基于PLC的自動(dòng)整形封箱機(jī)設(shè)計(jì)

張 銳， 汪志鋒， 徐 潔

(上海第二工業(yè)大學(xué) 智能制造與控制工程學(xué)院， 上海 201209)

近年來，市場對(duì)非重復(fù)充裝焊接鋼瓶的需求逐年增加。自動(dòng)化包裝碼垛生產(chǎn)線憑借其高效的包裝碼垛方式，在生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用也越來越普遍。自動(dòng)封箱機(jī)作為自動(dòng)化包裝碼垛生產(chǎn)線的重要組成部分，其在整線協(xié)作過程中運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性成為保證整條生產(chǎn)線正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備容易出現(xiàn)2類問題：①由于紙箱規(guī)格難以做到均一，并且裝有鋼瓶的箱體在生產(chǎn)線上流轉(zhuǎn)過程中箱體容易受到擠壓，這些因素可能會(huì)造成封箱后的箱體變形較大，甚至紙箱上蓋邊緣出現(xiàn)突出錯(cuò)位，無法達(dá)到包裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，造成大量返工，浪費(fèi)人力物力[2]；②由于傳統(tǒng)的封蓋機(jī)普遍采用傳送帶或傳送鏈板的方式輸送紙箱，紙箱的輸送速度與封箱機(jī)內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行節(jié)拍難以適配，一旦輸送速度高于執(zhí)行速度就容易形成紙箱聚集，造成設(shè)備故障[3]。上述問題的出現(xiàn)主要是由于缺少封箱后的箱體整形，致使最后的包裝效果隨紙箱規(guī)格不同而差異性顯著。趙漢雨等[4]針對(duì)封箱設(shè)備控制系統(tǒng)提出了基于PLC對(duì)包裝機(jī)進(jìn)行控制；閔杰等[5]針對(duì)箱體轉(zhuǎn)送提出了一種自動(dòng)夾箱方法。針對(duì)上述問題并結(jié)合其他學(xué)者的研究[6-12]，課題組提出一種用于鋼瓶自動(dòng)化包裝碼垛生產(chǎn)線的自動(dòng)整形封箱裝置。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)整形封蓋機(jī)基本結(jié)構(gòu)

自動(dòng)整形封蓋機(jī)主要由機(jī)架、前推機(jī)構(gòu)、上方合蓋機(jī)構(gòu)、上方噴膠機(jī)構(gòu)、上方封蓋機(jī)構(gòu)和紙箱整形機(jī)構(gòu)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)整形封箱機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.2 工藝流程

紙箱上蓋未封蓋前位于封箱機(jī)的入口處，其前、后、左、右4個(gè)折頁均處于豎直打開狀態(tài)。當(dāng)紙箱進(jìn)入封蓋機(jī)后，在前推機(jī)構(gòu)的推送下，依次在合蓋工位上實(shí)現(xiàn)前、后折頁的閉合，在噴膠工位上實(shí)現(xiàn)內(nèi)箱蓋表面的涂膠作業(yè)，在封蓋工位上實(shí)現(xiàn)左、右折頁的閉合，最后進(jìn)入紙箱整形工位進(jìn)行箱體外形規(guī)整。封箱及整形工藝流程如圖2所示。

圖2 封箱及整形工藝流程

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整形封箱設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個(gè)系統(tǒng)組成。其中，控制系統(tǒng)主要是基于光電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)有無紙箱狀態(tài)信號(hào)的采集輸入。PLC接收到輸入信號(hào)后通過控制程序進(jìn)行邏輯判斷并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給各功能單元。該設(shè)備的功能單元主要是由氣動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)復(fù)合構(gòu)成的，這些功能單元分別對(duì)應(yīng)著封蓋機(jī)前推機(jī)構(gòu)、上方合蓋機(jī)構(gòu)、上方噴膠機(jī)構(gòu)和上方封蓋機(jī)構(gòu)，上述機(jī)構(gòu)通過氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而紙箱整形機(jī)構(gòu)屬于單一機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要由流利條和彈簧組成，紙箱進(jìn)入整形工位，流利條在彈簧的壓力下頂住紙箱側(cè)壁和上表面達(dá)到以外力修正紙箱外形的目的。

機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)封蓋及整形的功能。具體的配合實(shí)現(xiàn)過程如下：當(dāng)紙箱進(jìn)入合蓋工位，該工位上的光電傳感器檢測到紙箱并將信號(hào)輸入PLC，PLC根據(jù)控制程序向上方合蓋機(jī)構(gòu)發(fā)出合蓋指令實(shí)現(xiàn)內(nèi)箱蓋前、后折頁閉合；上方合蓋機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作后發(fā)送信號(hào)給PLC，PLC收到信號(hào)后向前推機(jī)構(gòu)發(fā)送動(dòng)作指令，紙箱在前推機(jī)構(gòu)的推送下進(jìn)入噴膠工位，該工位上傳感器檢測到紙箱流入反饋給PLC，PLC發(fā)送指令給噴膠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)箱蓋表面的打膠作業(yè)；隨后在前推機(jī)構(gòu)推送下進(jìn)入封蓋工位，封蓋工位上的光電開關(guān)感應(yīng)到紙箱后向PLC發(fā)送信號(hào)，PLC處理后給封蓋機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，封蓋機(jī)構(gòu)將紙箱外箱蓋閉合，最后前推機(jī)構(gòu)推送紙箱進(jìn)入整形工位，進(jìn)一步對(duì)紙箱進(jìn)行外形規(guī)整，確保封箱質(zhì)量一致。

2 功能單元設(shè)計(jì)

2.1 前推機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

紙箱前推機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)完成紙箱在封箱機(jī)內(nèi)部的推送轉(zhuǎn)移任務(wù)，實(shí)現(xiàn)紙箱在不同工位之間的流轉(zhuǎn)。前推機(jī)構(gòu)主要由推板、橫移氣缸、縱移氣缸、滾筒線、止擋氣缸和直線導(dǎo)軌等構(gòu)成。其中，橫移、縱移氣缸和推板構(gòu)成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在x方向和y方向的導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)滑移。前推機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 前推機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

當(dāng)紙箱被物料輸送帶輸送到封箱機(jī)入口處時(shí)，滾筒線側(cè)邊固定的光電傳感器會(huì)感應(yīng)到箱體，隨即紙箱前推機(jī)構(gòu)執(zhí)行推箱動(dòng)作。其中，橫移氣缸首先驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體沿導(dǎo)軌向-y方向滑移，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體到達(dá)限位開關(guān)處停止；同時(shí)，縱移氣缸沿導(dǎo)軌向-x方向動(dòng)作，到限位后停止，隨即橫移氣缸往y方向動(dòng)作，此時(shí)縱向氣缸上固定的推板將推動(dòng)紙箱進(jìn)入下一工位。由于每一個(gè)工位上都裝有一個(gè)光電傳感器，當(dāng)觸發(fā)光電傳感器被觸發(fā)，滾筒線側(cè)邊止擋氣缸就會(huì)伸出將紙箱截停限位。紙箱前推機(jī)構(gòu)隨即退回原位繼續(xù)執(zhí)行前述規(guī)定流程動(dòng)作，如此循環(huán)。通過紙箱前推機(jī)構(gòu)對(duì)單個(gè)紙箱的推送可以有效避免紙箱無秩序密集的進(jìn)入封箱機(jī)。

2.2 上方合蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上方合蓋機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)紙箱上蓋的前、后折頁進(jìn)行閉合的功能，同時(shí)確保左、右折頁處于打開狀態(tài)。上方合蓋機(jī)構(gòu)主要包含后箱蓋打塊、前箱蓋曲面擋板、保持桿和伸縮氣缸等。上方合蓋機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)箱體通過前推機(jī)構(gòu)的推送到達(dá)合蓋工位后，滾筒線側(cè)邊的光電開關(guān)檢測到箱體已到位，而在紙箱被推送的運(yùn)動(dòng)過程中，上方合蓋機(jī)構(gòu)中的前箱蓋曲面擋塊已經(jīng)將前折頁閉合，伸縮氣缸在接收到PLC的運(yùn)動(dòng)指令后執(zhí)行收縮氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)后箱蓋打塊將箱蓋后折頁也閉合，然后兩根保持桿壓住剛剛閉合的前后折頁確保前后折頁始終處于閉合狀態(tài)。

圖4 上方合蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.3 上方噴膠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上方噴膠機(jī)構(gòu)主要用來對(duì)紙箱上蓋中已閉合的前后折頁表面進(jìn)行打膠。噴膠機(jī)構(gòu)主要由膠槍保護(hù)罩、膠槍固定桿、限位傳感器、圓柱導(dǎo)軌和往復(fù)氣缸等組成。其中熱熔膠槍是安裝固定在膠槍固定桿上，隨往復(fù)氣缸一起在圓柱導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次到達(dá)限位傳感器處則停止。上方噴膠機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。紙箱在上方合蓋機(jī)構(gòu)工位完成紙箱前后折頁閉合工序后被前推機(jī)構(gòu)推送至噴膠工位。在噴膠工位上，往復(fù)氣缸帶動(dòng)膠槍在紙箱上方進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中膠槍在紙箱內(nèi)折頁上表面噴涂4條并行膠線。往復(fù)氣缸的動(dòng)作頻次與滾筒線側(cè)的傳感器感應(yīng)到紙箱的頻次一致，即每進(jìn)一個(gè)紙箱，往復(fù)氣缸單方向動(dòng)作一次。

圖5 上方噴膠機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.4 上方封蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上方封蓋機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)對(duì)已經(jīng)噴涂過熱熔膠液的紙箱進(jìn)行左、右折頁閉合的任務(wù)，通過控制兩對(duì)稱伸縮氣缸動(dòng)作帶動(dòng)外箱蓋打桿放下合攏將箱蓋左右折頁閉合，實(shí)現(xiàn)紙箱上蓋的完全閉合。上方封蓋機(jī)構(gòu)主要包含外箱蓋打桿、伸縮氣缸和固定支承座等，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)紙箱在打膠工位完成打膠作業(yè)后，趁著內(nèi)箱蓋前后折頁上的膠體尚未凝固，立即對(duì)其進(jìn)行最終的封蓋處理。箱體在被推送到封蓋工位后觸發(fā)滾筒線側(cè)邊的光電傳感器，PLC在接收到輸入信號(hào)后隨即發(fā)出封蓋信號(hào)給上方封蓋機(jī)構(gòu)，對(duì)稱的伸縮氣缸伸出，推動(dòng)外箱蓋打桿壓下，使紙箱的左右折頁閉合，完成紙箱的最終封箱工序。但此時(shí)紙箱普遍會(huì)出現(xiàn)折頁未對(duì)齊，甚至折頁冒邊等不符合包裝標(biāo)準(zhǔn)的情況，所以在后續(xù)還有紙箱整形工序。

圖6 上方封蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.5 紙箱整形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

紙箱整形機(jī)構(gòu)主要起到對(duì)已經(jīng)完成打膠并封箱后的箱體的上箱蓋表面壓緊固定的作用，同時(shí)結(jié)合側(cè)邊的彈簧流利條對(duì)箱體外觀進(jìn)行一定的輔正。紙箱整形機(jī)構(gòu)與前述的幾個(gè)功能單元不同，它屬于單一的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的工況下具有較高的可靠性和實(shí)用性，主要由流利條、彈簧和固定連接桿等組成。紙箱整形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)箱體完成最終封箱作業(yè)后，內(nèi)箱蓋和外箱蓋之間的熱熔膠液體尚未冷卻凝固，并且在封蓋工位上內(nèi)外箱蓋之間并非緊密接觸，之間的膠體也未充分勻開，如果不采取一定措施，可能會(huì)出現(xiàn)因?yàn)檎尺B不牢而折頁打開的情況，因此這里需要借助一定的外力壓實(shí)紙箱頂部箱蓋。同時(shí)考慮到紙箱在推送過程中存在被推板擠壓變形的情況，所以通過側(cè)邊彈簧加壓流利條對(duì)紙箱整體進(jìn)行整形輔正。至此該封蓋機(jī)的所有工序才執(zhí)行完畢。

圖7 紙箱整形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件選擇

自動(dòng)整形封箱設(shè)備的控制系統(tǒng)的主控元件PLC為基恩士KV-Nano系列KV-N24AR，有14點(diǎn)輸入，10點(diǎn)繼電器輸出。檢測元件選用的是歐姆龍的E3JK-RR11-C光電傳感器。

3.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC接收來自傳感器或者按鈕的輸入信號(hào)，然后在PLC中綜合分析輸出控制指令驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)而控制氣動(dòng)系統(tǒng)，或判斷設(shè)備故障時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警器。PLC系統(tǒng)控制框圖如圖8所示。

圖8 PLC控制系統(tǒng)框圖

3.3 系統(tǒng)控制流程

自動(dòng)整形封箱機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)是基于設(shè)備上的光電傳感器、氣缸上的磁性開關(guān)等信號(hào)輸入元件和各種電磁閥等動(dòng)作元件所設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下設(shè)備還需要進(jìn)行調(diào)試和維修，所以引入了手動(dòng)模式和自動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)備控制，控制流程如圖9所示。

圖9 控制流程圖

4 結(jié)語

課題組設(shè)計(jì)的全自動(dòng)整形封箱機(jī)主要應(yīng)用在包裝碼垛生產(chǎn)線中，作為包裝自動(dòng)化的配套設(shè)備，通常與入箱機(jī)和打內(nèi)扣機(jī)配合構(gòu)成自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線。文中詳細(xì)介紹了該設(shè)備的總體方案、主要功能單元和控制系統(tǒng)。該設(shè)備在傳統(tǒng)封箱機(jī)基礎(chǔ)上增加了紙箱整形機(jī)構(gòu)，解決了箱體的變形問題，提高了包裝質(zhì)量；同時(shí)該設(shè)備解決了傳統(tǒng)設(shè)備在紙箱傳輸過程中由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳送機(jī)構(gòu)速度難以適配造成紙箱堆積的問題，提出了一種采用橫移氣缸和縱移氣缸配合推動(dòng)箱體在滾動(dòng)線上移動(dòng)的方式，并采用止擋氣缸精確限定紙箱位置，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)紙箱單次只能占據(jù)一個(gè)執(zhí)行工位，避免了多箱體同時(shí)占據(jù)一個(gè)工位，達(dá)到了有序封箱的目的。