基于PLC的包裝袋機械手控制系統設計

劉志虎，王 雷，王幼民，李 明

(安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖 241000)

包裝是產品進入流通領域的必要條件［1］，而實現包裝的主要手段是使用包裝機械［2］。隨著技術的進步、時代的發展，包裝機械在包裝領域中正起著越來越大的作用。包裝機械有多種分類方法:按功能可分為單功能包裝機和多功能包裝機［3］;按包裝品種可分為專用包裝機和通用包裝機;按使用目的可分為內包裝機和外包裝機;按自動化水平分為半自動機和全自動機等。包裝袋的折邊折角作業是包裝過程中的一個很重要的工序，然而現有的包裝袋折邊折角大量采用人工操作，尚未完全實現自動化，工人的工作環境差，工作枯燥，生產積極性不高?；诖?，本文對包裝袋折邊折角作業機械手控制系統進行設計。該機械手采用氣動方式提供動力，通過 PLC對機械手［4－10］進行控制，能夠同時實現包裝袋折邊和折角2道工序，并可以和自動流水生產線配合使用，顯著提高了生產效率。

1 生產線流程改造方法

包裝袋進行縫紉前需要進行折邊和折角作業，其生產線流程示意圖如圖1所示。折邊折角作業機械手安放在排對調整位置，工人在上料工位把包裝袋放置在上料處，經自動流水傳送帶傳輸到排隊調整位置，折邊折角完成后自動運送到縫紉工位。

圖1 生產線流程示意圖

2 包裝袋折邊折角作業機械手的結構和工作過程

2.1 折邊折角作業機械手結構

包裝袋折邊折角作業機械手結構包括: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180°擺動氣缸、上折邊齒耙、下折邊齒耙、90°擺動氣缸、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180°擺動氣缸，實現包裝袋上下兩邊的折邊工序，90°擺動氣缸實現包裝袋的折角工序。

折角定位部分主要由橫向移動氣缸、縱向移動氣缸和折角定位機構組成。在橫向移動氣缸和縱向移動氣缸的雙重推動下，折角定位機構實現橫向和縱向移動。折角定位部分的功能:為折角工序提供準確的定位，保證折角動作的順利完成。圖2為包裝袋折邊折角作業機械手結構示意圖。

圖2 折邊折角作業機械手結構示意圖

2.2 包裝袋折邊折角作業機械手工作過程

1)將包裝袋放置在上料處，經自動流水生產線運送到折邊折角位置停止。

2)袋子下面的真空吸盤保持不動，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動作。

3)利用2個180°擺動氣缸分別旋轉上下2個折邊齒耙，當2個齒耙都旋轉180°時完成折邊工序。

4)利用橫向移動氣缸和縱向移動氣缸推動折角定位機構在導軌上面實現橫向和縱向運動，當折角定位機構到達所需的定位位置處停止。

5)90°擺動氣缸轉出，計時1 s后轉回，完成折角工序。

6)將折角定位機構按照原路返回，從而實現折角定位機構退出包裝袋。

7)2個180°擺動氣缸帶動上折邊齒耙和下折邊齒耙同時轉回。

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力下移，流水線運走包裝袋至縫紉工位后上移至原位置復位，與此同時機構開始下一次循環。

3 包裝袋折邊折角作業機械手氣動控制系統設計

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，選定磁性開關。經過計算，包裝袋的折邊折角作業機械手所用的氣缸主要參數如表1所示。

表1 氣缸主要參數

3.2 氣動控制原理圖的設計

通過對包裝袋折邊折角作業機械手結構設計和工作原理的分析，設計了氣動控制系統。該機械手氣動控制原理如圖3所示。氣動控制系統由空氣源、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:空氣處理單元對空氣源進行處理，使處理后的空氣能夠被該氣動控制系統使用。折邊折角模塊共包括4個伸縮氣缸和3個擺動氣缸，其中上吸盤氣缸(101)和下齒耙氣缸(111)實現上、下伸縮運動;縱向移動氣缸(202)實現縱向方向的伸縮運動;橫向移動氣缸(201)實現橫向的伸縮運動;2個180°擺動氣缸(102和109)通過同一個電磁閥進行180°同步旋轉運動，用來實現包裝袋的上、下2個折邊動作同步進行，從而實現折邊工序;90°擺動氣缸(104)進行90°旋轉運動，實現包裝袋的折角工序。這些氣缸的換向通過兩位五通電磁閥來實現。為了保證氣缸運動的平穩性，每個氣缸回路均連接了單向調速閥。為了降低氣動控制系統的噪音，6個兩位五通電磁閥連接了消音器，并通過一個電磁閥集裝板安裝。形成真空模塊主要利用真空發生器能夠形成真空的原理設計，通過該模塊，能夠使上真空吸盤(105)和下真空吸盤(110)產生真空負壓，進而吸引包裝袋并打開包裝袋。

4 PLC控制系統設計

4.1 控制系統的總體設計方案

圖4為包裝袋折邊折角作業機械手控制系統［6－7］的總體設計方案。系統采用 PLC進行控制，需要同時進行上吸盤氣缸控制、下齒耙氣缸控制、2個180°擺動氣缸控制、真空發生器控制、90°擺動氣缸控制、縱向移動氣缸控制以及橫向移動氣缸的控制。為了保證包裝袋上折邊和下折邊同時進行，即上折邊齒耙和下折邊齒耙能夠同步旋轉，2個180°擺動氣缸通過同一個兩位五通電磁閥進行控制。同時，為了方便操作人員對設備運行進行實時監控和操作，采用人機界面觸摸屏控制，使人機交互更加簡單、直觀。

圖3 包裝袋折邊折角作業機械手氣動控制原理

包裝袋折邊折角作業機械手控制系統的工作分為全自動模式和單周期模式。在全自動模式下，機械手的每個動作執行完后，下一個動作自動執行，通過與自動化流水生產線的配合，不停地進行一個又一個的包裝袋折邊折角動作。在單周期模式下，當一個包裝袋折邊折角完成后，機械手自動停止。在這種模式下，如果需要進行下一個包裝袋的折邊折角，需要重新按下啟動按鈕。此外，設備設置了回原點復位按鈕，當有特殊情況發生導致系統出錯時，可以通過回原點復位按鈕將系統還原到初始狀態。

圖4 包裝袋折邊折角作業機械手控制系統的總體設計方案

4.2 機械手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機械手控制系統的控制要求。

根據機械手所需的輸入/輸出點數，同時為了方便PLC的外部接線及程序設計，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 硬件電路設計

根據PLC的I/O地址分配表，設計如圖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機械手的控制主要包括以下幾個工作過程:下齒耙氣缸的控制、氣缸打開包裝袋的控制、包裝袋折邊氣缸的控制、包裝袋折角定位機構的控制、包裝袋折角氣缸的控制、氣缸關閉包裝袋的控制。根據包裝袋折邊折角作業機械手需要實現的動作順序，繪制的PLC控制流程如圖6所示。

4.5 PLC編程與調試

根據PLC控制流程，使用西門子STEP7編程軟件進行編程。本文選用梯形圖進行編程，編程思路如下:為了保證系統的安全運行性，在編程時應設置一些必要的互鎖，比如在兩位五通雙控電磁閥左線圈得電時右線圈不能同時得電，橫向移動氣缸和縱向移動氣缸控制的折角定位機構運動在沒有退出的時候，上吸盤氣缸不能伸出等。另外，如當按下停止按鈕的時候可馬上停止動作，按下回原點復位按鈕的時候可立即使各氣缸回原點復位。氣動機械手部分梯形圖程序如圖7所示。包裝袋折邊折角作業機械手調試現場如圖8所示。

圖6 包裝袋折邊折角作業機械手PLC控制流程

圖7 氣動機械手梯形圖程序(部分)

圖8 氣動機械手調試現場

5 結束語

包裝袋折邊折角作業機械手與人工操作折邊折角作業相比有如下優點:機械手操作靈活，折邊折角效率更高，減少了勞動力;對操作工人技術水平要求不高;經過對包裝袋折邊折角作業機械手進行現場調試，證明了本機械手控制系統能夠完成預定的功能，并且包裝袋折邊折角效率高，合計14.5個/min，可靠性高達99%。該機械手節省了人力，節約了成本，提高了企業競爭力，有十分廣闊的市場應用前景。

［1］丁黎光，陳小泉，李伯勝，我國包裝碼垛機械的現狀及發展趨勢［J］.廣西工學院學報，2001，12(1):37－39.

［2］朱建萍，王鶴.包裝機械設計方法研究［J］.包裝工程，2007(7):89－90.

［3］唐國蘭.基于PLC的高速全自動包裝機控制系統的應用研究［D］.廣東:廣東工業大學，2004.

［4］張磊，謝明舜，陳光明.基于S7－200的氣動控制系統速度監測研究［J］.液壓氣動與密封，2013(11):43－44.

［5］張志會，熊瑞平，馮燁，等.一種基于P L C控制的五個自由度氣動配料機械手［J］.液壓與氣動，2010(2):4－6.

［6］關明，周希倫，馬立靜，等.基于PLC的機械手控制系統設計［J］.制造業自動化，2012，34(7):120－121.

［7］李鑫，張勇，葉成濤.基于PLC的車身氣動焊裝夾具設計［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2011，25(12):12－18.

［8］閆肅，諶海云，杜振華，等.基于PLC的直流電機轉速控制系統設計［J］.自動化與儀器儀表，2013(6):63－65.

［9］韓偉娜，劉寶華.基于S7－200的搬運機械手的PLC控制［J］.機械科學與技術，2011(2):259－261.

［10］劉榮榮.基于PLC的位置控制系統的設計［J］.自動化與儀器儀表，2014(12):91－93.