基于PLC的包裝袋機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)代的發(fā)展，包裝機(jī)械在包裝領(lǐng)域中正起著越來(lái)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(dòng)化水平分為半自動(dòng)機(jī)和全自動(dòng)機(jī)等。包裝袋的折邊折角作業(yè)是包裝過(guò)程中的一個(gè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，工人的工作環(huán)境差，工作枯燥，生產(chǎn)積極性不高?；诖?，本文對(duì)包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該機(jī)械手采用氣動(dòng)方式提供動(dòng)力，通過(guò) PLC對(duì)機(jī)械手［4－10］進(jìn)行控制，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)包裝袋折邊和折角2道工序，并可以和自動(dòng)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(duì)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(dòng)流水傳送帶傳輸?shù)脚抨?duì)調(diào)整位置，折邊折角完成后自動(dòng)運(yùn)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(guò)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(gè)180°擺動(dòng)氣缸、上折邊齒耙、下折邊齒耙、90°擺動(dòng)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(kāi)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(gè)180°擺動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)包裝袋上下兩邊的折邊工序，90°擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)包裝袋的折角工序。

折角定位部分主要由橫向移動(dòng)氣缸、縱向移動(dòng)氣缸和折角定位機(jī)構(gòu)組成。在橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸的雙重推動(dòng)下，折角定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橫向和縱向移動(dòng)。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(dòng)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(guò)程

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

2)袋子下面的真空吸盤保持不動(dòng)，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(kāi)動(dòng)作。

3)利用2個(gè)180°擺動(dòng)氣缸分別旋轉(zhuǎn)上下2個(gè)折邊齒耙，當(dāng)2個(gè)齒耙都旋轉(zhuǎn)180°時(shí)完成折邊工序。

4)利用橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸推動(dòng)折角定位機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上面實(shí)現(xiàn)橫向和縱向運(yùn)動(dòng)，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(dòng)氣缸轉(zhuǎn)出，計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)折角定位機(jī)構(gòu)退出包裝袋。

7)2個(gè)180°擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)上折邊齒耙和下折邊齒耙同時(shí)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(dòng)力下移，流水線運(yùn)走包裝袋至縫紉工位后上移至原位置復(fù)位，與此同時(shí)機(jī)構(gòu)開(kāi)始下一次循環(huán)。

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

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(kāi)關(guān)。經(jīng)過(guò)計(jì)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(dòng)控制原理圖的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理的分析，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制系統(tǒng)。該機(jī)械手氣動(dòng)控制原理如圖3所示。氣動(dòng)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(duì)空氣源進(jìn)行處理，使處理后的空氣能夠被該氣動(dòng)控制系統(tǒng)使用。折邊折角模塊共包括4個(gè)伸縮氣缸和3個(gè)擺動(dòng)氣缸，其中上吸盤氣缸(101)和下齒耙氣缸(111)實(shí)現(xiàn)上、下伸縮運(yùn)動(dòng);縱向移動(dòng)氣缸(202)實(shí)現(xiàn)縱向方向的伸縮運(yùn)動(dòng);橫向移動(dòng)氣缸(201)實(shí)現(xiàn)橫向的伸縮運(yùn)動(dòng);2個(gè)180°擺動(dòng)氣缸(102和109)通過(guò)同一個(gè)電磁閥進(jìn)行180°同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)包裝袋的上、下2個(gè)折邊動(dòng)作同步進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)折邊工序;90°擺動(dòng)氣缸(104)進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裝袋的折角工序。這些氣缸的換向通過(guò)兩位五通電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了保證氣缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，每個(gè)氣缸回路均連接了單向調(diào)速閥。為了降低氣動(dòng)控制系統(tǒng)的噪音，6個(gè)兩位五通電磁閥連接了消音器，并通過(guò)一個(gè)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(jì)，通過(guò)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(kāi)包裝袋。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(jì)方案。系統(tǒng)采用 PLC進(jìn)行控制，需要同時(shí)進(jìn)行上吸盤氣缸控制、下齒耙氣缸控制、2個(gè)180°擺動(dòng)氣缸控制、真空發(fā)生器控制、90°擺動(dòng)氣缸控制、縱向移動(dòng)氣缸控制以及橫向移動(dòng)氣缸的控制。為了保證包裝袋上折邊和下折邊同時(shí)進(jìn)行，即上折邊齒耙和下折邊齒耙能夠同步旋轉(zhuǎn)，2個(gè)180°擺動(dòng)氣缸通過(guò)同一個(gè)兩位五通電磁閥進(jìn)行控制。同時(shí)，為了方便操作人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jiǎn)單、直觀。

圖3 包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手氣動(dòng)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(dòng)模式和單周期模式。在全自動(dòng)模式下，機(jī)械手的每個(gè)動(dòng)作執(zhí)行完后，下一個(gè)動(dòng)作自動(dòng)執(zhí)行，通過(guò)與自動(dòng)化流水生產(chǎn)線的配合，不停地進(jìn)行一個(gè)又一個(gè)的包裝袋折邊折角動(dòng)作。在單周期模式下，當(dāng)一個(gè)包裝袋折邊折角完成后，機(jī)械手自動(dòng)停止。在這種模式下，如果需要進(jìn)行下一個(gè)包裝袋的折邊折角，需要重新按下啟動(dòng)按鈕。此外，設(shè)備設(shè)置了回原點(diǎn)復(fù)位按鈕，當(dāng)有特殊情況發(fā)生導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，可以通過(guò)回原點(diǎn)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(jì)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(diǎn)數(shù)，同時(shí)為了方便PLC的外部接線及程序設(shè)計(jì)，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(jì)

根據(jù)PLC的I/O地址分配表，設(shè)計(jì)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(gè)工作過(guò)程:下齒耙氣缸的控制、氣缸打開(kāi)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(shí)現(xiàn)的動(dòng)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(yùn)行性，在編程時(shí)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(shí)右線圈不能同時(shí)得電，橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸控制的折角定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在沒(méi)有退出的時(shí)候，上吸盤氣缸不能伸出等。另外，如當(dāng)按下停止按鈕的時(shí)候可馬上停止動(dòng)作，按下回原點(diǎn)復(fù)位按鈕的時(shí)候可立即使各氣缸回原點(diǎn)復(fù)位。氣動(dòng)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(chǎng)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(dòng)機(jī)械手梯形圖程序(部分)

圖8 氣動(dòng)機(jī)械手調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn):機(jī)械手操作靈活，折邊折角效率更高，減少了勞動(dòng)力;對(duì)操作工人技術(shù)水平要求不高;經(jīng)過(guò)對(duì)包裝袋折邊折角作業(yè)機(jī)械手進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(jì)14.5個(gè)/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(jìng)爭(zhēng)力，有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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