基于PLC的薄膜自動包裝機的優(yōu)化設(shè)計

張耀文 吳雅思

摘? 要：目前市場上自動包裝機主要應(yīng)用于規(guī)則形狀物品的包裝，對于特殊形狀物品的包裝沒有通用的設(shè)備，需要定制且不成熟。以小型日化用品行業(yè)為例，目前塑料軟裝日化用品的薄膜包裝套袋設(shè)備仍不成熟，存在效率低下，故障率高等問題。本文介紹的薄膜自動包裝機通過采用三菱Q系列Q01UCPU主控制器與QD75P4定位模塊、人機界面系統(tǒng)等，對目前市場上的包裝機設(shè)備進行了優(yōu)化改進，采取雙工工作模式，能實現(xiàn)對產(chǎn)品的精準定位、夾取、傳送和套袋等，套裝速度更快、穩(wěn)定性更高。優(yōu)化后的人機界面系統(tǒng)，更加靈活、高效。可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、模式切換、運行監(jiān)控和故障報警提示等功能。特別增加了手動模式界面，使得操作人員可單步操作每一個功能，更能充分了解每一道工序。

關(guān)鍵詞：自動包裝機? PLC? 人機界面系統(tǒng)? 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0027-04

Abstract： At present， the automatic packaging machine is mainly used in the packaging of regular shaped articles. There is no general equipment for the packaging of special shape goods， which needs to be customized and immature. Taking the small-scale daily chemical products industry as an example， the film packaging bagging equipment of plastic soft packaging daily chemical products is still immature， with low efficiency and high failure rate. The automatic film packaging machine introduced in this paper adopts Mitsubishi q series q01ucpu main controller， qd75p4 positioning module and man-machine interface system to optimize and improve the packaging machine equipment on the market at present. Adopting duplex working mode， it can realize the precise positioning， clamping， transmission and bagging of products， and the packaging speed is faster and the stability is higher. The optimized man-machine interface system is more flexible and efficient. It can realize the functions of parameter setting， mode switching， operation monitoring and fault alarm. The manual mode interface is specially added， so that the operator can operate each function step by step， and can fully understand each process.

Key Words： Automatic packaging machine; PLC; Man machine interface system; Optimal design

1? 自動包裝機市場分析

隨著工業(yè)4.0時代的到來，許多企業(yè)引進了自動化生產(chǎn)線，通過自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)不僅提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件，更直接提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

目前市場上自動包裝機主要應(yīng)用于規(guī)則形狀物品的包裝，對于特殊形狀的物品的包裝則沒有成熟的通用包裝設(shè)備，需要單獨定制。以小型的日化用品行業(yè)為例，目前塑料軟裝化妝品的薄膜包裝套袋設(shè)備仍不成熟，存在效率低下，故障率高等問題，具體包括如下方面。

1.1 定位偏差、無法精準抓取

如果產(chǎn)品在輸送帶上放置不規(guī)范、沒有在恰當?shù)姆胖命c，通過傳送帶被輸送到包裝機的抓取區(qū)域后，會產(chǎn)生位置的偏移，即產(chǎn)品會出現(xiàn)在包裝機機械手的抓取點之外，出現(xiàn)抓取不到或者抓滑的情況。

1.2 觸摸屏人機界面系統(tǒng)功能單一

觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計的功能極少，只有簡單的啟動、停止、復(fù)位的主畫面以及各部分的相應(yīng)畫面，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，由于人 機界面系統(tǒng)和運行設(shè)備關(guān)聯(lián)的點過少，無法通過系統(tǒng)直觀地排查故障點。

1.3 設(shè)備工作效率低下

目前小型日化用品的薄膜自動包裝機主要是單工模式。即只有一個包裝工位，只有等一個產(chǎn)品套袋包裝完成后，才能對下一個產(chǎn)品進行套袋包裝，效率低下。

2? 薄膜自動包裝機的優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化薄膜包裝機的設(shè)備組成

使用三菱Q系列PLC。三菱Q系列PLC采用了模塊化的結(jié)構(gòu)形式，可以自由選擇輸入模塊、輸出模塊、電源類型、CPU類型等，選擇Q系列 PLC作為主控制器，保證設(shè)備的可行性和高效性。

2.2 改進薄膜包裝機的觸摸屏系統(tǒng)

觸摸屏在整個系統(tǒng)中起到控制、調(diào)試、監(jiān)控等的作用，要將設(shè)備上能夠關(guān)聯(lián) 的點都盡量與觸摸屏進行關(guān)聯(lián)設(shè)置，便于之后系統(tǒng)出錯或是程序出錯時查找問題。

2.3 增加產(chǎn)品抓取定位模塊

三菱Q系列PLC自帶一款定位模塊 QD75P4，且可以組態(tài)在Q系列PLC上，使用這個定位模塊，可以提高薄膜自動包裝機對抓取產(chǎn)品的精準定位，提高抓取的精度和成功率，避免抓不到產(chǎn)品或者抓滑的情況。

3? 薄膜自動包裝機的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化工作流程

薄膜自動包裝機設(shè)備的整體效果圖，如圖1所示。主要由送料皮帶線機構(gòu)、三軸機械手機構(gòu)、取袋機械手機構(gòu)、放袋機構(gòu)、撐袋機構(gòu)、推瓶機構(gòu)、夾瓶熱縮機械手機構(gòu)和電氣系統(tǒng)等部分構(gòu)成。設(shè)備有機地將PLC、觸摸屏、傳感器、伺服與步進電機、電磁閥、氣缸等部件智能的組合在一起。本改進系統(tǒng)以三菱Q01UCPU作為主控制器，應(yīng)用光電和光纖等眾多傳感器采集現(xiàn)場信號，在氣動電磁閥的配合下，按照工藝要求，由兩個定位模塊QD75P4協(xié)調(diào)驅(qū)動器控制信息驅(qū)動電機，帶動機械手完成對產(chǎn)品的準確定位、夾取、傳送和套袋等動作。

優(yōu)化后的動作流程包含如下幾個階段：送料皮帶線機構(gòu)將灌裝好的日化用品輸送至指定位置并定位、矯正;三軸機械手機構(gòu)夾取化妝品等待;取袋機械手機構(gòu)從放袋機構(gòu)吸取薄膜至撐袋機構(gòu)完成左右撐開;推瓶機構(gòu)推化妝品套入薄膜;夾瓶熱縮機械手完成定型（為后續(xù)熱縮作準備）。

優(yōu)化后的流程如圖2所示，即將取袋機械手取袋、撐開和夾取化妝品同時進行，摒棄了以前先夾取化妝品，等待取袋機械手夾取薄膜直至撐開的過程。且優(yōu)化后的化妝品套袋工作采取的是雙工模式。即有兩個包裝工位交替工作，一個工位在為化妝品套袋工作時，另外一個工位便開始取袋、撐開并等待下一個待包裝的化妝品，大大提高了生產(chǎn)效率。

3.2 優(yōu)化設(shè)備構(gòu)成

優(yōu)化采取Q系列PLC主控制器 Q01UCPU，采用了模塊化的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)品的組成與規(guī)模靈活可變，根據(jù)需要進行靈活搭配。最大輸入輸出點數(shù)達到 4096點，最大程序存儲器容量可達252K步。

Q系列 PLC的基本組成包括電源模塊、CPU模塊、基板、I/O模塊等。通過擴展基板與 I/O模塊可以增加 I/O點數(shù)，通過擴展儲存器卡可增加程序儲存器容量，通過各種特殊功能模塊可提高PLC的性能，擴大PLC的應(yīng)用范圍。

3.2.1 電源

三菱Q61P-A1是三菱Q系列PLC的電源模塊。Q61P-A1 輸入電壓范圍：AC100～120V，輸出電壓：DC5V。

3.2.2 CPU

Q01UCPU模塊為獨立的CPU模塊，內(nèi)置串行RS-232通訊接口和USB接口，能與使用MC通訊協(xié)議的外部設(shè)備進行通訊，特殊設(shè)計的過程控制模塊與高分辨率的模擬量輸入/輸出模塊的配合，可以滿足各類過程控制的需要。

3.2.3 輸入輸出模塊

QX42和QX41是Q系列輸入模塊，是可配用Q系列CPU模塊的總線輸入模塊，DC輸入模塊的響應(yīng)時間可改變，且可支持在線更換。QY42P是Q系列輸出模塊，64點，帶短路保護。

3.2.4 定位模塊

QD75系列定位模塊有1軸，2軸，4軸模塊，可用于開集電極系統(tǒng)脈沖輸出，每個模塊需要單個插槽并占用32個專用I/O通道。本設(shè)備使用QD75P4定位模塊，能控制4個軸，開集電極脈沖輸出。

3.3 增加使用Q75P4定位模塊

改進后的設(shè)備采用QD75P4定位模塊實現(xiàn)三軸機械手聯(lián)動作業(yè)，精準抓取。三軸機械手機構(gòu)負責完成產(chǎn)品的準確夾取，為推瓶套袋作準備。該部分主要由伺服電機（配驅(qū)動）、步進電機（配驅(qū)動）、同步帶線性模組、感應(yīng)開關(guān)和機械手夾具等組成。運行時，由QD75P4定位模塊向驅(qū)動器發(fā)出控制命令（包括定位速度、取料和放料位置），接著Y軸伺服電機和X軸的步進電機負責各自的同步帶線性模組傳動運行，Z軸機械手對產(chǎn)品準確夾取，感應(yīng)開關(guān)對位置點進行精確感知，實時調(diào)整直線位移，預(yù)防誤動作。

3.4 人機界面系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

觸摸屏又叫操作終端，是目前工業(yè)控制領(lǐng)域用得較多的一種人機交互設(shè)備。使用觸摸屏，除了給操作人員帶來方便外還可以使機器配線簡單化，同時也能減少PLC控制所需的I/O點數(shù)，降低成本。

改進后的薄膜自動包裝機，其觸摸屏可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、模式切換、運行監(jiān)控和故障報警提示等功能，可在不同功能的畫面間相互切換，了解生產(chǎn)過程，同時，特別增加了手動模式界面，操作人員可單步操作每一個功能，在設(shè)備遇到故障或者需要調(diào)試時，更加方便工作使用。以下是對其中幾個重要功能的介紹。

3.4.1 主界面

打開電源開關(guān)后，進入觸摸屏人機主畫面?？梢愿鶕?jù)實際情況，選擇進入手動模式、自動模式、參數(shù)設(shè)定、報警畫面、I/O監(jiān)控和備用6項功能界面之一。

3.4.2 參數(shù)設(shè)定界面

選擇“參數(shù)設(shè)定”按鍵，可以進行工位1和工位2的作業(yè)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。這里包括X軸位置、Y軸位置、Z軸位置、取料位置、放料位置、定位速度和JOG速度等多項參數(shù)，其中“位置”類參數(shù)在調(diào)試過程中需要設(shè)定正確，才能保證機械手對產(chǎn)品的精準抓取。參數(shù)“定位速度”指定自動模式運行速度;參數(shù)“JOG速度”指定手動模式運行速度。

3.4.3 手動模式界面

工位1手動操作界面，可以單步實現(xiàn)功能操作，便于運行前的調(diào)試和故障糾正。手動操作過程如下：

1.修正前進→2.X軸取料位→3.Y軸取料位→4.Z軸取料位→5.夾緊進位→6.修正原位→7.Z軸原位→? 8.X軸放料位→9.吸袋步進取料位→10.真空嘴1→11.真空嘴2→12.吸袋氣缸原位→13.放袋氣缸1進位→14.吸袋步進放料位→15.真空嘴3→16.真空嘴4→17.吸袋步進放帶位→18.插入氣缸1進位→19.真空嘴1→20.真空嘴2→21.真空嘴3→22.真空嘴4→23.插入步進前進1→? 24.吸袋氣缸原位→25.放袋氣缸1原位→26.回轉(zhuǎn)氣缸1進位→27.Y軸位置二→28.插入氣缸2原位→29.插入后退1→30.1#氣缸前進→31.插入步進前進2→32.Y軸位置三→? 33.夾緊原位→34.推瓶進位→35.Y軸原位。

3.4.4 自動模式界面

進入自動模式界面后，操作擋位按鍵，在手動擋位下進行原點復(fù)位操作，待原點位置指示燈點亮后，切換到自動擋位，這是可以進行單工位或雙工位運行作業(yè)。同時顯示生產(chǎn)計數(shù)和生產(chǎn)節(jié)拍等情況。如果在運行中出現(xiàn)異常情況，異常報警燈會閃爍報警，并顯示報警情況說明。

3.4.5 報警界面

當作業(yè)出現(xiàn)異常報警后，設(shè)備停止工作，可以選擇“報警畫面”按鍵，查看報警詳細情況。操作人員根據(jù)具體情況，快速方便地處理報警狀況。處理完畢后，可通過“異常復(fù)位”按鍵，繼續(xù)下面的工序，無須進行原點復(fù)位操作。

4? 結(jié)語

經(jīng)過試驗，優(yōu)化后的薄膜自動包裝機通過參數(shù)設(shè)定畫面，可以設(shè)定機械手的位置信息，讓抓取更加準確，抓取產(chǎn)品的成功率幾乎達到了 100%，出現(xiàn)抓歪、抓不到的情況非常少。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過報警畫面可以很直觀地排查系統(tǒng)的故障點，并通過手動模式可以單獨調(diào)整各個模塊的狀態(tài)。Q01UCPUPLC作為主控制器，讓整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)報錯的概率大大降低。預(yù)置多工位設(shè)計空間，可實現(xiàn)雙工位交替作業(yè)，大大提高了生產(chǎn)效率。改造后的薄膜自動包裝機具有很強的創(chuàng)新性和推廣性，能成熟地應(yīng)用于中高檔類日化類用品的薄膜包裝，增強商品的美感和檔次，增強商品的競爭力。

參考文獻

[1] 王帥，李長雨.紙箱自動包裝機PLC控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].中國設(shè)備工程，2020（10）：126-128.

[2] 郝志偉，劉思聰，程亞亞，等.新型硬幣分揀包裝機的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016（22）：68-70.

[3] 徐海飛.高速小袋包裝機控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計[D].天津：天津科技大學(xué)，2016.

[4] 詹榮煌.基于FCS的熱收縮自動包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研發(fā)[D].福州：福州大學(xué)，2017.

[5] 盧宏，都學(xué)飛，林偉明，等.自動化臺式硬幣包裝機的設(shè)計創(chuàng)新與研制擇析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（33）：48-49.

[6] 李彥洲.基于PLC全自動藥品包裝機系統(tǒng)設(shè)計[J].科技資訊，2016，14（20）：63-64.