彩珠筒包裝機控制系統設計

吳吉平，胡威林，孫　曉

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

彩珠筒包裝機控制系統設計

吳吉平，胡威林，孫曉

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

針對目前市場上彩珠筒外包裝機還未實現全自動化生產的問題，設計了彩珠筒包裝機控制系統。先介紹了彩珠筒煙花外包裝機控制系統的工作流程和氣動系統的工作原理，采用氣動系統驅動外包裝機工作，選用三菱FX系列可編程控制器實現對外包裝機工作過程的控制。本系統可提高煙花爆竹生產的安全性和工作效率，也為同類煙花包裝機的設計提供理論基礎。

彩珠筒；包裝機；控制系統；氣動回路；PLC

0　引言

中國作為世界煙花爆竹的生產大國，其煙花生產企業大部分散落在鄉鎮，存在生產設備落后、勞動人員密集、勞動生產率低、安全隱患嚴重等問題。彩珠筒為一種手持燃放煙花產品，品種規格多種多樣，其生產工藝過程主要有卷筒、裝藥、外裝潢紙的裹包及打捆等［1］。目前，彩珠筒的生產機械自動化水平較低。彩珠筒的包裝主要是人工方式，其工作效率較低，勞動強度較大，且工作人員在惡劣的環境下作業，存在較大的安全隱患。因此，如何實現彩珠筒生產機械化和自動化成為研究熱點。

氣動技術即氣壓傳動與控制技術，是當前機械設備中發展速度最快的技術之一。它具有結構簡單、成本低、維護簡便等優點，被廣泛應用于汽車、機床、包裝機械、食品機械、印刷機械中［2］。

針對目前市場上彩珠筒的包裝工藝不能實現全自動流水線生產，且其生產過程中安全性低等問題，本文設計了一種全自動的彩珠筒包裝機控制系統，采用氣動系統與PLC（programmable logic controller）相結合的控制技術對包裝機的工作過程進行控制［3］。該控制系統通過彩珠筒的全自動送料、壓緊、供紙、輸紙、包裝、卸料等一體化動作，準確定位彩珠筒，實現了彩珠筒包裝的自動化，并保證了包裝過程的安全性，大大減少了人工服務，提高了生產效率，降低了生產成本。

1　控制系統設計

1.1包裝機工藝流程

該包裝機是從傳統工藝轉為機械化、自動化的生產，其工藝流程［3］為：送料→壓緊→供紙→輸紙→包裝→卸料，如圖1所示。輸紙包括輸送包裝紙和刷膠，由輸紙電機帶動傳送帶與刷膠輥來完成。為實現上述工藝流程，本文設計了包裝機控制系統，控制包裝機完成送料、壓緊、供紙、輸紙、包裝、卸料工作。控制系統配置了4個裝有磁感式傳感器的有桿氣缸，并且每個氣缸的出氣口、入氣口均裝有單向節流閥，用來調節氣體流量控制速度。

圖1　包裝機工藝流程圖Fig.1　Flowchart of packing machines

1.2氣動系統工作原理

自動包裝機氣動系統由4個部分組成，即送料、壓緊、供紙、卸料。氣動系統原理圖如圖2所示。

圖2　氣動系統原理圖Fig.2　Schematic diagram of the pneumatic system

圖2中，卸料、送料、壓緊分別由有桿氣缸A，B，C，以及2個單向節流閥和一個二位五通電磁閥進行控制；供紙由有桿氣缸D和2個單向節流閥，以及一個二位五通電磁閥與一個二位二通電磁閥進行控制。氣動系統各部分的工作流程如下。

1）送料即將工件送至包裝部位。送料氣缸B活塞上的永久磁環檢測氣缸活塞位置，控制電磁閥通電，從而來改變氣缸的運動方向。二位五通電磁閥換向改變送料氣缸B的移動方向。節流閥控制送料氣缸B的移動速度。二位五通電磁閥YA2接電，送料氣缸B向右移動，節流閥控制氣缸速度，使其運動至磁感應式傳感器2B2位置，傳感器2B2發出信號。電磁閥YA2失電，送料氣缸向左運動，運動至磁感應式傳感器2B1位置，傳感器2B1發出供紙信號。

2）供紙即將包裝紙供送到輸送部位。二位二通電磁閥YA5接電，真空吸盤運作吸紙，二位五通電磁閥YA4接電，供紙氣缸D向左運動，節流閥控制氣缸的移動速度，當供紙氣缸D運動至磁感應式傳感器4B1位置，傳感器4B1發出信號。二位二通電磁閥YA5和二位五通電磁閥YA4失電，吸盤停止運作，供紙氣缸D向右運動，運動至磁感應式傳感器4B2位置，傳感器4B2發出壓緊信號。

3）壓緊即將包裝紙盒工件壓緊。二位五通電磁閥YA3得電，壓緊氣缸C向下運動，運動至磁感應式傳感器3B2位置，傳感器3B2發出信號。控制包裝電機開始運動并對工件進行包裝，同時，控制器控制一定時間，以保證包裝完成后，二位五通電磁閥YA3失電，壓緊氣缸C向上運動，運動至磁感應式傳感器3B1位置，發出卸料信號。

4）卸料即將包裝好的工件脫離包裝部位。二位五通電磁閥YA1得電，卸料氣缸A向左運動，運動至磁感應式傳感器1B1位置，傳感器1B1發出信號。二位五通電磁閥YA1失電，卸料氣缸A迅速回到磁感應式傳感器1B2位置，發出送料信號。

5）更換工件，進入下一個循環。

6）當按下停止按鈕時，系統需等到每個工序都完成后，才能復位，并停止工作。當按下急停按鈕時，系統會立刻停止工作。

2　包裝機PLC控制系統設計

2.1硬件配置和 I/O表分配

根據包裝機的實際輸入/輸出，考慮包裝機的性能要求和實際需要，結合三菱FX2N系列PLC的特點［4］，本文選用FX2N系列FX3U-32MR的PLC，其可以為工廠自動化生產提供很大的靈活性和較強控制能力。按照工藝流程和氣動系統控制要求，對PLC的I/O地址進行分配，如表1所示。

表1　I/O地址分配表Table 1　I/O address assignment

由表1可以看出，本文將啟動、停止、氣動回路的各磁性開關作為輸入信號，將氣動系統的各電磁閥、包裝電機作為輸出信號。PLC控制系統按照包裝機的工序流程進行相關動作。

2.2控制系統順序功能圖

順序功能圖又叫做狀態轉移圖，它是描述控制系統的控制過程、功能和特性的一種圖形，其思想是將控制設備的一個周期劃分為若干個工作步，并且明確表示每一步要執行的輸出以及步與步之間的轉換。根據自動包裝機的工作動作要求［5］，該自動包裝機的順序功能圖如圖3所示。

圖3　順序功能圖Fig.3　Sequential function chart

2.3系統控制流程圖

PLC具有豐富的編程指令、良好的軟件設計環境，可采用梯形圖（ladder diagram，LD）、順序功能圖（sequeential function chart，SFC）和指令表（intermediate language，IL）等基本的編程語言［6-7］。本文采用順序功能圖編程，編程軟件為FXGP。先利用計算機進行編程和調試，調試成功后，通過接口電纜將控制程序下載到PLC中。

根據控制系統的順序功能圖，設計了包裝機的控制流程圖，如圖4所示。由圖4可以看出，該工作過程和包裝工序表達清楚，轉移條件明確。

圖4　PLC程序控制流程圖Fig.4　PLC procedure control flow chart

3　結語

本文根據彩珠筒煙花外包裝機各個工藝先后動作的順序，設計與研制了“PLC-傳感器-氣動元件”組成的典型氣-電一體化控制系統［6］，即彩珠筒包裝機控制系統。自動裝配機的控制器為FX3U-32MR的PLC。該系統從根本上解決了人與煙花包裝的分離，并且為實現煙花爆竹產品流水作業生產提供了依據和保障，把勞動力從密集型產業中釋放出來，提高了安全性，為今后煙花爆竹生產過程中其他工藝流程的機械化提供了一定的基礎。

［1］胡威林，吳吉平，孫曉，等.全自動彩珠筒外裝潢紙裹包機的設計［J］.包裝學報，2015，7（3）：36-39.HU Weilin，WU Jiping，SUN Xiao，et al.The Design of Color Bead Tube External Decoration Paper Wrapping Machine［J］.Packaging Journal，2015，7（3）：36-39.

［2］趙彤.氣動技術在高端裝備業中的展望［J］.液壓與氣動，2014（6）：75-82.ZHAO Tong.Prospect of Pneumatic Technology in Top Equipment Fields［J］.Chinese Hydraulics & Pneumatics，2014（6）：75-82.

［3］邱麗萍.在包裝自動機中應用氣動技術的優勢［J］.輕工機械，2003（3）：30-32.QIU Liping.Superiority of Pneumatic Technology Applications in Packaging Auto-Machines［J］.Light Industry Machinery，2003（3）：30-32.

［4］劉艷梅，陳震，李一波，等.三菱PLC基礎與系統設計［M］.北京：機械工業出版社，2009：50-76.LIU Yanmei，CHEN Zhen，LI Yibo，et al.Mitsubishi PLC Base and Its System Design［M］.Beijing：China Machine Press，2009：50-76.

［5］宋黎明.PLC控制程序的設計技巧［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2008，10（5）：96-97.SONG Liming.The Design Technique of PLC Controlling Program［J］.Journal of Chongqing University of Science and Technology（Natural Sciences Edition），2008，10（5）：96-97.

［6］范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統設計［J］.液壓與氣動，2010（7）：36-38.FAN Jinling.Control System Design of the Pneumatic Manipulator Based on PLC［J］.Chinese Hydraulics & Pneumatics，2010（7）：36-38.

［7］聶輝.PLC梯形圖輸出元件網絡設計法探討［J］.湖南工業大學學報，2014，28（3）：47-51.NIE Hui.The Output Element Network Design Method for PLC Ladder Diagram［J］.Journal of Hunan University of Technology，2014，28（3）：47-51.

（責任編輯：鄧彬）

A Design of Control System for Fireworks Tube Packing Machines

WU Jiping，HU Weilin，SUN Xiao
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the absence of fully automated production lines for current fireworks tube packaging machines on the market， a new design for the control system of fireworks tube packaging machines has been proposed.Firstly， a detailed introduction has been made of the work-flow procedures of its control system and the working principles of its pneumatic system， followed by the employment of the outer packing machine driven by the pneumatic system， and the monitoring of the working process of the packaging machines by Mitsubishi FX series programmable controllers.This control system helps to improve the safety performance and the work efficiency of fireworks production， thus laying a theoretical basis for the design of similar fireworks packing machines.

color bead tube；packing machine；control system；pneumatic circuit；PLC

TJ530.5；TH138

A

1673-9833（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.001

2016-05-06

湖南省自然科學基金資助項目（14JJ5023）

吳吉平（1968-），男，湖南安化人，湖南工業大學副教授，主要研究方向為機電控制，包裝機械設計，E-mail：wjp0918@163.com