趙苾通，王佳，何慶中，李科宏，賴鏡安，左超，何潤東

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

目前，隨著人們生活質(zhì)量的提升，對(duì)產(chǎn)品的安全要求愈來愈高，與之相關(guān)的灌裝類機(jī)械技術(shù)得到了完善和發(fā)展。但在自動(dòng)化灌封裝行業(yè)，80%灌裝生產(chǎn)線為大型灌裝生產(chǎn)線，其價(jià)格高昂、占地面積大、維護(hù)成本高的特點(diǎn)使得中小型企業(yè)難以采用。而中小型企業(yè)采用的半自動(dòng)化灌裝機(jī)械主要問題在于灌裝精度不高、旋蓋扭矩不均、產(chǎn)品生產(chǎn)無檢測(cè)系統(tǒng)、無噴碼貼標(biāo)系統(tǒng)、自動(dòng)化程度不高等?；诖嬖诘膯栴}，迫切需要新的更先進(jìn)、更高效和更智能的灌裝方式取而代之，并且小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)灌裝的好壞直接影響白酒的質(zhì)量與價(jià)值。本文作者針對(duì)某一型號(hào)的小瓶白酒自動(dòng)灌封裝平臺(tái)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并且基于PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)灌裝、旋蓋、噴碼貼標(biāo)和檢測(cè)等功能，滿足自動(dòng)化控制要求，降低灌裝成本，提高工作效率與精度。

1 自動(dòng)灌封裝平臺(tái)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。整個(gè)小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)可以分為框架、酒瓶輸送部分、灌裝部分、瓶蓋輸送機(jī)構(gòu)、旋蓋部分、噴碼貼標(biāo)部分、標(biāo)簽檢測(cè)部分等。

圖1 小型全自動(dòng)灌封裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖

該機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)、功能參數(shù)如表1所示。

表1 小型全自動(dòng)灌封裝平臺(tái)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)

1.2 小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)的工作原理

小型自動(dòng)灌裝平臺(tái)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，通過PLC接收各種傳感器和上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，使氣動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各機(jī)構(gòu)中的氣缸進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)灌裝、旋蓋、定位等功能，能夠連續(xù)循環(huán)地實(shí)現(xiàn)酒瓶灌裝。其中灌裝平臺(tái)還加有稱重模塊實(shí)現(xiàn)精確灌裝、伺服旋蓋實(shí)現(xiàn)扭矩反饋等，確保小型灌裝平臺(tái)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、精確灌裝。

在系統(tǒng)初始化完成后，整個(gè)機(jī)械裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：(1)稱重灌裝。傳輸鏈板通過旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)空瓶到達(dá)指定灌裝工位，空瓶到達(dá)灌裝位后，位置傳感器檢測(cè)到空瓶到達(dá)指定位置反饋給PLC，PLC通過邏輯控制指令控制灌裝系統(tǒng)給空瓶注入液體。同時(shí)稱重模塊計(jì)量，達(dá)到設(shè)定灌裝質(zhì)量后，啟動(dòng)灌裝機(jī)的推動(dòng)推桿關(guān)閉灌裝閥口并由旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)灌裝完成的瓶子回到傳輸鏈板，分裝好的瓶子通過鏈板到達(dá)旋蓋系統(tǒng)前。(2)旋蓋。送蓋氣缸伸出將瓶蓋移動(dòng)到指定位置，再由氣缸帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上向下滑動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)到抓取位，通過氣動(dòng)三爪抓手將瓶蓋抓起；氣缸推動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上升到指定高度，然后瓶子到達(dá)旋蓋位置，旋轉(zhuǎn)軸下降，伺服電機(jī)帶動(dòng)抓手和瓶蓋整體旋轉(zhuǎn)進(jìn)行旋蓋操作。旋轉(zhuǎn)到位以后，松開夾緊抓手旋轉(zhuǎn)氣缸復(fù)位，進(jìn)行第二次的旋轉(zhuǎn)擰緊動(dòng)作。(3)噴碼貼標(biāo)。完成上蓋擰緊動(dòng)作以后，固定瓶身的抓手由輸送鏈板到達(dá)噴碼工序。當(dāng)霍爾元件檢測(cè)到產(chǎn)品后，貼標(biāo)機(jī)工作，對(duì)瓶身進(jìn)行旋壓貼標(biāo)；同時(shí)，噴頭工作并打印出代碼。(4)標(biāo)簽檢測(cè)。完成噴碼后，鏈板帶動(dòng)瓶子到達(dá)檢測(cè)工位進(jìn)行檢測(cè)，通過CCD相機(jī)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)中灌裝、旋壓密封、貼標(biāo)及噴碼、檢測(cè)的各個(gè)工序、各個(gè)動(dòng)作的控制和協(xié)調(diào)都由PLC和上位機(jī)聯(lián)合控制。小型灌裝平臺(tái)具體工作流程如圖2所示。

圖2 小型灌裝平臺(tái)工作流程

2 小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)灌裝工序要求，從瓶身進(jìn)入傳輸帶到最后灌裝檢測(cè)好離開傳輸帶，采用多個(gè)氣缸配合，通過傳感器的信號(hào)反饋，使PLC進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)輸出，控制電磁閥來實(shí)現(xiàn)氣缸動(dòng)作，完成相應(yīng)工序。系統(tǒng)由氣泵、氣源、單向節(jié)流閥、電磁換向閥、雙行程氣缸等組成。此系統(tǒng)的氣動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)原理

3 小型自動(dòng)灌封裝平臺(tái)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成設(shè)計(jì)

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)控制功能和驗(yàn)證平臺(tái)調(diào)試要求，驗(yàn)證平臺(tái)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)具體分為以下三點(diǎn)：

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)信息采集模塊。通過在各個(gè)位置設(shè)置接近開關(guān)，在瓶身接近后發(fā)出信號(hào)，讓整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)更加自動(dòng)化，并且采用稱重傳感器和扭矩傳感器。前者對(duì)灌裝瓶進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重反饋，通過RS485通信端口進(jìn)行通信；后者對(duì)扭矩值進(jìn)行檢測(cè)，通過扭矩控制PI調(diào)節(jié)器將處理后的扭矩值輸出至伺服模塊進(jìn)行旋蓋。

(2)信息處理模塊。此系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)控制模塊的自動(dòng)控制。此系統(tǒng)核心控制為PLC控制，對(duì)傳感器、接近開關(guān)輸入的信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制，并且上位機(jī)根據(jù)實(shí)際工況要求與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

(3)執(zhí)行模塊。通過PLC信號(hào)指令，多種氣缸、伺服電機(jī)相互配合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的工序。

3.2 PLC選型與接線

根據(jù)控制要求此設(shè)計(jì)用到輸入端子15個(gè)，輸出端子18個(gè)。輸入、輸出I/O分配見表2。選用三菱FX3U-48MT型號(hào)的PLC。該型號(hào)PLC有24點(diǎn)輸出、24點(diǎn)輸入，采用低電平輸入輸出，性能穩(wěn)定，功能模塊齊全,抗干擾能力強(qiáng)。氣泵電機(jī)220 V外部供電，酒瓶輸送帶電機(jī)采用220 V/60 W單相異步電機(jī)。

表2 I/O分配

根據(jù)灌封裝平臺(tái)控制要求與I/O分配，其控制系統(tǒng)接線如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)接線

PLC采用邏輯和順序控制形式編寫程序，使用GX-Work2軟件進(jìn)行編寫，部分程序如圖6所示。

圖6 PLC程序

3.3 稱重模塊通信

稱重模塊和PLC之間的通信采用主從的方式，以稱重儀表作為主站發(fā)送稱重?cái)?shù)據(jù)，從站PLC響應(yīng)來自稱重儀表的數(shù)據(jù)。PLC和稱重模塊采用RS485接口，通過Modbus-RTU格式，參考通信參數(shù)設(shè)定程序，使用ADPRW指令編寫主站/從站通信。使用GX-Work2軟件編寫的主要程序如圖7所示。

圖7 通信主站/從站程序

3.4 扭矩閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

在旋蓋伺服控制系統(tǒng)中，每次旋蓋的扭矩會(huì)有不同，這就需要將伺服電機(jī)輸出的扭矩通過扭矩傳感器進(jìn)行扭矩值的實(shí)時(shí)反饋，根據(jù)PLC程序?qū)⑺欧C(jī)的扭矩值和電流值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。換算公式是一個(gè)線性函數(shù)，正比例輸出相應(yīng)電流，當(dāng)電流改變時(shí)，轉(zhuǎn)矩也隨之改變。再通過PI調(diào)節(jié)，使旋蓋系統(tǒng)抓取瓶蓋后至旋蓋處，其反饋扭矩值接近設(shè)定值后開始旋蓋，完成扭矩控制。系統(tǒng)組成如圖8所示。

圖8 扭矩控制系統(tǒng)

4 實(shí)物驗(yàn)證與上位機(jī)編譯

對(duì)上述設(shè)計(jì)的全自動(dòng)灌裝平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)物如圖9所示。通過上位機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各部分進(jìn)行初始化設(shè)置，然后啟動(dòng)手動(dòng)模式，對(duì)灌裝部分、旋蓋部分等進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了精確灌裝和平穩(wěn)旋蓋，滿足設(shè)計(jì)需求。以Visual Studio 2015為開發(fā)平臺(tái)，基于C#編程語言進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)人機(jī)交互界面，如圖10所示。

圖9 小型灌封裝平臺(tái)實(shí)物圖

圖10 灌封裝人機(jī)交互界面

5 結(jié)論

基于PLC控制的小型自動(dòng)灌裝平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集多種功能于一體，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、簡潔，具有小型化和低成本的特點(diǎn)。采用了PLC控制，使得整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)自動(dòng)化，其中通過實(shí)時(shí)稱重通信實(shí)現(xiàn)精確灌裝，伺服電機(jī)進(jìn)行扭矩反饋，解決了傳統(tǒng)工藝的灌裝不精確、旋蓋扭矩不均的問題。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了某白酒瓶的灌裝、旋蓋、噴碼和檢測(cè)工序全自動(dòng)，其中灌裝誤差小于0.3%，效率達(dá)到600～800瓶/h，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。