基于PLC 控制的片料型自動(dòng)打包系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王莞媞

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京）

目前，針對(duì)粉體物料和塊粒狀物料都有成熟的自動(dòng)打包體系，而片料產(chǎn)品由于脆性較高，質(zhì)地不均勻等問題，針對(duì)其設(shè)計(jì)的自動(dòng)打包系統(tǒng)少有研究涉及，因此硫磺片等片料包裝成袋仍以手工線和半自動(dòng)線為主要形式[1]。但由于人工作業(yè)速度和精力的有限性，生產(chǎn)過程中經(jīng)常伴隨著工序交叉，多次補(bǔ)償?shù)仁д`，造成打包質(zhì)量參差不齊，效率低下等問題。為節(jié)約人力資源，增加企業(yè)效益，符合綠色制造的發(fā)展導(dǎo)向，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)硫磺等片型物料的自動(dòng)打包系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給袋、開袋、填充物料、稱重并除塵、封口并整形輸出等功能，并采用柔性螺旋下料的方式以保護(hù)脆性物料的完整性，對(duì)提升企業(yè)生產(chǎn)效率，打造綠色工作環(huán)境具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體根據(jù)片料型產(chǎn)品的實(shí)際包裝生產(chǎn)作業(yè)步驟設(shè)計(jì)初步包裝方案，綜合ECRS 原則結(jié)合片料產(chǎn)品的物化特性進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化包裝系統(tǒng)。根據(jù)功能的不同將整個(gè)系統(tǒng)劃分為不同單元并對(duì)應(yīng)設(shè)置六個(gè)工位，如圖1 所示。其中，供袋單元負(fù)責(zé)包裝袋的吸取分離；開袋單元負(fù)責(zé)張開包裝袋；送料單元負(fù)責(zé)物料的填充、稱重和除塵。為使物料均勻輸送，保護(hù)物料的同時(shí)減少料口堵塞現(xiàn)象，設(shè)置粗裝和精裝兩個(gè)工位進(jìn)行充料。封裝單元負(fù)責(zé)包裝袋的密封和整形輸出，設(shè)置預(yù)處理工位對(duì)包裝袋進(jìn)行排氣并暫時(shí)性密封，隨后在封袋工位處進(jìn)行縫口處理，最后整形落袋輸出。根據(jù)六個(gè)工位所處位置和角度，分別對(duì)應(yīng)設(shè)置六個(gè)繞主軸旋轉(zhuǎn)的的袋架。主軸設(shè)計(jì)為鑿有減重孔的回轉(zhuǎn)一體式單軸，節(jié)約了直線式生產(chǎn)中的中轉(zhuǎn)時(shí)間和占地空間[2]。整個(gè)系統(tǒng)主要基于靈活度高，可靠性強(qiáng)的PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)利用傳感器和伺服電機(jī)完成信號(hào)的輸入轉(zhuǎn)化和機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。

圖1 多工位回轉(zhuǎn)式片料自動(dòng)打包系統(tǒng)

2 關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

2.1 供袋單元

系統(tǒng)在供袋工位設(shè)計(jì)可調(diào)式供袋倉，主要由臥式供袋平臺(tái)、導(dǎo)桿、氣缸、吸盤和多關(guān)節(jié)機(jī)械臂組成。工作原理是在臥式供袋平臺(tái)上水平預(yù)置包裝袋，由底部推桿上頂實(shí)現(xiàn)預(yù)制包裝袋的更新和傳送，以此最大限度地節(jié)約儲(chǔ)袋空間[3]。多關(guān)節(jié)機(jī)械臂設(shè)計(jì)為自由度為三的直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械臂的伸縮，旋轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，從臥式供袋平臺(tái)上精準(zhǔn)提取包裝袋，對(duì)接完成后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度再傳送至開袋機(jī)構(gòu)。

2.2 開袋單元

系統(tǒng)在開袋工位采用多吸盤夾板和撐桿張袋裝置雙重保障開袋。選用對(duì)不同材質(zhì)的包裝袋吸附能力均較強(qiáng)的波紋性吸盤并排組裝成吸盤夾板[4]。當(dāng)包裝袋傳入開袋工位，吸盤夾板基于真空吸附的原理打開包裝袋，并通過在送料單元和開袋單元之間循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的開袋撐桿插入包裝袋兩側(cè)，保持袋口的張開工況。

2.3 送料單元

送料單元是整個(gè)包裝系統(tǒng)中的核心單元。為節(jié)約空間，減少運(yùn)輸中轉(zhuǎn)工序，提高包裝效率，設(shè)計(jì)合并送料，除塵，稱重功能的一體式給料機(jī)構(gòu)。考慮到片料型產(chǎn)品的易碎性，傳統(tǒng)的振動(dòng)送料和螺桿送料不再適用，故將螺旋運(yùn)輸和傳送帶運(yùn)輸?shù)幕驹硐嘟Y(jié)合，采用帶面較寬的螺旋帶垂直下料，如圖2 所示，可降低傳統(tǒng)管道輸送法因重力擠壓造成片料破碎的風(fēng)險(xiǎn)。下料時(shí)隨著螺旋葉片不斷推進(jìn)物料，若直接利用變頻器驅(qū)動(dòng)伺頻電機(jī)降低出料口的螺旋葉片轉(zhuǎn)速，會(huì)使不同段的物料密度不均，引起出料口堵塞或物料破碎等問題[5]。因此將送料單元拆分為粗裝和精裝兩個(gè)過程。當(dāng)充料達(dá)到80%之后，粗裝工位停止下料，包裝袋傳至精裝工位繼續(xù)喂料。這種連續(xù)快速下料和低速補(bǔ)償下料相結(jié)合的方式能夠提高讀取的精準(zhǔn)度，最后以傳感器作為PLC 的輸出信號(hào)，當(dāng)達(dá)到所預(yù)設(shè)的規(guī)定重量時(shí)，停止送料，通過運(yùn)輸帶傳送到封袋機(jī)構(gòu)。

圖2 柔性螺旋帶結(jié)構(gòu)

結(jié)合片型物料的物化特性，制定螺旋給料機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)方案[6]。

（1） 給料量：螺旋給料量是評(píng)估送料機(jī)構(gòu)性能的重要參數(shù)，與物料密度、填充率、螺距、葉片外徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)。給料量由經(jīng)驗(yàn)公式（1）結(jié)合實(shí)際需求確定。

式中：

Q-送料機(jī)構(gòu)的輸送量（t/h）；λ -傾斜輸送系數(shù)；D-螺旋外徑（m）；S-螺距（m）；n-螺旋轉(zhuǎn)速（r/min）；φ -填充系數(shù)；ε -物料的單位容積質(zhì)量（t/m3）。

（2） 填充系數(shù)：填充系數(shù)直接影響到物料的輸送效果和系統(tǒng)能量消耗。若填充系數(shù)過大，造成送料過程中物料滑移面陡峭，不僅給料的效率和精度都會(huì)受影響，而且能量損耗大。因此一般填充系數(shù)φ不宜超過0.5[7]。而對(duì)于片狀硫磺，根據(jù)對(duì)其質(zhì)量、磨琢性、流動(dòng)性的判定選取φ=0.25。

（3） 螺旋軸轉(zhuǎn)速：螺旋軸轉(zhuǎn)速過大會(huì)使物料受到離心力作用產(chǎn)生附加料流，從而阻礙物料的軸向移動(dòng)，因此轉(zhuǎn)速不宜過高，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸送物料的特性來確定。螺旋輸送的轉(zhuǎn)速由經(jīng)驗(yàn)公式（2）給出：

（4） 螺旋帶直徑

對(duì)于片料塊料的輸送采用帶式螺旋面，螺旋帶的直徑是影響輸送效率的重要因素。螺旋帶直徑可由公式（3）給出。

式中，K 為物料綜合特性系數(shù)，對(duì)于片狀硫磺，可取K=0.2。

片狀產(chǎn)品在切片下料過程中會(huì)產(chǎn)生粉體揚(yáng)塵現(xiàn)象，粉塵的不斷積累不僅危害人體健康，達(dá)到一定量級(jí)后甚至有發(fā)生粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此在出料口增設(shè)除塵罩配合自適應(yīng)式升降底盤凈化環(huán)境，具體的工作原理為：已張口的包裝袋裝載在承重底盤上，底盤隨著袋中片料高度的不斷上升而緩慢下降，同時(shí)通過除塵排氣裝置進(jìn)一步收集逃逸粉塵，減少粉塵外逸的同時(shí)，也適當(dāng)縮小包裝袋的體積，方便運(yùn)輸[8]。

2.4 封裝單元

封裝單元主要完成排氣、封包和落袋輸送工藝。在預(yù)封裝工位上對(duì)袋口進(jìn)行排氣處理，使袋口暫時(shí)性處于封合狀態(tài)，再運(yùn)往封袋工位進(jìn)行。由于大體量包裝所用編織袋不宜使用封口強(qiáng)度較小的熱縮封口，因此采用縫包工藝進(jìn)行封袋。

3 PLC 程序設(shè)計(jì)

3.1 供袋、開袋單元程序設(shè)計(jì)

供袋單元主要用于提取臥式供袋平臺(tái)上預(yù)置的包裝袋送入開袋單元。正常運(yùn)行時(shí)，附有吸盤的導(dǎo)桿氣缸從平臺(tái)上吸取分離出單個(gè)預(yù)置包裝袋，隨后通過PLC 控制多關(guān)節(jié)機(jī)械臂精準(zhǔn)夾取包裝袋，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，伸縮使包裝袋傳入對(duì)應(yīng)的供袋袋架，移至開袋工位，導(dǎo)桿氣缸下移準(zhǔn)備吸取下一個(gè)包裝袋。開袋單元結(jié)合吸盤吸附和撐桿插袋的方式保證順利開袋。首先，多個(gè)波紋型吸盤組成的吸板在距袋口10 cm 處橫向拉開包裝袋，其次，由回轉(zhuǎn)式單軸頂部齒輪上傳動(dòng)桿控制的張袋撐桿對(duì)準(zhǔn)袋口兩側(cè)插入，使包裝袋保持張開工況再移向下一工位，充料完成后，傳動(dòng)桿控制撐桿轉(zhuǎn)回開袋工位預(yù)備開袋。整個(gè)供袋、開袋流程程序圖如圖3 所示。

圖3 供袋、開袋流程程序圖

3.2 送料單元程序設(shè)計(jì)

送料單元主要用于完成物料的充填、稱重和出料口的除塵。首先進(jìn)行粗裝充填任務(wù)，承重底盤裝設(shè)壓電式傳感器，以承載重量作為輸入信號(hào)反饋至傳感器，使底盤隨著袋內(nèi)物料高度的上升而緩慢下降。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)重量的80%時(shí)，張袋撐桿回轉(zhuǎn)，而包裝袋移向精裝工位完成余下部分的慢速充填，流程程序圖如圖4 所示。

圖4 送料流程程序圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)片料本身含脆性、質(zhì)地不均勻、易產(chǎn)生粉塵污染等問題，設(shè)計(jì)了一種基于柔性螺旋下料的綠色化自動(dòng)打包系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以回轉(zhuǎn)一體式單軸作為主軸聯(lián)接六個(gè)袋架對(duì)應(yīng)六個(gè)加工工位，螺旋帶的設(shè)計(jì)最大限度的保證了輸送時(shí)片料的完整性，承重底盤配合袋內(nèi)物料高度下降有效減少粉體揚(yáng)塵現(xiàn)象。通過發(fā)展成熟的PLC 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)供袋、充料稱重、除塵排氣、封裝落袋等功能，包裝效率和質(zhì)量均顯著提高，同時(shí)有利于保護(hù)工作環(huán)境，為現(xiàn)階段片料包裝過程中自動(dòng)化不足，包裝線魯棒性較低等問題提供了切實(shí)可行的解決方案。