多功能包裝一體機(jī)的研究與測(cè)試

張學(xué)良 彭寬棟 莊敏

摘? 要：針對(duì)目前市場(chǎng)上小型多功能包裝設(shè)備緊缺的現(xiàn)狀，開發(fā)了一種集“旋蓋—封口—開箱—裝箱—折箱—封箱”等功能于一體的包裝機(jī)。提出了一種由自動(dòng)封口、自動(dòng)開箱、自動(dòng)裝箱、自動(dòng)折箱和自動(dòng)封箱等機(jī)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用三維建模軟件建立了該包裝一體機(jī)的數(shù)字化模型。在分析各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于PLC與WinCC Flexible的智能控制系統(tǒng)及智能操作系統(tǒng)。最后對(duì)工程樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的包裝一體機(jī)操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到總體設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：多功能包裝一體機(jī);智能控制系統(tǒng);工程樣機(jī)

中圖分類號(hào)：TP315? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）23-0154-05

Research and Test of Multifunctional Integrated Packaging Machine

ZHANG Xueliang1，2， PENG Kuandong1，2， ZHUANG Min1，2

（1.Institute of High-end Equipment， Hangzhou Polytechnic， Hangzhou? 311402， China; 2.Hangzhou Polytechnic， Hangzhou? 311402， China）

Abstract： In view of the shortage situation of small multifunctional packaging equipments in the market， a packaging machine integrating the functions of “capping-sealing-unpacking-packing-folding-sealing” is developed， and a structural design scheme composed of automatic sealing， automatic unpacking， automatic packing， automatic folding and automatic sealing is put forward， the digital model of the integrated packaging machine is established by using the three-dimensional modeling software. Based on the analysis of the motion relationship of each mechanism， an intelligent control system and intelligent operating system based on PLC and WinCC Flexible are developed. Finally， the engineering prototype is tested， and the results show that the designed integrated packaging machine has the advantages of simple operation， stable operation， and meets the overall design requirements.

Keywords： multifunctional integrated packaging machine; intelligent control system; engineering prototype

0? 引? 言

目前市場(chǎng)上使用的大部分國內(nèi)研發(fā)的包裝包裝一體機(jī)功能相對(duì)單一，大部分只能實(shí)現(xiàn)3個(gè)左右的包裝工序，對(duì)多工位多功能包裝一體機(jī)的自主研發(fā)能力相對(duì)薄弱，愿意投入精力研發(fā)的科研院校和企業(yè)也不多，本文圍繞裝箱一體化工藝流程進(jìn)行分析，深入研究設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)裝箱一體化的多功能包裝一體機(jī)，提出了自動(dòng)封口機(jī)構(gòu)、自動(dòng)開箱機(jī)構(gòu)、自動(dòng)裝箱機(jī)構(gòu)、自動(dòng)折箱機(jī)構(gòu)和自動(dòng)封箱機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成的多功能包裝一體機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)在分析各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及各包裝工序邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于PLC+Wincc Flexible開發(fā)包裝一體機(jī)的智能控制系統(tǒng)及智能操作系統(tǒng)。

1? 包裝一體機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)機(jī)械本體時(shí)，運(yùn)用了大量四桿機(jī)構(gòu)及衍生機(jī)構(gòu)，基于NX軟件將進(jìn)瓶、封口、開箱、裝箱、折箱和封箱等功能集成后繪制了三維機(jī)械裝置模型，在對(duì)大量仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)完善后完成了機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本體各部分機(jī)械裝置均模塊化設(shè)計(jì)，方便功能拓展，解決市場(chǎng)上的包裝機(jī)械功能單一，不易于功能拓展的問題。

基于市場(chǎng)上相關(guān)包裝機(jī)械功能分析，研制的多功能包裝一體機(jī)應(yīng)能代替需要人力完成的自動(dòng)封口—裝箱—折箱蓋—封箱等工序，操作簡便、穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)人性化。在分析市場(chǎng)上小型包裝機(jī)械功能指標(biāo)并優(yōu)化后提出的小型多功能包裝一體機(jī)相關(guān)性能設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

其主要功能有：

（1）自動(dòng)封口功能：當(dāng)旋蓋后的瓶子依次經(jīng)過熱封裝置時(shí)，實(shí)現(xiàn)需要密封保存類商品的密封功能。

（2）自動(dòng)開箱功能：自動(dòng)將紙板展開成立體形狀的紙箱。

（3）自動(dòng)裝箱功能：密封后的瓶子在機(jī)械手的作用下準(zhǔn)確裝進(jìn)展開的紙箱。

（4）自動(dòng)折箱功能：裝好瓶子的紙箱在傳送帶作用下進(jìn)入折蓋裝置，快速折好紙箱的上下蓋子。

（5）自動(dòng)封箱功能：折蓋后的紙箱在輸送裝置作用下，經(jīng)過封箱裝置，箱體上下蓋子會(huì)迅速被膠帶封好。

（6）自動(dòng)分瓶、分箱功能：為保證瓶子、紙箱在傳送帶上有序運(yùn)行，通過控制氣缸動(dòng)作工序時(shí)間、輸送帶進(jìn)瓶工序時(shí)間、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分瓶、分箱，以保證瓶子和紙箱在傳送帶上有序運(yùn)行。

包裝機(jī)的工作循環(huán)可以分為三過程：瓶子運(yùn)行過程、紙箱運(yùn)行過程、裝箱運(yùn)行過程，其中瓶子運(yùn)行過程與紙箱運(yùn)行過程通過裝箱運(yùn)行過程連接，整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

基于以上分析，運(yùn)用NX8.0設(shè)計(jì)了包裝包裝一體機(jī)的整體機(jī)械本體模型，如圖2所示，主要由熱封裝置、二自由度氣動(dòng)吸盤、四桿衍生機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)等組成。

2? 包裝一體機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 包裝一體機(jī)控制系統(tǒng)概述

在對(duì)多功能包裝一體機(jī)的控制功能需求進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，確定將多功能包裝一體機(jī)控制系統(tǒng)劃分為七個(gè)子系統(tǒng)，分別為：供瓶子系統(tǒng)、定位導(dǎo)向子系統(tǒng)、封口子系統(tǒng)、開箱子系統(tǒng)、裝箱子系統(tǒng)、折箱子系統(tǒng)、封箱子系統(tǒng)。供瓶子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)將需裝箱的瓶子，通過輸送裝置送入封口子系統(tǒng);封口子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將旋蓋后的瓶子依次經(jīng)過封口工位，采用非接觸式熱封裝置可快速實(shí)現(xiàn)密封功能;定位導(dǎo)向子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)將封口子系統(tǒng)中的瓶子定位好，以便于包裝一體機(jī)能順利地抓取瓶子，同時(shí)為裝箱導(dǎo)向，防止包裝一體機(jī)裝箱過程中發(fā)生故障;開箱子系統(tǒng)：用來完成紙箱開箱成型動(dòng)作，以便于裝箱子系統(tǒng)完成裝箱任務(wù);裝箱子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將定位好的瓶子裝入已經(jīng)成型好的紙箱中去，以便于封箱子系統(tǒng)完成封箱任務(wù);折箱子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將裝箱后的箱蓋折平，便于下一工位進(jìn)行封箱動(dòng)作;封箱子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)是將裝箱完成的紙箱用膠帶密封，完成整個(gè)裝箱流程。理配置觸摸屏和上位機(jī)，完成控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)、安全控制電路設(shè)計(jì)、伺服系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等組成。

2.2? 控制系統(tǒng)硬件分析

多功能包裝一體機(jī)的控制系統(tǒng)是基于西門子S7-200為主控，采用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，由EM232模塊來進(jìn)行數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換對(duì)VFD-M系列臺(tái)達(dá)變頻器0～10 V電壓改變進(jìn)行信號(hào)傳送從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速減速功能。在整個(gè)系統(tǒng)中主要靠光電傳感器利用開關(guān)量信號(hào)接收以及磁性開關(guān)的信號(hào)接收，PLC的I/0口根據(jù)這些檢測(cè)得到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板來控制電機(jī)停止及加減速功能。光電開關(guān)接收到封口位信號(hào)，高頻發(fā)生器進(jìn)行動(dòng)作，將瓶口的鋁膜封起來。當(dāng)送料傳送帶底部檢測(cè)到瓶子滿時(shí)，左右無桿氣缸動(dòng)作，將瓶子送到送箱傳送帶中，在送箱傳送帶上，當(dāng)箱子折完前端蓋時(shí)，光電開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)，折蓋氣缸動(dòng)作，之后通過封箱機(jī)構(gòu)從而完成一系列動(dòng)作。整個(gè)控制系統(tǒng)的控制原理如圖3所示。

2.3? 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

包裝一體機(jī)分瓶、封口環(huán)節(jié)程序控制邏輯流程如圖4所示，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到瓶子后，傳送帶停止運(yùn)行，磁性開光啟動(dòng)，分瓶氣缸擋住后面的瓶子，鋁膜封口裝置開始加熱，延時(shí)3秒之后擋瓶氣缸收回，鋁膜封口裝置停止加熱，傳送帶啟動(dòng)，再延時(shí)10秒之后擋瓶氣缸伸出，進(jìn)行下一個(gè)瓶子的封口，部分程序圖如圖5所示。

包裝一體機(jī)抓瓶裝箱程序控制邏輯流程如圖6所示，當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到瓶子達(dá)一定數(shù)量后，傳送帶停止運(yùn)行，機(jī)械手運(yùn)行到瓶子上方，氣缸向下抓取瓶子，抓到瓶子后上升，延遲一定時(shí)間后傳送帶恢復(fù)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)到箱子上方，光電傳感器感應(yīng)到紙箱時(shí)氣缸向下運(yùn)動(dòng)，到一定程度后松開，完成裝箱。部分程序如圖7所示。

包裝一體機(jī)折箱蓋、封箱程序控制邏輯流程圖如圖8所示，當(dāng)箱子裝滿瓶子后傳送帶運(yùn)行，當(dāng)折箱蓋的光電傳感器感應(yīng)到箱子到達(dá)后電池閥開始運(yùn)行進(jìn)行后撤箱蓋，前側(cè)和兩翼采用全自動(dòng)折蓋裝置，之后運(yùn)行到自動(dòng)封箱裝置開始進(jìn)行箱頂?shù)姆庀?。部分程序如圖9所示。

2.4? 包裝一體機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)包裝一體機(jī)的軟件功能需求研究分析后，明確了其控制功能需求和操作功能需求，利用Wincc Flexible人機(jī)界面開發(fā)平臺(tái)開發(fā)出多功能包裝一體機(jī)人機(jī)交互界面如圖10所示，包含“封口—開箱—裝箱—折箱—封箱”等功能及拓展貼標(biāo)功能。

3? 運(yùn)行測(cè)試

所研發(fā)的多功能包裝一體機(jī)設(shè)備樣機(jī)如圖11所示。經(jīng)測(cè)試，包裝一體機(jī)前端待密封瓶子經(jīng)過封口機(jī)構(gòu)時(shí)能準(zhǔn)確完成瓶口鋁膜密封，密封好的瓶子在分瓶機(jī)構(gòu)作用下達(dá)到整箱數(shù)量后由裝箱機(jī)構(gòu)完成裝箱，裝滿瓶子的箱體經(jīng)過分箱機(jī)構(gòu)后由傳送帶送達(dá)到折箱蓋機(jī)構(gòu)，快速完成折箱蓋后再由封箱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)封箱，整個(gè)功能周期為30秒，運(yùn)行穩(wěn)定。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，多功能包裝一體機(jī)在各包裝工序運(yùn)行準(zhǔn)確，整個(gè)包裝過程約120秒，滿足設(shè)計(jì)開發(fā)要求，抓瓶、裝箱、折箱、封箱等運(yùn)行效果如圖12所示。

4? 結(jié)? 論

多功能包裝一體機(jī)由封口機(jī)構(gòu)、裝箱機(jī)構(gòu)、折箱蓋機(jī)構(gòu)和封箱機(jī)構(gòu)組成。封口機(jī)構(gòu)由熱封裝置用鋁膜對(duì)瓶口進(jìn)行密封。裝箱機(jī)構(gòu)由無桿氣缸、雙桿氣缸和真空吸盤組成，通過氣缸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)瓶子的移動(dòng)，將瓶子準(zhǔn)確無誤的放進(jìn)紙箱內(nèi)。折箱蓋機(jī)構(gòu)為四桿衍生機(jī)構(gòu)，由簡單的幾塊亞克力板、兩塊鐵板和氣缸組成，結(jié)構(gòu)簡單，簡單的機(jī)構(gòu)卻能在箱體通過時(shí)，快速將箱子上部4個(gè)封邊蓋折好。封箱機(jī)構(gòu)采用五桿機(jī)構(gòu)可將膠帶干脆利落的緊貼箱體，完成對(duì)紙箱的包裝。本產(chǎn)品的控制部分主要采用PLC控制，在整個(gè)系統(tǒng)中主要靠光電傳感器利用開關(guān)量信號(hào)接收以及磁性開關(guān)的信號(hào)接收，PLC的I/O口根據(jù)這些檢測(cè)得到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板來控制電機(jī)停止及加減速功能。利用WinccFlexible平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)的多功能包裝一體機(jī)操作界面，操作方便，能夠順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)模式切換。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬娟娟.全自動(dòng)包裝機(jī)器人系統(tǒng)的研制 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[2] 王勇，龐增拴.基于PLC的全自動(dòng)軟包袋袋碼垛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（29）：17-18.

[3] 張志偉，羅欽，鄒博勝，等.多膜智能包裝機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子制作，2021（19）：71-72+97.

[4] 高康，黃倩.智能包裝應(yīng)用現(xiàn)狀研究 [J].綠色包裝，2019（3）：52-55.

[5] 彭寬棟，張學(xué)良等.自適應(yīng)履帶機(jī)器人的研究與測(cè)試 [J].機(jī)電工程2017，34（12）：1485-1490.

作者簡介：張學(xué)良（1977.03—），男，漢族，山東濰坊人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電一體化設(shè)備研究。