雷斌 鄭洪波 李明俊 余正泓

摘要：針對(duì)包裝行業(yè)待包裝紙盒人工送料開蓋過程中存在人工成本高、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，對(duì)工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)布局進(jìn)行分析，研究了一套可以自動(dòng)送料、自動(dòng)拆蓋的自動(dòng)送料拆蓋裝置。運(yùn)用Soildworks建立設(shè)備的三維模型，主要包括送料和拆盒兩部分組成;電氣控制采用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)的框架，確立了控制系統(tǒng)的硬件組成，基于三菱GXworks軟件編寫了該裝置自動(dòng)送料、自動(dòng)拆蓋的程序，完成了人機(jī)界面的組態(tài)。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)合理、功能完善、性能穩(wěn)定，提高了操作的便捷性與生產(chǎn)的安全性，生產(chǎn)效率得到了提高，降低了工人重復(fù)勞動(dòng)的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)送料機(jī);控制系統(tǒng);可編程邏輯控制器;人機(jī)界面

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0161-05

Design of a Carton Automatic Aeeding and Removing Device

Lei Bin ，Zheng Hongbo，Li Mingjun，Yu Zhenghong

（School of Robotics， Guangdong Vocational College of Science and Technology， Zhuhai， Guangdong 519090， China）

Abstract： In view of the problems of high labor cost， low work efficiency， and high labor intensity in the manual feeding and opening process ofthe packaging carton to be packed in the packaging industry， a set of automatic feeding and automatic feeding and removing cover device forremoving cover was studied. The three-dimensional model of the equipment was established by using Soildworks， which mainly consists offeeding and unpacking. Programmable logic controller （PLC） was adopted as the electrical control system， the framework of the control systemwas designed， and the hardware composition of the control system was established. Based on Mitsubishi gxworks software， the program ofautomatic feeding and automatic cover removal of the device was compiled， and the configuration of man-machine interface was completed.The results show that the designed device has reasonable structure， perfect function and stable performance， improves the convenience ofoperation and production safety and the production efficiency， reduces the intensity of repeated labor.

Key words： automatic feeder; control system; programmable logic controller; man-machine interface

0 引言

近年來，隨著電子產(chǎn)品的包裝需求過旺，針對(duì)包裝行業(yè)待包裝紙盒人工送料、開蓋過程強(qiáng)度大，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)等問題。本文旨在設(shè)計(jì)一套低成本紙盒自動(dòng)送料拆盒裝置，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化送料拆盒的功能，將工人從繁重的包裝勞動(dòng)中解放出來，提高企業(yè)的工作效率[1]。

通過行業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，大多數(shù)包裝企業(yè)現(xiàn)狀均采用人工或多自由度工業(yè)機(jī)器人對(duì)紙盒進(jìn)行拆盒包裝。但上述2種方式均存在許多問題，如使用人工包裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，長(zhǎng)期考慮成本較高;如使用機(jī)器人，由于紙盒大小形態(tài)常變，生命周期有限，又會(huì)使設(shè)備使用無法持續(xù)，需經(jīng)常更換，不滿足企業(yè)要求。

通過分析工藝流程和行業(yè)現(xiàn)狀可知，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)包裝行業(yè)送料拆蓋環(huán)節(jié)的低成本設(shè)計(jì)尚屬空白，包裝需求又日益增加，現(xiàn)有使用方案成本均比較高。因此，對(duì)于紙盒拆蓋工序，研究一套低成本送料拆蓋裝置十分有必要[2]。本文所研究方案期望解決生產(chǎn)過程中人力包裝強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)、成本高等痛點(diǎn)，使用低成本自動(dòng)化設(shè)備代替人工，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化送料拆盒的功能。本裝置的研究實(shí)現(xiàn)對(duì)于大幅節(jié)省企業(yè)成本、提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化能夠起到較大的實(shí)際意義與作用。

1 送料拆盒工藝分析

數(shù)碼產(chǎn)品的包裝盒基本以長(zhǎng)寬不等的長(zhǎng)方形天地蓋形式紙盒為主，紙盒式樣如圖1所示。

包裝行業(yè)原始紙盒來料為完整紙盒，工藝過程是首先由人工上料，再逐一拆盒為上下蓋兩部分，最后人工卸料，將拆盒完畢的上下蓋運(yùn)送至下個(gè)工位以滿足后續(xù)工藝要求，如此循環(huán)。工藝流程如圖2所示。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能

自動(dòng)送料拆盒機(jī)的整體結(jié)構(gòu)由送料和拆盒兩部分組

成，送料部分機(jī)械結(jié)構(gòu)由加料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)組成，拆盒部分機(jī)械結(jié)構(gòu)由拆盒平臺(tái)、開盒機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)組成及工位正視圖如圖3所示。

2.2 送料模塊設(shè)計(jì)

送料模塊由加料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)組成，具體如圖4所示。

加料機(jī)構(gòu)：由升降和水平兩部分組成，利用氣缸驅(qū)動(dòng)，使機(jī)構(gòu)末端的加料擋板沿滑軌升降或水平運(yùn)動(dòng)，完成加料動(dòng)作。

推料機(jī)構(gòu)：由推料氣缸結(jié)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)末端的推料擋板在完成一次加料后，推料擋板動(dòng)作，將紙盒推至送料工位。

送料機(jī)構(gòu)：由送料氣缸結(jié)構(gòu)組成，推料機(jī)構(gòu)在完成一次推料后，送料擋板將待拆紙盒往前推送至開盒平臺(tái)，完成一次送料工序。

2.3 拆盒模塊設(shè)計(jì)

拆盒模塊分別由拆盒平臺(tái)、開盒機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成，主要機(jī)構(gòu)如圖5所示。

拆盒平臺(tái)：由可調(diào)擋板和物料檢測(cè)裝置組成，當(dāng)送料部分完成一次投料并物料檢測(cè)到紙盒后通知開盒機(jī)構(gòu)開始工作。

開盒機(jī)構(gòu)：由兩個(gè)水平開盒氣缸組成，當(dāng)收到拆盒信號(hào)后，利用氣缸驅(qū)動(dòng)，使機(jī)構(gòu)末端的拆盒吸盤沿滑軌水平合攏，夾緊待拆紙盒，后打開真空回路，吸緊紙盒，水平遠(yuǎn)離回到初始位置，完成一次拆盒動(dòng)作。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：由兩對(duì)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)組成，末端結(jié)構(gòu)由吸盤面板與吸盤組成，吸盤固定在吸盤面板的4個(gè)邊角上。當(dāng)完成拆盒動(dòng)作后，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，來控制末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)將上下蓋同時(shí)旋轉(zhuǎn)至水平位置，準(zhǔn)備垂直投放至相應(yīng)載板運(yùn)輸至下一工位。

3 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物料夾取方式的選定

根據(jù)紙盒材質(zhì)及拆盒工藝流程分析，本裝置拆盒部分末端執(zhí)行器采用氣吸附方式取料，與夾鉗式等其他方式相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)[3]：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕;吸附力分布均勻、穩(wěn)定，對(duì)物體表面損害極小;廣泛應(yīng)用于非金屬材料，對(duì)于片狀物體的搬運(yùn)更具有優(yōu)越性。

3.2 氣路功能需求分析

氣吸附式末端執(zhí)行器需配備完整的氣路系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)真空吸附的功能，氣路系統(tǒng)一般由真空吸盤、氣體控制元件、吸附氣路等組成。在真空氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中需要考慮如下功能需求。

（1） 需配備氣體干燥過濾元件，其作用是負(fù)責(zé)對(duì)氣路氣體進(jìn)行干燥過濾，減少雜質(zhì)和水分，保證氣路系統(tǒng)環(huán)境的干燥、純凈，提高吸附精度和吸附力的穩(wěn)定性。

（2） 需配備型號(hào)合適的減壓閥，用于穩(wěn)定氣體壓力，減少氣壓波動(dòng)所產(chǎn)生的干擾，以此提高氣路輸出氣壓的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 氣路方案設(shè)計(jì)

通過氣路功能需求分析可知，紙盒的吸附與釋放是氣路系統(tǒng)的主要工作狀態(tài)，紙盒吸附完成后需正壓氣體以解除負(fù)壓狀態(tài)來釋放紙盒，吸附與釋放兩種狀態(tài)的切換過真空電磁閥控制實(shí)現(xiàn);由于在工作中，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部真空狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整壓強(qiáng)，因此需配置真空監(jiān)測(cè)器裝置[4]。

根據(jù)上述功能需求，以此確定真空氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖6所示。圖中，氣源由真空鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，真空氣體經(jīng)干燥、過濾、減壓后儲(chǔ)存在氣罐中，為氣體回路提供可靠的真空度。工作時(shí)，打開電磁閥，吸盤上的吸嘴內(nèi)產(chǎn)生真空負(fù)壓，形成吸力完成紙盒吸附，當(dāng)紙盒到達(dá)目標(biāo)位置后，PLC發(fā)出指令控制關(guān)閉電磁閥，真空負(fù)壓消失，紙盒釋放，完成拆蓋動(dòng)作。

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 工作原理

送料拆盒的工藝流程如圖7所示，更換不同型號(hào)的紙盒后，手動(dòng)調(diào)整開盒平臺(tái)和送料平臺(tái)尺寸，定位紙盒位置，并進(jìn)行相應(yīng)部位的調(diào)試，送料拆盒機(jī)啟動(dòng)后，紙盒由人工送料，10個(gè)一組放置加料倉(cāng)位，而后由加料機(jī)構(gòu)和推料機(jī)構(gòu)配合將其送至送料倉(cāng)位，最后由送料機(jī)構(gòu)送至開盒平臺(tái)，紙盒到達(dá)指定位置后，開盒機(jī)構(gòu)水平夾緊紙盒，開啟真空回路，兩個(gè)吸盤吸取上下紙盒蓋，而后開盒氣缸回到初始位置，上下紙盒蓋由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至水平位置，檢測(cè)載板到位后，完成上下蓋投料，從而完成整個(gè)自動(dòng)送料拆盒流程。

4.2 控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過分析紙盒包裝的拆盒工藝來控制各個(gè)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，控制原理如圖8所示。控制系統(tǒng)主要包括紙盒補(bǔ)充、紙盒輸送、紙盒拆盒等。通過上述功能需求分析可知，本裝置主要由 PLC 、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、復(fù)位按鈕、啟動(dòng)按鈕、急停按鈕、光電開關(guān)、接近傳感器、氣缸、蜂鳴器等部分組成。

4.3 系統(tǒng)控制要求

為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有如下控制要求。

（1） 異常報(bào)警：在設(shè)備運(yùn)行過程中，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若監(jiān)測(cè)到料倉(cāng)缺料、紙盒定位錯(cuò)誤、紙盒中途掉落等異常，蜂鳴器亮紅燈報(bào)警，當(dāng)異常排除后，點(diǎn)擊觸摸屏復(fù)位按鈕即可使設(shè)備重新運(yùn)行。

（2） 急停處理：若設(shè)備出現(xiàn)異常報(bào)警，為保護(hù)人員及設(shè)備安全，需工人立即按下急停開關(guān)，緊急斷電使設(shè)備停止運(yùn)行，當(dāng)異常排除后，點(diǎn)擊觸摸屏復(fù)位按鈕使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)回歸原位，重新開始正常運(yùn)行。

（3） 復(fù)位處理：首先在系統(tǒng)正常運(yùn)行前進(jìn)行復(fù)位初始化工作，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)處于初始狀態(tài);其次在緊急情況處理完畢后，點(diǎn)擊復(fù)位按鍵完成復(fù)位初始化工作。

（4） 缺料預(yù)警：系統(tǒng)工作中，實(shí)時(shí)監(jiān)控紙盒料倉(cāng)的剩余數(shù)量，當(dāng)紙盒數(shù)量小于預(yù)警位后，設(shè)備通過指示燈及蜂鳴器發(fā)出警示，提醒補(bǔ)料。

4.4 硬件選型

通過分析整個(gè)設(shè)備工藝流程可知，本裝置工藝過程步驟復(fù)雜，完成整道工序需加料、推料、送料的動(dòng)作配合，又有拆盒、旋轉(zhuǎn)以及真空吸盤的動(dòng)作配合，同時(shí)還要求整個(gè)過程并行操作，加快拆盒速度，提高工作效率。

中央控制器的選型上，若采用單片機(jī) MCU控制，需設(shè)計(jì)復(fù)雜外部電路進(jìn)行配合，控制器的穩(wěn)定性及可靠性無法保證。在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)，除選用單片機(jī)作為控制器外，還可選擇 PLC作為主控，PLC全稱可編程邏輯控制器，PLC具有很強(qiáng)的順序控制、邏輯運(yùn)算、定時(shí)控制等指令，并可通過光電開關(guān)、機(jī)械開關(guān)等作為輸入信號(hào)，以氣缸、電機(jī)、電磁閥等作為輸出信號(hào)，進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程的控制[5]。因此，本系統(tǒng)控制器采用三菱公司生產(chǎn)的 FX3U-64MT系列 PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)拆盒過程的自動(dòng)化控制，通過對(duì)于工作過程需求分析，該系列共有64個(gè)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，完全滿足本設(shè)備需求。

4.5 控制系統(tǒng) I/O地址分配

通過分析自動(dòng)送料拆盒機(jī)的控制要求可知，本系統(tǒng)需配置15個(gè)輸出信號(hào)和26個(gè)輸人信號(hào)，輸入、輸出地址的分配如表1所示。

4.6 控制軟件編程

通過分析系統(tǒng)控制要求，本裝置控制軟件流程如圖9所示，PLC程序采用順控梯形圖進(jìn)行編程，根據(jù)系統(tǒng)控制流程所述步驟，當(dāng) PLC收到傳感器等輸入信號(hào)時(shí)，程序控制各個(gè)機(jī)構(gòu)按流程先后次序自動(dòng)依次進(jìn)行動(dòng)作。

本裝置 PLC軟件設(shè)計(jì)采用三菱的GXworks編程軟件，在分配好各個(gè)輸入/輸出地址后進(jìn)行 PLC程序編程[6]。根據(jù)產(chǎn)品工藝流程，在設(shè)計(jì)本裝置程序時(shí)，將主控程序分為送料和開盒兩部分進(jìn)行編程，程序設(shè)計(jì)需考慮紙盒送料、開盒各個(gè)動(dòng)作之間的配合。

根據(jù)系統(tǒng)要求，料倉(cāng)中的光電傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紙盒，當(dāng)未檢測(cè)到紙盒時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行缺料報(bào)警，而后人工根據(jù)提示進(jìn)行人工放料，按下入料就緒按鍵后，加料機(jī)構(gòu)往料倉(cāng)進(jìn)行補(bǔ)料，而后推料和送料機(jī)構(gòu)開始配合送料至開盒平臺(tái);當(dāng)開盒平臺(tái)光電傳感器檢測(cè)到紙盒后，兩個(gè)對(duì)稱的開盒氣缸動(dòng)作，吸盤吸取上下紙蓋后送達(dá)至指定位置放料，若未到達(dá)指定位置，當(dāng)吸盤上的光電傳感器檢測(cè)到中途紙盒掉落，則系統(tǒng)異常報(bào)警，各個(gè)輸出位均復(fù)位，等待人工處理完畢后重新開始工作。

5 中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 中控系統(tǒng)

本裝置中控系統(tǒng)配備1臺(tái) PC主機(jī)及顯示屏，中控系統(tǒng)采用 VB.NET 進(jìn)行軟件控制程序編寫，中控系統(tǒng)通過串口通信向 PLC電氣控制系統(tǒng)發(fā)送控制信息，如圖10所示;同時(shí)當(dāng)電氣控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的動(dòng)作或出現(xiàn)故障時(shí)，亦可通過指定的協(xié)議向中控系統(tǒng)反饋信息，實(shí)現(xiàn)全程控制與監(jiān)控[7]。

5.2 系統(tǒng)管理界面

中控系統(tǒng)作為整個(gè)裝置的樞紐[8]，主要負(fù)責(zé)控制與監(jiān)控裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，系統(tǒng)界面主要有3個(gè)部分組成。

（1） 工作界面：主要為設(shè)備的啟動(dòng)、停止、復(fù)位等操作控制界面，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備工作狀態(tài)下的產(chǎn)能、完成率等各類參數(shù)，具體界面如圖11所示。

（2） 故障監(jiān)控界面：主要負(fù)責(zé)記錄設(shè)備各類故障的發(fā)生情況，并對(duì)故障原因進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體界面如圖12所示。

（3） 參數(shù)配置界面：主要為設(shè)備研發(fā)人員設(shè)計(jì)開

放，在此界面研發(fā)工程師可以實(shí)現(xiàn)各類氣缸、電機(jī)等執(zhí)行器件的手動(dòng)操作，主要用于設(shè)備的日常維護(hù)、調(diào)試與升級(jí)，具體界面如圖13所示。

6 研究成果驗(yàn)證

6.1 設(shè)備運(yùn)行測(cè)試

通過對(duì)本裝置進(jìn)行大批量多輪實(shí)地測(cè)試，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖14所示。送料拆盒工序，滿足設(shè)計(jì)及工藝要求。如圖所示，本裝置在為期3輪的測(cè)試周期內(nèi)，總計(jì)拆盒個(gè)數(shù)12000，成功個(gè)數(shù)11812，拆盒成功率98.4%，且每輪成功率均維持在97%以上，實(shí)際數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的95%。

從上述測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，本裝置實(shí)際運(yùn)行可靠穩(wěn)定，能夠較好地完成送料拆盒工序，滿足設(shè)計(jì)及工藝要求。

6.2 改善效率評(píng)估

對(duì)比分析本裝置與原有人工操作的數(shù)據(jù)如圖15所示。通過圖中數(shù)據(jù)可知，使用自動(dòng)送料開蓋裝置代替人工操作后，從人力資源上看本裝置節(jié)省了2個(gè)人工，從工時(shí)上可知，本裝置成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化送料拆盒的功能，節(jié)省人工成本、有效地提高了工作效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著產(chǎn)品紙盒包裝的需求日益增大，利用自動(dòng)控制技術(shù)改造傳統(tǒng)手工包裝行業(yè)，對(duì)提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化及企業(yè)的生產(chǎn)效率是一種有效的方法。本裝置針對(duì)包裝行業(yè)紙盒人工送料開蓋過程中人工成本高、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等一系列問題進(jìn)行工藝整合優(yōu)化，本文利用 PLC 、觸摸屏等技術(shù)設(shè)計(jì)出自動(dòng)送料開蓋裝置，實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，新設(shè)備性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)捷，大大提高了生產(chǎn)效率，所有指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)備及工藝要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李本紅.基于 PLC和觸摸屏食品包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（1）：9-12.

[2]錢振華，王榮揚(yáng)，左希慶.基于 HMI 和 PLC的食品包裝箱碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械，2016，32（10）：105-107.

[3]俞霞，郭瓊，謝彬彬，等.基于信捷 PLC的稱重包裝機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)，2020（24）：3-6.

[4]耿延龍，徐世許， 張鸚琦.基于 PLC的包裝防錯(cuò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2019（3）：73-76.

[5]林蒙丹，趙雪林.基于 PLC的自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2019，40（11）：148-154.

[6]劉路明，鄒鵬達(dá).基于 PLC的餅干包裝自動(dòng)生產(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2017，39（11）：138-140.

[7]趙振秀，周建華，杭小宇.基于 PLC的數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2015，32（4）：527-530.

[8]申風(fēng)琴，江劍.基于 PLC的車載破碎機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電器傳動(dòng)，2015，45（7）：74-76.

第一作者簡(jiǎn)介：雷斌（1992-），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)化機(jī)電設(shè)備，已發(fā)表論文6篇。

（編輯：刁少華）