監(jiān)控設(shè)備加以控制，在組態(tài)王軟件中添加新的工程并命名，在新建工程中選擇控制系統(tǒng)設(shè)備連接所用的串口形式和控制器型號(hào)。另外，為了將控制系統(tǒng)的變量和外部設(shè)備變量一一對(duì)應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)紙箱制作系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，需將設(shè)備變量添加到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。在組態(tài)王軟件中填寫變量名稱、選擇變量類型，并通過設(shè)備連接選項(xiàng)選擇系統(tǒng)中某個(gè)變量對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制。變量定義界面如圖7所示。

圖7 變量定義

監(jiān)控系統(tǒng)的作用是針對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的與自動(dòng)控制系統(tǒng)不符的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行報(bào)警，以提醒操作人員對(duì)系統(tǒng)指令做出調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)加工問題時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警關(guān)鍵編碼如下：

if(local電機(jī)開關(guān)==1)

{local料塊移動(dòng)=local料塊移動(dòng)+8;

local時(shí)間=local時(shí)間+1;}

if(local時(shí)間>5)

{local隱含料塊 1=1;}

if(local時(shí)間>10)

{local隱含料塊 2=1;}

if(local時(shí)間>15)

{local隱含料塊 3=1;}

if(local時(shí)間>20)

{local隱含料塊 4=1;}

if(local料塊移動(dòng)==60)

{local料塊移動(dòng)=0;}

if(local時(shí)間==25)

{local料塊移動(dòng)=0;}

if(local電機(jī)開關(guān)==0)

{local風(fēng)扇轉(zhuǎn)速報(bào)警燈=0;

local電機(jī)報(bào)警燈=0;}

if(local主機(jī)轉(zhuǎn)速 1>117)

{local電機(jī)報(bào)警燈=1;}

3 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試分析

瓦楞紙箱自動(dòng)制作系統(tǒng)是通過軟件編輯相關(guān)操作指令，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將指令傳達(dá)給系統(tǒng)硬件。

由于系統(tǒng)主要依靠網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)指令，因此系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)連線準(zhǔn)確與否直接影響了系統(tǒng)安全和使用功能。為了防止網(wǎng)絡(luò)接線出錯(cuò)，本文采用端頭標(biāo)記法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)線路中2個(gè)端頭采用相同的編號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，防止出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線

在系統(tǒng)軟件測(cè)試中，對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行逐個(gè)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，包括系統(tǒng)運(yùn)行情況、參數(shù)設(shè)置情況、報(bào)警功能和開關(guān)啟動(dòng)情況，同時(shí)登錄控制軟件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。通過運(yùn)行測(cè)試表明，系統(tǒng)各項(xiàng)軟硬件均安全可靠，滿足瓦楞紙箱自動(dòng)生產(chǎn)需求，系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

由表2可知，自動(dòng)制作系統(tǒng)完成單個(gè)紙箱的制作需要30 s，在加工效率方面達(dá)到了自動(dòng)制作的效率要求，而對(duì)系統(tǒng)加工監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備達(dá)到30個(gè)之多，實(shí)現(xiàn)了全流程關(guān)鍵部件的監(jiān)控。經(jīng)過24 h運(yùn)行，系統(tǒng)未發(fā)生故障，因此系統(tǒng)的功能性和安全性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

瓦楞紙箱自動(dòng)制作系統(tǒng)不僅可提高紙箱的自動(dòng)化生產(chǎn)效率，節(jié)約人力勞動(dòng)成本，還能夠克服人工粘箱質(zhì)量難以保證的不足。本文將自動(dòng)控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)作為自動(dòng)制作系統(tǒng)的核心，在組態(tài)王軟件基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了控制系統(tǒng)組成和架構(gòu)并給出了控制器結(jié)構(gòu)模型，利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)自動(dòng)折疊部件和計(jì)數(shù)部件進(jìn)行了模擬分析，并給出了系統(tǒng)關(guān)鍵編碼。最后，從對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試來看，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，達(dá)到了預(yù)期效果。