蔣曉婷，孟 ，孫以澤，朱荷蕾

JIANG Xiao-ting, MENG Chuo, SUN Yi-ze, ZHU He-lei

（東華大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 201620）

0 引言

消費(fèi)者對(duì)日用產(chǎn)品包裝質(zhì)量要求的日益提高和商品工業(yè)化生產(chǎn)的大規(guī)模與高速度，對(duì)包裝機(jī)提出了很高的要求。包裝機(jī)必須精確定位和動(dòng)作，且具有較高的包裝速度。用可編程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的控制，可以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有性能好、可靠性高、易于修改和擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。

1 褲襪自動(dòng)包裝機(jī)的生產(chǎn)工藝

褲襪包裝機(jī)的主要功能是將從褲襪定型機(jī)輸出的褲襪以內(nèi)紙板為支撐折疊好，套入外包裝殼并送入塑料包裝袋，封口、打標(biāo)簽后輸出包裝成品。工藝流程如圖1所示。

圖1 褲襪包裝工藝流程

褲襪包裝機(jī)主要由三部分組成：載襪臺(tái)、折襪機(jī)和裝袋機(jī)。

載襪臺(tái)是連接褲襪定型機(jī)與折襪機(jī)的過(guò)渡機(jī)構(gòu)。褲襪被輸送到載襪臺(tái)，人工檢查瑕疵，合格褲襪放在輸送帶上，輸送帶將褲襪送到折襪機(jī)。

折襪機(jī)主要通過(guò)三條傳送帶結(jié)構(gòu)組合和正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)褲襪的第一折和第二折，由汽缸驅(qū)動(dòng)的輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)紙板和外包裝殼的置放及褲襪第三折。每次折疊褲襪的長(zhǎng)度都要求十分精準(zhǔn)，以保證折疊后褲襪平整、美觀。

裝袋機(jī)分為制袋部分和包裝部分。

制袋部分用塑料薄膜自動(dòng)制袋。塑料薄膜裝在機(jī)架的一個(gè)支承軸上，采用一臺(tái)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)薄膜進(jìn)給，塑料膜經(jīng)走紙輪與三角形折疊機(jī)構(gòu)，合成折疊好的兩層薄膜進(jìn)入熱封機(jī)構(gòu)，使塑料袋兩側(cè)熱合，同時(shí)切出袋口舌部前端的斜角。由吸盤和送袋電機(jī)把袋子送到指定位置，汽缸將塑料袋位置固定且撐開(kāi)袋口，等待褲襪送入。

包裝部分主要由汽缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)外包裝殼舌部折疊，壓鏟壓住外包裝殼，送袋電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓鏟機(jī)構(gòu)將褲襪送入塑料袋并繼續(xù)送至打標(biāo)簽處。封口旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)折疊塑料袋舌部，打標(biāo)簽汽缸在封口處貼上標(biāo)簽，然后輸出包裝成品。

根據(jù)工藝流程，控制系統(tǒng)必須滿足以下要求：1）實(shí)現(xiàn)從輸入褲襪到輸出包裝好的褲襪袋裝產(chǎn)品所有工序動(dòng)作的順序控制；2）適應(yīng)不同長(zhǎng)度的褲襪和不同規(guī)格的內(nèi)外包裝紙的包裝生產(chǎn)；3）人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便、易于維護(hù)；4）具有完善的故障檢測(cè)和報(bào)警功能[1]。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成及工作原理

本系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）和工控機(jī)兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，硬件配置如圖2所示，主要包括：系統(tǒng)控制器模塊化PLC單元，PLC 的CPU 自帶高速計(jì)數(shù)器，檢測(cè)元件，控制面板，工控機(jī)，控制元件，執(zhí)行元件，反饋元件以及信息指示元件等。

圖2 硬件配置圖

PLC接收傳感器、編碼器等開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)的輸入，依據(jù)其內(nèi)部的梯形圖程序所確定的邏輯狀態(tài)關(guān)系與新輸出點(diǎn)的狀態(tài)，發(fā)出信號(hào)，控制變頻器、電磁閥、繼電器等電器元件，進(jìn)而控制各電機(jī)的運(yùn)行和汽缸的動(dòng)作，同時(shí)控制相應(yīng)指示燈的顯示。

工控機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供人機(jī)交互頁(yè)面，操作人員通過(guò)該界面向PLC發(fā)出操作指令，對(duì)PLC程序進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改，監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀況，故障報(bào)警，保存工作記錄。工控機(jī)通過(guò)串行口與PLC相連并相互通信。

2.2 硬件選型

通過(guò)對(duì)自動(dòng)包裝系統(tǒng)順序動(dòng)作、性能特點(diǎn)及控制要求分析，PLC共需59個(gè)輸入點(diǎn)，64個(gè)輸出點(diǎn)，故選擇某公司的CJ1M—CPU23型PLC，及4個(gè)CJ1W-ID211型輸入單元、5個(gè)CJ1W-OD211型輸出單元。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制軟件設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)的控制軟件由下位機(jī)PLC程序和上位機(jī)的人機(jī)交互界面程序組成。

下位機(jī)PLC程序控制流程如圖3所示[6]。系統(tǒng)的運(yùn)行方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，各工步都可單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，程序完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，又從第一步開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行。

圖3 PLC程序流程

第三折傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)序如圖4所示，第三折梯形圖程序如圖5所示。

圖4 第三折傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)序

圖5 第三折程序梯形圖

人機(jī)交互界面程序主要完成人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及各操作窗體之間的切換。同時(shí)，通過(guò)人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)系統(tǒng)的直接控制[6]。

3.2 適應(yīng)多規(guī)格褲襪包裝的程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

實(shí)際生產(chǎn)中不同規(guī)格的褲襪有不同的長(zhǎng)度，同一規(guī)格的褲襪長(zhǎng)度也有參差。為了使不同規(guī)格、不同長(zhǎng)度的褲襪都能完成準(zhǔn)確、美觀的包裝，控制系統(tǒng)要對(duì)褲襪三次折疊的長(zhǎng)度進(jìn)行精確的控制。其中，第一折的長(zhǎng)度控制是關(guān)鍵。

褲襪包裝折疊方案如圖6所示。圖7為第一折之前內(nèi)紙板放置完成時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)示意圖，上輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝了編碼器。

圖6 褲襪包裝折疊方案

圖7 第一折之前內(nèi)紙板放置完成時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)

針對(duì)同一批次的產(chǎn)品，內(nèi)紙板長(zhǎng)度b一定，系統(tǒng)運(yùn)行前在上位機(jī)參數(shù)設(shè)定界面輸入。每只褲襪的總長(zhǎng)度L通過(guò)載襪臺(tái)傳感器Sensor1測(cè)得。褲襪從定型機(jī)由輸送帶送到載襪臺(tái)，褲襪前端到達(dá)Sensor1的時(shí)刻，上輸送帶開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，程序讀入編碼器脈沖數(shù)n1。至褲襪后端離開(kāi)Sensor1時(shí)，載襪臺(tái)電機(jī)與上輸送帶電機(jī)停轉(zhuǎn)。此時(shí)讀入編碼器脈沖數(shù)n2。則褲襪的總長(zhǎng)度

式（1）中，d為輸送帶輥?zhàn)又睆剑?q為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，編碼器輸出的脈沖數(shù)，本系統(tǒng)采用的編碼器q=200。

操作人員檢查褲襪后，將褲襪在載襪臺(tái)的輸送帶上，手動(dòng)給Sensor1信號(hào)，載襪臺(tái)電機(jī)M1、上輸送帶電機(jī)M2、斜坡機(jī)構(gòu)電機(jī)M4同時(shí)運(yùn)行，直到將褲襪前端送到斜坡機(jī)構(gòu)中的A處，三臺(tái)電機(jī)停轉(zhuǎn)。相應(yīng)機(jī)構(gòu)把內(nèi)紙板置放在褲襪上，置放好后內(nèi)紙板前端的位置相對(duì)于機(jī)構(gòu)是固定的，設(shè)此時(shí)內(nèi)紙板前端與上輸送帶傳感器Sensor2的距離為p，內(nèi)紙板前端與A處之間的距離就是第一折的長(zhǎng)度L1

式（2）中，ΔL=ΔL1+ΔL2，ΔL1為褲襪第二折的端面長(zhǎng)度，ΔL2為褲襪第三折的端面長(zhǎng)度，ΔL1、ΔL2與褲襪的厚度及柔軟度有關(guān)，可實(shí)際測(cè)量。

褲襪從載襪臺(tái)被送到上輸送帶，褲襪前端到達(dá)上輸送帶傳感器Sensor2時(shí)，程序讀入編碼器的脈沖數(shù)n3，直到褲襪前端到達(dá)A處停止，程序再讀入編碼器的脈沖數(shù)n4，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，褲襪走過(guò)的距離為

由式（3）、（4）得

當(dāng)編碼器輸出脈沖數(shù)n4時(shí)，輸送帶電機(jī)全部停轉(zhuǎn)，內(nèi)紙板放置完成后其前端與褲襪前端的距離就是第一折的長(zhǎng)度。程序流程如圖8所示。

用類似方法控制輸送帶使第二折的長(zhǎng)度L2為2b+ΔL2，然后進(jìn)行第三折即對(duì)折，就能保證三折之后褲襪端面整齊、美觀。

4 結(jié)論

本文所述的褲襪包裝機(jī)由PLC協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的動(dòng)作，上位機(jī)提供人機(jī)交互渠道，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種規(guī)格褲襪的包裝生產(chǎn)，通用性好、結(jié)構(gòu)可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高，提高了產(chǎn)品包裝的速度和質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)我國(guó)包裝機(jī)械的發(fā)展具有重要意義。

圖8 第一折程序流程圖

[1] 陳嬋娟, 陳參,曾東暖.自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng), 2007,(04).

[2] 唐國(guó)蘭.基于PLC的高速全自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2004.

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[4] 張波,楊道升.DPP-250型包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,29:(5).

[5] Chen Guangfeng,Zhang Yawei, Jin Zhilei,Sun Zhijun,Sun Yize.Research on Jacquard Control System for Threepile-height Carpet Tufting Machine[R],2009 IITA International Conference on Control, Automation and Systems Engineering.

[6] Peixing LI,Zhijun SUN,Helei ZHU and Yize SUN,The Design of Control System for Auto-Packing Pantyhose Machine,Advanced Materials Research Vols.328-330(2011) pp 2288-2291.