濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 亞

低成本全自動(dòng)無(wú)人套袋機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 亞

選用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心使套袋機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)全部使用氣缸實(shí)現(xiàn)低成本。本文從套袋動(dòng)作解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)等方面闡述了低成本全自動(dòng)無(wú)人套袋機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

套袋機(jī)；上袋機(jī)；全自動(dòng)；氣缸；單片機(jī)

引言

套袋機(jī)也叫上袋機(jī)，是一種代替人工往物料灌裝機(jī)械上套裝各種包裝袋的機(jī)械。自動(dòng)套袋機(jī)代替了手工套袋，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)了包裝自動(dòng)化，操作員只要一次性將幾百個(gè)包裝袋，放在設(shè)備的取袋部，設(shè)備機(jī)械會(huì)自動(dòng)的取袋、列印日期、開袋、給計(jì)量裝置信號(hào)計(jì)量并落料、封口、輸出。包裝全過(guò)程無(wú)需人工作業(yè)，有效的提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人工費(fèi)用及管理費(fèi)用，大幅降低了成本。

套袋機(jī)的適用范圍極其廣泛?？捎糜诩埶軓?fù)合、塑塑復(fù)合、鋁塑復(fù)合、PE復(fù)合等類型的預(yù)制好的包裝袋，也可以用于普通編織袋。此外，還可以一機(jī)多用，只需根據(jù)不同的物料配套不同的下料計(jì)量裝置能實(shí)現(xiàn)顆粒、粉末、塊狀、液體、軟罐頭、玩具、五金件等產(chǎn)品的全自動(dòng)包裝。目前，套袋機(jī)常常作為自動(dòng)化配料包裝碼垛生產(chǎn)線的一部分隨整個(gè)生產(chǎn)線一起銷售。由于整個(gè)生產(chǎn)線價(jià)格高昂，通常從幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)人民幣，一般的小廠無(wú)力購(gòu)買，不得不選擇人工套袋。然而在人工套袋中，除長(zhǎng)期人工成本和管理成本不斷增加外，工人還必須承受大量粉塵污染的侵害，于是研發(fā)低成本的無(wú)人化自動(dòng)套袋機(jī)械勢(shì)在必行。

1.系統(tǒng)組成

自動(dòng)套袋機(jī)由機(jī)架、單片機(jī)控制器（帶液晶屏）、空氣壓縮機(jī)、電機(jī)、真空泵、電磁閥、氣缸、傳感器等元器件組成。以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，控制各個(gè)氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作，完成一系列動(dòng)作，使包裝袋套在灌裝機(jī)構(gòu)上。其操作方便，并配有檢測(cè)裝置，可以檢測(cè)機(jī)器在沒有包裝物或包裝袋沒有打開的情況下使充填裝置不進(jìn)行充填，熱封裝置不封口，從而避免浪費(fèi)包材和原料。

2.套袋機(jī)自動(dòng)套袋動(dòng)作解析

套袋機(jī)分為吸袋、給袋、運(yùn)袋、開袋、插入、撐袋、套袋、夾袋、抽離、復(fù)位、封口等步驟。其動(dòng)作解析如下：

（1）吸袋

控制電磁閥a使吸袋氣缸下行，并使真空泵的電磁閥b打開將袋倉(cāng)中的袋子吸住，之后使氣缸上行，上行過(guò)程中有個(gè)上下往復(fù)的抖動(dòng)動(dòng)作，避免粘連。

（2）給袋

控制電磁閥c，使給袋氣缸給袋，并使給袋撥片動(dòng)作，完成給袋。

（3）運(yùn)袋

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，將袋子從袋倉(cāng)滾動(dòng)到開袋工位。

（4）開袋

控制電磁閥d，使開袋氣缸下行，同時(shí)控制電磁閥b使開袋工位的下方的氣管和上方的氣管打開抽真空，吸住袋子后，氣缸上行，使袋口打開。

（5）插入

控制電磁閥e，使短氣缸回縮，帶動(dòng)撐袋機(jī)構(gòu)插入袋口。

（6）撐袋

控制電磁閥f，使撐袋氣缸撐住袋口。

（7）套袋

控制電磁閥g，使長(zhǎng)氣缸撐開，把袋子套入出料口。

（8）夾袋

控制電磁閥h，使氣缸動(dòng)作，通過(guò)打開出料口把袋子夾在出料口上。

（9）抽離

控制電磁閥e，使短氣缸也撐開，將撐袋機(jī)構(gòu)抽離出料口。

（10）復(fù)位

控制電磁閥g，使長(zhǎng)氣缸回縮；同時(shí)控制電磁閥f，使撐袋氣缸松開撐袋，回歸原位。

（11）封口

待下料結(jié)束，控制電磁閥h，使出料口關(guān)閉；同時(shí)控制電磁閥i，使封口氣缸動(dòng)作，排除袋子中的氣體，進(jìn)行熱封或列印日期。封口動(dòng)作也有減少灰塵污染的作用。

其中，如表1所示，電磁閥e控制的短氣缸和電磁閥g控制的長(zhǎng)氣缸串聯(lián)來(lái)控制套袋臂的工位，通過(guò)四種排列組合，得到四個(gè)工位，巧妙的滿速了實(shí)際需求，代替了價(jià)格較為高昂的伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，并且有更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，不易發(fā)生故障，效果良好。

表1 串聯(lián)氣缸邏輯控制功能表

3.控制系統(tǒng)原理

當(dāng)用戶開啟系統(tǒng)總閘，整個(gè)系統(tǒng)上電，空氣壓縮機(jī)、真空泵、皮帶電機(jī)開始得電工作，此時(shí)單片機(jī)控制器也得電處于待命狀態(tài)。按下開始按鍵，單片機(jī)控制器即控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始套袋動(dòng)作。當(dāng)袋子用完，或者出現(xiàn)套袋故障時(shí)，報(bào)警器會(huì)報(bào)警，提醒操作人員進(jìn)行補(bǔ)袋或者進(jìn)行故障處理。按停止按鈕，系統(tǒng)則會(huì)停止套袋動(dòng)作。關(guān)閉系統(tǒng)總閘，則所有設(shè)備失電停止工作。

單片機(jī)控制器選用STC12C5A32S2單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，并配以19264LCD液晶屏、薄膜按鍵、蜂鳴輸出，以及一系列PLC式的標(biāo)準(zhǔn)光耦隔離輸入和繼電器輸出。STC12C5A32S2的LQFP-48封裝機(jī)型含有44個(gè)IO口，有29K的掉電不丟失的EEPROM存儲(chǔ)空間和31K的flash程序存儲(chǔ)器，還具備8路10位AD，功能強(qiáng)大。

全自動(dòng)套袋機(jī)的IO分配方面，套袋機(jī)本身至少需要10個(gè)輸出口，4個(gè)輸入口。由此，單片機(jī)控制器的所有IO引腳中，有12個(gè)（2個(gè)備用）分配給可承載220AC1A的繼電器輸出端口，12個(gè)（8個(gè)備用）分配給光耦隔離輸入端口，5個(gè)分配給薄膜按鍵接口用于調(diào)整延時(shí)時(shí)間之類的參數(shù)設(shè)置，1個(gè)分配給蜂鳴器輸出。此外，LCD的數(shù)據(jù)輸入輸出需要8個(gè)引腳，LCD的其余控制引腳，PSB、E1、E2、RST、RS、RW又需要6個(gè)引腳。至此，44個(gè)引腳分配完畢。

4.軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電后首先進(jìn)行初始化CPU、LCD，讀取EEPROM中存儲(chǔ)的設(shè)置，顯示開機(jī)字幕，使蜂鳴器發(fā)音等初始化工作。然后，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，包括傳感器掃描處理，按鍵掃描處理，系統(tǒng)參數(shù)保存處理，顯示信息，狀態(tài)輸出。其中狀態(tài)輸出是軟件的核心部分，包含一系列條件輸出。按照套袋機(jī)的工作步驟，根據(jù)時(shí)間和輸入條件，判斷出當(dāng)前應(yīng)該的狀態(tài)，使輸出端口輸出0或者1，進(jìn)而控制電磁閥，進(jìn)而控制氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成套袋工作。

5.結(jié)束語(yǔ)

由于全部使用氣缸，而氣缸具有較大彈性的特點(diǎn)，避免了加工特別精密的零件；同時(shí)通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，代替了伺服電機(jī)等成本較為高昂的元件，成本大幅度降低，達(dá)到了低成本的效果。這使得一些原本無(wú)力購(gòu)買整條包裝碼垛生產(chǎn)線的小廠也有了使用條件，大大擴(kuò)大了市場(chǎng)接受度，為中小企業(yè)提高自動(dòng)化生產(chǎn)程度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，以及減少污染、保護(hù)工人等起到了很大作用，取得了良好的市場(chǎng)效益和社會(huì)效益。

[1]張碧波.淺談包裝碼垛自動(dòng)生產(chǎn)線的發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2008(23).

[2]STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[Z].宏晶科技,2014.8.

王亞（1981—），男，河南濮陽(yáng)人，濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。