基于PLC 的千葉輪捆扎機控制系統設計

張景生，陳鐵牛*

（廣東職業技術學院，廣東 佛山）

引言

千葉輪產業多以手工作坊式生產為主，隨著“中國制造2025”的推動，對千葉輪打包設備實現自動化，節約人力成本，是非常有市場前景的。綜合目前可查詢的資料，千葉輪相關的研究主要集中在千葉輪材料分析和應用千葉輪改進磨削工藝，而關于千葉輪的制造技術研究比較少。千葉輪自動化裝備復雜，先進制造成套技術不容易突破。本文對千葉輪捆扎機控制系統進行設計，并闡述其設計過程及運行效果。

1 千葉輪及其應用

千葉輪[1]，又叫“千頁輪”、“砂布輪”，是一種涂附磨具，主要用于各種不銹鋼、陶瓷、木材、石材等材料的研磨拋光。它的結構主要是卡盤式頁輪，卡盤上下有凹槽，成百上千的砂布輪葉片固定在上下卡盤之間，砂布輪葉片內側邊的兩端設置L 形卡扣槽和緊固圈，再用膠液將緊固圈與卡扣槽固化粘結在一起。而砂布輪葉片是以氧化鋁為磨料，由砂布層疊和全樹脂粘貼而成。千葉輪在生產后，需要勒緊捆扎打包，以便于千葉輪后續的定型、運輸和儲存，如圖1 所示。

圖1 捆扎后的千葉輪

目前千葉輪的生產過程大多都是人工打包操作為主。操作者先通過鋼絲繩勒緊砂布輪，用鐵錘拍打砂布輪外側，將其拍平整和壓緊，然后使用鐵柄將提前準備好相應長度的捆扎帶邊撬邊套到砂布輪上，最后松開鋼絲繩，取出打包好的千葉輪[2]。整個過程勞動強度大，效率低且人工成本高。

2 千葉輪捆扎機的系統設計

2.1 千葉輪捆扎機的工作原理

捆扎機[3]，又稱捆包機、打帶機或打包機，是使用捆扎帶捆扎產品或包裝件，然后收緊并將捆扎帶的兩端通過發熱燙頭熱融粘接。謝曉燕[4]采用PLC 設計了化纖打包機控制系統。張欽[5]以PLC 為控制核心設計了蔬菜捆扎裝置。韓鵬[6]采用PLC 完成了捆扎機循環工作流程，實現了手動、自動、連續等多種控制要求。周鑫[7]以PLC 為基礎設計了煙框物流打包機控制系統，提高了煙葉打包的自動化程度。張心人境[8]設計了全自動打包機控制系統，實現了對打包機啟動、傳送、打包、停止的自動控制過程。本文基于PLC 和傳統的捆扎機上，設計用于千葉輪的捆扎機。

千葉輪捆扎機主要包括夾料機構和捆扎機構[9]，如圖2 所示。夾料機構由垂直氣缸、兩側的導桿、水平氣缸、夾具、旋轉平臺等組成。垂直氣缸通過兩側的導桿，實現對千葉輪表面進行平整，并將千葉輪夾持在旋轉平臺上。水平方向的夾持由3 組水平氣缸和夾具組成，水平氣缸帶動夾爪向中心靠攏，收緊千葉輪并夾持。水平氣缸采用可調行程氣缸，通過更換夾具和調節氣缸的行程，滿足多種規格的千葉輪。旋轉平臺由三相交流電機和減速機組成，帶動千葉輪低速旋轉，千葉輪在旋轉時水平氣缸繼續向中心推出，直到水平氣缸上的磁環開關檢測到以后，就表示千葉輪外徑被壓縮變小達到預期設定值。千葉輪外徑被收緊后，捆扎機啟動，整個捆扎工作過程由送帶、退帶收緊、熔接粘接、切斷等多個工序所組成的環節。送退帶電機帶動送帶輪旋轉，利用摩擦力使捆扎帶沿軌道向前送進，直至帶子到位后，右頂刀壓緊捆扎帶；送退帶電機反轉使捆扎帶沿軌道退出，將多余的塑料帶退回儲帶盒，捆扎帶緊貼在千葉輪外側表面并捆緊扎牢；左頂刀上升將兩層捆扎帶壓住，加熱片插入將捆扎帶兩端加熱，隨后將兩層已加熱的捆扎帶兩端壓粘通過熱效應熔融接合在一起；最后，切斷刀上升切斷捆扎帶，完成捆扎動作。

圖2 千葉輪捆扎機

2.2 千葉輪捆扎機的工作流程

千葉輪捆扎機的工作流程包括千葉輪壓緊夾持和捆扎兩大部分，如圖3 所示。整個工作流程如下：（1） 未捆扎的千葉輪傳送到夾料機構處；（2） 收到啟動信號后，垂直氣缸下降壓在千葉輪表面上進行表面平整，夾料機構的水平氣缸帶動夾具伸出，對千葉輪夾持；（3） 千葉輪放置臺的旋轉電機啟動，3 個水平氣缸推動夾具不斷靠攏收緊千葉輪；（4） 千葉輪外徑壓縮變小到預期設定值，旋轉電機停止；（5） 帶子送到位，捆扎機制動器放開，主電機啟動；（6） 主電機帶動凸輪轉動，右頂刀上升，頂住右帶于滑板處；（7） 接近開關感應到退帶探頭，主電機停轉，瞬間制動；（8） 退帶電機啟動，退帶延時，捆扎帶收緊捆在千葉輪上；（9） 主電機二次啟動，加熱片插進兩帶子中間，接近開關感應到拉緊探頭；（10） 主電機三次啟動，左頂刀上升，壓緊帶子；（11） 中頂刀上升，切斷帶子；（12） 中頂刀下降，加熱片復位；（13） 中頂刀再次上升，使兩帶子牢固粘合；（14） 中頂刀下降，左、右頂刀同時下降；（15） 滑板后退，接近開關感應到停機探頭；（16） 送帶電機啟動送帶；（17） 主電機停轉，瞬間剎車吸合，帶子到位；（18） 捆扎機完成一個工作循環。

圖3 千葉輪捆扎機工作流程

2.3 千葉輪捆扎機的系統設計

千葉輪放置平臺的旋轉電機M1 為主電機，M1為三相交流電機，1.5 kW，帶減速機；捆扎主電機M2和送退帶電機M3 為直流電機，90 W。電送退帶電機M3 采用2 個繼電器互鎖實現電機正反轉，使其既能完成退帶又能完成送帶。預送帶電機M4 為直流電機，0.25 kW；水平氣缸采用可調行程氣缸，100 mm 缸徑，實現推動夾具壓緊千葉輪，滿足多種規格的千葉輪。

系統采用性價比較高的三菱FX32-MR PLC 作為控制器。根據上述要求，編寫IO 表如表1 所示。選用具有以太網口的MCGS 觸摸屏TPC7602Ti，設計人機交互界面如圖4 所示。

表1 I/O 分配及說明

圖4 觸摸屏界面

結束語

本項目針對千葉輪捆扎行業中，人工捆扎千葉輪效率低、成本高、安全性低等缺點，設計千葉輪的自動捆扎設備，提高了生產效率、減輕勞動強度、提高包裝質量、降低人力成本。根據相關資料查詢，全球千葉輪市場產值約80 億元/年，中國千葉輪市場產值超過20億元/年，千葉輪產量約1.2 億個/年。而現有的千葉輪產業以手工作坊式生產為主，因此，對千葉輪打包設備實現自動化，節約人力成本，是非常有市場前景的。