多膜智能包裝機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

臧克友

摘要：目前我國經(jīng)濟(jì)水平和科技水平發(fā)展十分快速，由于電商市場規(guī)模的擴(kuò)大，服裝行業(yè)的銷量也在穩(wěn)步提升。隨規(guī)模擴(kuò)大而來的問題，是包裝方面的效率不足。目前市場的主要打包方式還是嚴(yán)重依賴人工，存在著以效率低下為代表的諸多問題。針對這一系列問題，設(shè)計一款高度自動化的智能包裝機(jī)就顯得尤為重要。本文以實(shí)現(xiàn)多材料、多尺寸兼容為目標(biāo)，對多膜包裝機(jī)進(jìn)行拆解闡述。該多膜包裝機(jī)的設(shè)計，符合包裝行業(yè)智能化、自動化的發(fā)展趨勢，為提高包裝效率提供了一種可行方案，對包裝生產(chǎn)自動化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：多膜;智能包裝機(jī);設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著包裝機(jī)市場的迅速發(fā)展，為了提高包裝機(jī)工作的智能化，本文針對 多膜智能包裝機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以 PLC 為基礎(chǔ)搭建了相關(guān)工作的控制系統(tǒng)，針對主電機(jī)三相異步電動機(jī)、直流放卷電動機(jī)、東元伺服電機(jī)和氣缸等工作時，對泡罩包裝機(jī) 多膜智能包裝機(jī)中的 PVC 供給和成型階段有關(guān)控制系統(tǒng)做了設(shè)計研究，實(shí)現(xiàn)對包裝機(jī)械工作平臺自動化控制系統(tǒng)的智能包裝設(shè)計，完成包裝機(jī)工作的命令傳輸以及在集成處理器中進(jìn)行包裝機(jī)工作時的智能化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，明顯的提高了包裝機(jī)工作的智能化。

1多膜包裝機(jī)的主體架構(gòu)

多膜包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由物體輸送機(jī)構(gòu)、熱封切機(jī)構(gòu)和膜卷供應(yīng)機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。物體輸送機(jī)構(gòu)的功能是移動被包裝物至包裝處;熱封切機(jī)構(gòu)的功能是切斷包裝膜，完成封裝;膜卷供應(yīng)機(jī)構(gòu)的功能是分開和供應(yīng)包裝膜。物體輸送機(jī)構(gòu)是由控制電路、輸送帶、步進(jìn)電機(jī)及其電機(jī)驅(qū)動組成。其中控制電路由電機(jī)控制電路和物體檢測電路組成，當(dāng)光電傳感器檢測到輸送帶上有服裝，開啟輸送帶，將服裝和包裝薄膜一同輸送至熱封切機(jī)構(gòu)。熱封切機(jī)構(gòu)是由刀具支架、L 型熱封切刀、Max31865模塊、PT100 鉑電阻、步進(jìn)電機(jī)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成。熱封和切袋都是由熱封切刀的機(jī)械運(yùn)動完成的。L 型熱封切刀由鎳鉻合金電阻絲做成，安裝在刀具支架上，步進(jìn)電機(jī)通過曲柄遙感機(jī)構(gòu)控制刀具支架上下運(yùn)動。L 型熱封切刀、12V 恒壓電源和大功率 MOS 管串聯(lián)在一起，電流通過時，電阻絲持續(xù)加熱，PT100 鉑電阻緊貼電阻絲，Max31865 不斷檢測鉑電阻阻值并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的薄膜熱封切分溫度時，單片機(jī)控制熱封切刀相連的步進(jìn)電機(jī)動作，完成對薄膜的熱封切分動作。當(dāng)熱封切刀溫度超過工作溫度時，斷開恒電壓源，從而達(dá)到降低熱封切刀溫度的目的;而機(jī)器停止工作時，則采用自然冷卻。

2加熱系統(tǒng)

多膜智能包裝機(jī)熱封橫切機(jī)構(gòu)主要形式為回轉(zhuǎn)加熱切割式，主要由旋轉(zhuǎn)軸、橫切刀和加熱電極等機(jī)構(gòu)組成。橫封切刀內(nèi)部嵌入一部分電阻絲，通過對電阻絲進(jìn)行加熱的方式實(shí)現(xiàn)切刀加熱。包裝機(jī)熱封橫切系統(tǒng)應(yīng)與熱封性能相適應(yīng)，如果熱封溫度過高會導(dǎo)致食品包裝袋體出現(xiàn)燒結(jié)、起泡，如果溫度過低會導(dǎo)致封口不牢固出現(xiàn)包裝不嚴(yán)實(shí)，使得食品出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此對熱封溫度進(jìn)行精確控制對于包裝食品質(zhì)量至關(guān)重要。此部分程序的作用是在包裝機(jī)啟動后，實(shí)現(xiàn)對電阻絲溫度的恒溫控制。由于電阻絲需要實(shí)時精確控制溫度，所以單獨(dú)采用單片機(jī)進(jìn)行控制。電阻絲隨溫度變化阻值發(fā)生變化，Max31865 模塊對其阻值進(jìn)行測量與 A/D 轉(zhuǎn)換，并通過 SPI通訊方式，將數(shù)字信號傳遞給單片機(jī) B。單片機(jī)通過讀取的數(shù)字信號，通過計算，調(diào)整繼電器的斷開和閉合時間，另外將數(shù)字信號通過 SPI 通訊方式傳給 OLED 屏幕，屏幕將目前檢測到的溫度、設(shè)定溫度等信息顯示在屏幕上。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

人機(jī)界面用來設(shè)備安裝調(diào)試，手動自動模式操作和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行，PLC是控制系統(tǒng)的核心，接受旋轉(zhuǎn)編碼器、光電開關(guān)和傳感器的反饋信息，按照程序流程控制各個控制對象;控制對象有主電機(jī)、PVC 放卷電機(jī)、夾持步進(jìn)電機(jī)、藥粒填充電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、加熱板氣缸、成型氣囊、夾持氣缸、熱封氣缸、加熱板加熱、打字字頭加熱、熱封輥加熱，主電機(jī)是三相異步電機(jī)，夾持步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是伺服電機(jī)，藥粒填充電機(jī)是直流電機(jī)。旋轉(zhuǎn)編碼器的角度信息來控制各個電機(jī)和氣缸啟停和動作，熱電偶溫度反饋，光電開關(guān)反饋 PVC 是否有余量，從而控制放卷電機(jī)。伺服電機(jī)選用東元伺服電機(jī) JSMA-LC08AB，額定功率 750 W，最大轉(zhuǎn)速 3 000 r/min，相應(yīng)的伺服驅(qū)動器選用與之搭配的 JSDA-20 驅(qū)動器形式，伺服驅(qū)動器采用單一外部脈波命令位置操作模式，即驅(qū)動器為位置回路，進(jìn)行定位控制，外部脈波命令輸入模式是接收上位控制器輸出的脈波命令來達(dá)成定位功能。位置命令由 CN1 端子輸入;內(nèi)置 PID功能，可以根據(jù)調(diào)節(jié)模式自整定 PID 參數(shù)。除此之外還需要 2 個繼電器模組，1 個電源濾波器，2個 2 000 Ω 的電阻。

4高速信號的處理方式

絕對式編碼器選用德國 Hohner10 線制，分辨率為，即編碼器每轉(zhuǎn)一圈共有1024個脈沖計數(shù)。絕對值編碼器之所以能實(shí)現(xiàn)斷電保持位置是由于采用了格雷碼的編碼方式，每個位置對應(yīng)唯一的格雷碼，通過算法將二進(jìn)制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼，（1）保留格雷碼的最高位作為自然二進(jìn)制碼的最高位，而次高位自然二進(jìn)制碼為高位自然二進(jìn)制碼與次高位格雷碼相異或（2）而自然二進(jìn)制碼的其余各位與次高位自然二進(jìn)制碼的求法相類似。這樣讀取的MW1010中的二進(jìn)制即為0-1023任意脈沖值（絕對值編碼器的十根信號線接 PLC的 I0.0-I1.1 十個點(diǎn)）。通過公式將 0-1023 脈沖數(shù)映射到 0～309。

5機(jī)械運(yùn)動、檢測系統(tǒng)軟件流程

機(jī)械運(yùn)動、檢測控制系統(tǒng)是通過單片機(jī) A、步進(jìn)電機(jī)、光電傳感器相互配合，實(shí)現(xiàn)對服裝的包裝。程序工作流程：人工將待包裝的服裝放在輸送帶 1 上，當(dāng)光電傳感器 1 檢測到有物體時，單片機(jī)通過輸出PWM?控制物體傳送機(jī)構(gòu)和薄膜供應(yīng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)配合運(yùn)動，將待包裝服裝運(yùn)往已經(jīng)打開的對折膜中。光電傳感器 2 檢測到服裝和薄膜到達(dá)設(shè)定的合適的熱切封位置后，物體傳送機(jī)構(gòu)和薄膜供應(yīng)機(jī)構(gòu)停止工作。同時，單片機(jī) A 輸出 PWM 控制電機(jī) 3 正轉(zhuǎn)，帶動 L 型熱封切刀下落，完成對服裝的熱封和切袋。熱切封完成后，單片機(jī) A 輸出 PWM 控制電機(jī) 4 反轉(zhuǎn)，抬起熱封切刀，并輸出PWM 控制物體傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)動，將成品運(yùn)走。當(dāng)傳感器 3 檢測到物體后，記件數(shù)加 1。完成整個包裝流程。

6系統(tǒng)運(yùn)行分析

對包裝機(jī)工作時控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，以 多膜智能包裝機(jī)泡罩包裝工作時的信息為樣本數(shù)據(jù)，該控制系統(tǒng)設(shè)計在進(jìn)行泡罩包裝機(jī)包裝工作時趨于穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間短，輸出最優(yōu)控制，響應(yīng)時間較快，使得控制精度得到提高，即相對于復(fù)雜、時變性的控制系統(tǒng)，該控制具有更加有效的控制效果，可以穩(wěn)定有效地進(jìn)行工作輸出。

結(jié)語

包裝機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件上的分析。新型控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性更高，且人機(jī)界面更加友好，維修方便，進(jìn)一步提高了包裝機(jī)的有效作業(yè)率。隨著人們生活水平的提高，對于服裝的需求量日益增大。在龐大的服裝數(shù)量和種類以及中小型企業(yè)較弱承擔(dān)能力面前，只有自適應(yīng)包裝物規(guī)格的多膜包裝機(jī)才能滿足這樣的需求。

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