劉志虎，王 雷，王幼民，李 明

(安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

包裝是產(chǎn)品進(jìn)入流通領(lǐng)域的必要條件［1］，而實現(xiàn)包裝的主要手段是使用包裝機(jī)械［2］。隨著技術(shù)的進(jìn)步、時代的發(fā)展，包裝機(jī)械在包裝領(lǐng)域中正起著越來越大的作用。包裝機(jī)械有多種分類方法:按功能可分為單功能包裝機(jī)和多功能包裝機(jī)［3］;按包裝品種可分為專用包裝機(jī)和通用包裝機(jī);按使用目的可分為內(nèi)包裝機(jī)和外包裝機(jī);按自動化水平分為半自動機(jī)和全自動機(jī)等。包裝袋的折邊折角作業(yè)是包裝過程中的一個很重要的工序，然而現(xiàn)有的包裝袋折邊折角大量采用人工操作，尚未完全實現(xiàn)自動化，工人的工作環(huán)境差，工作枯燥，生產(chǎn)積極性不高?；诖耍疚膶Πb袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。該機(jī)械手采用氣動方式提供動力，通過 PLC對機(jī)械手［4－10］進(jìn)行控制，能夠同時實現(xiàn)包裝袋折邊和折角2道工序，并可以和自動流水生產(chǎn)線配合使用，顯著提高了生產(chǎn)效率。

1 生產(chǎn)線流程改造方法

包裝袋進(jìn)行縫紉前需要進(jìn)行折邊和折角作業(yè)，其生產(chǎn)線流程示意圖如圖1所示。折邊折角作業(yè)機(jī)械手安放在排對調(diào)整位置，工人在上料工位把包裝袋放置在上料處，經(jīng)自動流水傳送帶傳輸?shù)脚抨犝{(diào)整位置，折邊折角完成后自動運送到縫紉工位。

圖1 生產(chǎn)線流程示意圖

2 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和工作過程

2.1 折邊折角作業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)包括:折邊折角部分圖2(a)和折角定位部分圖2(b)兩大部分，其中折邊折角部分主要由上吸盤氣缸、2個180°擺動氣缸、上折邊齒耙、下折邊齒耙、90°擺動氣缸、上真空吸盤、下真空吸盤、包裝袋、下齒耙氣缸組成。折邊折角部分主要完成真空吸盤打開包裝袋、包裝袋折邊、包裝袋折角的功能。其中上折邊齒耙和下折邊齒耙各連接一個180°擺動氣缸，實現(xiàn)包裝袋上下兩邊的折邊工序，90°擺動氣缸實現(xiàn)包裝袋的折角工序。

折角定位部分主要由橫向移動氣缸、縱向移動氣缸和折角定位機(jī)構(gòu)組成。在橫向移動氣缸和縱向移動氣缸的雙重推動下，折角定位機(jī)構(gòu)實現(xiàn)橫向和縱向移動。折角定位部分的功能:為折角工序提供準(zhǔn)確的定位，保證折角動作的順利完成。圖2為包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 折邊折角作業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手工作過程

1)將包裝袋放置在上料處，經(jīng)自動流水生產(chǎn)線運送到折邊折角位置停止。

2)袋子下面的真空吸盤保持不動，包裝袋上面的真空吸盤利用上吸盤氣缸吸引至折邊位置處，從而完成包裝袋打開動作。

3)利用2個180°擺動氣缸分別旋轉(zhuǎn)上下2個折邊齒耙，當(dāng)2個齒耙都旋轉(zhuǎn)180°時完成折邊工序。

4)利用橫向移動氣缸和縱向移動氣缸推動折角定位機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上面實現(xiàn)橫向和縱向運動，當(dāng)折角定位機(jī)構(gòu)到達(dá)所需的定位位置處停止。

5)90°擺動氣缸轉(zhuǎn)出，計時1 s后轉(zhuǎn)回，完成折角工序。

6)將折角定位機(jī)構(gòu)按照原路返回，從而實現(xiàn)折角定位機(jī)構(gòu)退出包裝袋。

7)2個180°擺動氣缸帶動上折邊齒耙和下折邊齒耙同時轉(zhuǎn)回。

8)吸盤下壓，完成折邊折角流程。

9)下折邊齒耙利用氣缸提供動力下移，流水線運走包裝袋至縫紉工位后上移至原位置復(fù)位，與此同時機(jī)構(gòu)開始下一次循環(huán)。

3 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 氣缸的選擇

氣缸的選型包括以下步驟:選定氣缸的缸徑，選定氣缸的行程，選定氣缸的品種，選定氣缸的安裝形式，選定氣缸的緩沖形式，選定磁性開關(guān)。經(jīng)過計算，包裝袋的折邊折角作業(yè)機(jī)械手所用的氣缸主要參數(shù)如表1所示。

表1 氣缸主要參數(shù)

3.2 氣動控制原理圖的設(shè)計

通過對包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理的分析，設(shè)計了氣動控制系統(tǒng)。該機(jī)械手氣動控制原理如圖3所示。氣動控制系統(tǒng)由空氣源、空氣處理單元、折邊折角模塊、形成真空模塊4部分組成，其中:空氣處理單元對空氣源進(jìn)行處理，使處理后的空氣能夠被該氣動控制系統(tǒng)使用。折邊折角模塊共包括4個伸縮氣缸和3個擺動氣缸，其中上吸盤氣缸(101)和下齒耙氣缸(111)實現(xiàn)上、下伸縮運動;縱向移動氣缸(202)實現(xiàn)縱向方向的伸縮運動;橫向移動氣缸(201)實現(xiàn)橫向的伸縮運動;2個180°擺動氣缸(102和109)通過同一個電磁閥進(jìn)行180°同步旋轉(zhuǎn)運動，用來實現(xiàn)包裝袋的上、下2個折邊動作同步進(jìn)行，從而實現(xiàn)折邊工序;90°擺動氣缸(104)進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)包裝袋的折角工序。這些氣缸的換向通過兩位五通電磁閥來實現(xiàn)。為了保證氣缸運動的平穩(wěn)性，每個氣缸回路均連接了單向調(diào)速閥。為了降低氣動控制系統(tǒng)的噪音，6個兩位五通電磁閥連接了消音器，并通過一個電磁閥集裝板安裝。形成真空模塊主要利用真空發(fā)生器能夠形成真空的原理設(shè)計，通過該模塊，能夠使上真空吸盤(105)和下真空吸盤(110)產(chǎn)生真空負(fù)壓，進(jìn)而吸引包裝袋并打開包裝袋。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

圖4為包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)［6－7］的總體設(shè)計方案。系統(tǒng)采用 PLC進(jìn)行控制，需要同時進(jìn)行上吸盤氣缸控制、下齒耙氣缸控制、2個180°擺動氣缸控制、真空發(fā)生器控制、90°擺動氣缸控制、縱向移動氣缸控制以及橫向移動氣缸的控制。為了保證包裝袋上折邊和下折邊同時進(jìn)行，即上折邊齒耙和下折邊齒耙能夠同步旋轉(zhuǎn)，2個180°擺動氣缸通過同一個兩位五通電磁閥進(jìn)行控制。同時，為了方便操作人員對設(shè)備運行進(jìn)行實時監(jiān)控和操作，采用人機(jī)界面觸摸屏控制，使人機(jī)交互更加簡單、直觀。

圖3 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手氣動控制原理

包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作分為全自動模式和單周期模式。在全自動模式下，機(jī)械手的每個動作執(zhí)行完后，下一個動作自動執(zhí)行，通過與自動化流水生產(chǎn)線的配合，不停地進(jìn)行一個又一個的包裝袋折邊折角動作。在單周期模式下，當(dāng)一個包裝袋折邊折角完成后，機(jī)械手自動停止。在這種模式下，如果需要進(jìn)行下一個包裝袋的折邊折角，需要重新按下啟動按鈕。此外，設(shè)備設(shè)置了回原點復(fù)位按鈕，當(dāng)有特殊情況發(fā)生導(dǎo)致系統(tǒng)出錯時，可以通過回原點復(fù)位按鈕將系統(tǒng)還原到初始狀態(tài)。

圖4 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

4.2 機(jī)械手PLC的I/O地址分配表

本文采用西門子 S7－200系列微型 PLC、CPU226、DC/DC/DC晶體管輸出型PLC。晶體管輸出型PLC有24輸入、16輸出，能夠滿足包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制要求。

根據(jù)機(jī)械手所需的輸入/輸出點數(shù)，同時為了方便PLC的外部接線及程序設(shè)計，將PLC的I/O地址分配如表2所示。

表2 PLC的I/O地址分配

4.3 硬件電路設(shè)計

根據(jù)PLC的I/O地址分配表，設(shè)計如圖5所示的PLC外部硬件接線圖。

圖5 PLC外部硬件接線圖

4.4 PLC 控制流程

包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手的控制主要包括以下幾個工作過程:下齒耙氣缸的控制、氣缸打開包裝袋的控制、包裝袋折邊氣缸的控制、包裝袋折角定位機(jī)構(gòu)的控制、包裝袋折角氣缸的控制、氣缸關(guān)閉包裝袋的控制。根據(jù)包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手需要實現(xiàn)的動作順序，繪制的PLC控制流程如圖6所示。

4.5 PLC編程與調(diào)試

根據(jù)PLC控制流程，使用西門子STEP7編程軟件進(jìn)行編程。本文選用梯形圖進(jìn)行編程，編程思路如下:為了保證系統(tǒng)的安全運行性，在編程時應(yīng)設(shè)置一些必要的互鎖，比如在兩位五通雙控電磁閥左線圈得電時右線圈不能同時得電，橫向移動氣缸和縱向移動氣缸控制的折角定位機(jī)構(gòu)運動在沒有退出的時候，上吸盤氣缸不能伸出等。另外，如當(dāng)按下停止按鈕的時候可馬上停止動作，按下回原點復(fù)位按鈕的時候可立即使各氣缸回原點復(fù)位。氣動機(jī)械手部分梯形圖程序如圖7所示。包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手調(diào)試現(xiàn)場如圖8所示。

圖6 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手PLC控制流程

圖7 氣動機(jī)械手梯形圖程序(部分)

圖8 氣動機(jī)械手調(diào)試現(xiàn)場

5 結(jié)束語

包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手與人工操作折邊折角作業(yè)相比有如下優(yōu)點:機(jī)械手操作靈活，折邊折角效率更高，減少了勞動力;對操作工人技術(shù)水平要求不高;經(jīng)過對包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，證明了本機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的功能，并且包裝袋折邊折角效率高，合計14.5個/min，可靠性高達(dá)99%。該機(jī)械手節(jié)省了人力，節(jié)約了成本，提高了企業(yè)競爭力，有十分廣闊的市場應(yīng)用前景。

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