褲襪包裝機控制系統研究

蔣曉婷，孟 ，孫以澤，朱荷蕾

JIANG Xiao-ting, MENG Chuo, SUN Yi-ze, ZHU He-lei

（東華大學 機械學院，上海 201620）

0 引言

消費者對日用產品包裝質量要求的日益提高和商品工業化生產的大規模與高速度，對包裝機提出了很高的要求。包裝機必須精確定位和動作，且具有較高的包裝速度。用可編程控制系統實現包裝機的控制，可以簡化機械結構，具有性能好、可靠性高、易于修改和擴展等優勢。

1 褲襪自動包裝機的生產工藝

褲襪包裝機的主要功能是將從褲襪定型機輸出的褲襪以內紙板為支撐折疊好，套入外包裝殼并送入塑料包裝袋，封口、打標簽后輸出包裝成品。工藝流程如圖1所示。

圖1 褲襪包裝工藝流程

褲襪包裝機主要由三部分組成：載襪臺、折襪機和裝袋機。

載襪臺是連接褲襪定型機與折襪機的過渡機構。褲襪被輸送到載襪臺，人工檢查瑕疵，合格褲襪放在輸送帶上，輸送帶將褲襪送到折襪機。

折襪機主要通過三條傳送帶結構組合和正反轉運動實現褲襪的第一折和第二折，由汽缸驅動的輔助機械結構實現內紙板和外包裝殼的置放及褲襪第三折。每次折疊褲襪的長度都要求十分精準，以保證折疊后褲襪平整、美觀。

裝袋機分為制袋部分和包裝部分。

制袋部分用塑料薄膜自動制袋。塑料薄膜裝在機架的一個支承軸上，采用一臺異步電機驅動薄膜進給，塑料膜經走紙輪與三角形折疊機構，合成折疊好的兩層薄膜進入熱封機構，使塑料袋兩側熱合，同時切出袋口舌部前端的斜角。由吸盤和送袋電機把袋子送到指定位置，汽缸將塑料袋位置固定且撐開袋口，等待褲襪送入。

包裝部分主要由汽缸驅動機械結構實現外包裝殼舌部折疊，壓鏟壓住外包裝殼，送袋電機驅動壓鏟機構將褲襪送入塑料袋并繼續送至打標簽處。封口旋轉機構折疊塑料袋舌部，打標簽汽缸在封口處貼上標簽，然后輸出包裝成品。

根據工藝流程，控制系統必須滿足以下要求：1）實現從輸入褲襪到輸出包裝好的褲襪袋裝產品所有工序動作的順序控制；2）適應不同長度的褲襪和不同規格的內外包裝紙的包裝生產；3）人機界面友好、操作簡便、易于維護；4）具有完善的故障檢測和報警功能[1]。

2 控制系統的硬件設計

2.1 硬件組成及工作原理

本系統采用可編程控制器（PLC）和工控機兩級控制結構，硬件配置如圖2所示，主要包括：系統控制器模塊化PLC單元，PLC 的CPU 自帶高速計數器，檢測元件，控制面板，工控機，控制元件，執行元件，反饋元件以及信息指示元件等。

圖2 硬件配置圖

PLC接收傳感器、編碼器等開關信號和脈沖信號的輸入，依據其內部的梯形圖程序所確定的邏輯狀態關系與新輸出點的狀態，發出信號，控制變頻器、電磁閥、繼電器等電器元件，進而控制各電機的運行和汽缸的動作，同時控制相應指示燈的顯示。

工控機為整個控制系統提供人機交互頁面，操作人員通過該界面向PLC發出操作指令，對PLC程序進行參數設置和修改，監控各設備運行狀況，故障報警，保存工作記錄。工控機通過串行口與PLC相連并相互通信。

2.2 硬件選型

通過對自動包裝系統順序動作、性能特點及控制要求分析，PLC共需59個輸入點，64個輸出點，故選擇某公司的CJ1M—CPU23型PLC，及4個CJ1W-ID211型輸入單元、5個CJ1W-OD211型輸出單元。

3 控制系統的軟件設計

3.1 控制軟件設計概述

本系統的控制軟件由下位機PLC程序和上位機的人機交互界面程序組成。

下位機PLC程序控制流程如圖3所示[6]。系統的運行方式有手動和自動兩種。手動運行時，各工步都可單獨點動。自動運行時，程序完成一個周期的動作后，又從第一步開始自動運行。

圖3 PLC程序流程

第三折傳感器與執行機構時序如圖4所示，第三折梯形圖程序如圖5所示。

圖4 第三折傳感器與執行機構時序

圖5 第三折程序梯形圖

人機交互界面程序主要完成人機對話，實現對整個系統工作狀態的實時監控，及各操作窗體之間的切換。同時，通過人機交互界面可以實現操作人員對系統的直接控制[6]。

3.2 適應多規格褲襪包裝的程序設計要點

實際生產中不同規格的褲襪有不同的長度，同一規格的褲襪長度也有參差。為了使不同規格、不同長度的褲襪都能完成準確、美觀的包裝，控制系統要對褲襪三次折疊的長度進行精確的控制。其中，第一折的長度控制是關鍵。

褲襪包裝折疊方案如圖6所示。圖7為第一折之前內紙板放置完成時的系統狀態示意圖，上輸送帶電機轉軸上安裝了編碼器。

圖6 褲襪包裝折疊方案

圖7 第一折之前內紙板放置完成時的系統狀態

針對同一批次的產品，內紙板長度b一定，系統運行前在上位機參數設定界面輸入。每只褲襪的總長度L通過載襪臺傳感器Sensor1測得。褲襪從定型機由輸送帶送到載襪臺，褲襪前端到達Sensor1的時刻，上輸送帶開始運轉，與此同時，程序讀入編碼器脈沖數n1。至褲襪后端離開Sensor1時，載襪臺電機與上輸送帶電機停轉。此時讀入編碼器脈沖數n2。則褲襪的總長度

式（1）中，d為輸送帶輥子直徑， q為電機轉一圈，編碼器輸出的脈沖數，本系統采用的編碼器q=200。

操作人員檢查褲襪后，將褲襪在載襪臺的輸送帶上，手動給Sensor1信號，載襪臺電機M1、上輸送帶電機M2、斜坡機構電機M4同時運行，直到將褲襪前端送到斜坡機構中的A處，三臺電機停轉。相應機構把內紙板置放在褲襪上，置放好后內紙板前端的位置相對于機構是固定的，設此時內紙板前端與上輸送帶傳感器Sensor2的距離為p，內紙板前端與A處之間的距離就是第一折的長度L1

式（2）中，ΔL=ΔL1+ΔL2，ΔL1為褲襪第二折的端面長度，ΔL2為褲襪第三折的端面長度，ΔL1、ΔL2與褲襪的厚度及柔軟度有關，可實際測量。

褲襪從載襪臺被送到上輸送帶，褲襪前端到達上輸送帶傳感器Sensor2時，程序讀入編碼器的脈沖數n3，直到褲襪前端到達A處停止，程序再讀入編碼器的脈沖數n4，這個時間段內，褲襪走過的距離為

由式（3）、（4）得

當編碼器輸出脈沖數n4時，輸送帶電機全部停轉，內紙板放置完成后其前端與褲襪前端的距離就是第一折的長度。程序流程如圖8所示。

用類似方法控制輸送帶使第二折的長度L2為2b+ΔL2，然后進行第三折即對折，就能保證三折之后褲襪端面整齊、美觀。

4 結論

本文所述的褲襪包裝機由PLC協調各設備之間的動作，上位機提供人機交互渠道，能夠實現對多種規格褲襪的包裝生產，通用性好、結構可靠、操作方便、自動化程度高，提高了產品包裝的速度和質量，對促進我國包裝機械的發展具有重要意義。

圖8 第一折程序流程圖

[1] 陳嬋娟, 陳參,曾東暖.自動包裝生產線控制系統設計[J].液壓與氣動, 2007,(04).

[2] 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].廣東工業大學,2004.

[3] 陳廣鋒,吳春暉,孫以澤,等.三圈高地毯簇絨機提花控制系統[J].紡織學報,2008,29:(3).

[4] 張波,楊道升.DPP-250型包裝機控制系統設計[J].遼寧工業大學學報(自然科學版),2009,29:(5).

[5] Chen Guangfeng,Zhang Yawei, Jin Zhilei,Sun Zhijun,Sun Yize.Research on Jacquard Control System for Threepile-height Carpet Tufting Machine[R],2009 IITA International Conference on Control, Automation and Systems Engineering.

[6] Peixing LI,Zhijun SUN,Helei ZHU and Yize SUN,The Design of Control System for Auto-Packing Pantyhose Machine,Advanced Materials Research Vols.328-330(2011) pp 2288-2291.