指甲油自動旋蓋機開發與研究

馮友強，楊岸文，徐偉寧

（河源職業技術學院，廣東 河源517000）

0 引言

指甲油旋蓋機是指甲油生產的基礎工具。我國目前的指甲油旋蓋機主要針對單一瓶型的旋蓋設計，也主要應用大批量的訂單的生產，設備的缺乏柔性。導致一些指甲油生產廠家對較小批量、瓶型較多生產的訂單仍采用手工進行灌裝及旋蓋，其生產效率較低，不能滿足現代高速包裝旋蓋需求。同時，因指甲油生產過程中會產生一定的異味，很多工人不愿意在這種灌裝及旋蓋的崗位操作。因此，研制出高速且柔性高的自動旋蓋機對我國的指甲油行業有一定的意義。本文設計了一種新的旋蓋機。

1 設備的總體設計

1.1 設計要求

此旋蓋機是多種旋蓋機的一種，主要應用于國內一些指甲油生產廠家，經過行業調研，參考生產部門提出的意見，在整體設計時，工藝方面要滿足以下要求：（1）可以包裝指甲油瓶的尺寸：高52～85 mm，直徑25～45 mm，有多種形狀如圓形、方形、錐型，具有一定的柔性；（2）輸送帶速度0～20 m/s，速度可調；（3）生產速度約15～20瓶每分鐘；（4）防止瓶子倒下，指甲油是UV膠的材料，如果生產過程當中，指甲油倒出來了，設備是相當難清潔的。

針對這種小型而且可以兼容小批量生產的旋蓋設備，同時為了節省開發的時間，及節約成本，控制器選擇PLC[1-2]。其他方面，為了方便取電，輸入電壓為單相交流220 V，總功率控制在2 kW以內；氣動元件的壽命要較長，在三百萬次以上；為了方便操作，人機界面選用觸摸屏。

1.2 總體設計

針對以上的要求，分析得出設計的設備需要有以下功能：（1）指甲油瓶能用皮帶進行輸送；（2）皮帶上方要有分瓶器，在適當的時間釋放一個瓶子；（3）瓶子運行到旋蓋機下方能被夾緊機構夾緊；（4）旋蓋機能上升下降；四個膠輪能夾住瓶蓋旋轉并能擰緊瓶蓋；（5）機構不能把瓶身與瓶蓋括花；（6）觸摸屏安裝在輸送帶上方，方便操控，而控制電柜放在機架下方，要考慮方便接線。

基于此提出的整體方案，圖1為旋蓋機整體結構圖，設備由底部支架、輸送帶、擋板式的分瓶器、旋蓋裝置、控制電柜和觸摸屏支架組成。輸送帶固定在底架上面，由步進電機通過鏈條傳動；護欄裝置通過可調夾子固定在輸送帶的兩則，對瓶子進行導向及防止其側翻；對射型光電傳感器設置到輸送帶的鋁型材的兩側，在輸送帶上一共裝了兩對，用于檢測瓶子是否到位，為自動控制系統提供指甲油瓶的位置信號；龍門架在輸送帶的上方，位置略靠后；旋蓋機安裝于龍門架中，其高度可以根據實際情況可以通過螺桿進行調節；其中擋板機構是安裝到皮帶輸送機里側，在輸送帶的上游，為了適應不同瓶型，可以改變間隔和伸展長度；夾緊機構安裝在旋蓋機正下方的輸送帶兩側，在旋蓋時，用于夾緊瓶身；觸摸屏支架固定在支架的上側，而電柜安裝在支架下方。

圖1 旋蓋機整體結構圖

設備的工作過程：自動旋蓋機系統是由PLC進行控制，按下觸摸屏的啟動按鈕，然后皮帶輸送機運動，將指甲油瓶運送到擋板機構，擋指甲油瓶機構進行攔住一瓶，當對射型傳感器檢測到有瓶子時，再通過皮帶運輸裝置到達旋蓋機正下方，再通過夾緊機構夾緊，最后旋蓋機進行旋蓋，夾緊機構松開，皮帶輸送機運行，繼續旋蓋下一瓶的操作。

2 機械部分設計

設備的底部支架是用40 mm×40 mm的201不銹鋼進行架構，輸送帶是用工業鋁型才進行架構，輸羜帶用綠色的PVC皮帶，這種皮帶成本較低，壽命也較長。皮帶的欄桿用的是鍍鉻的圓形鋼，其高低及前后位置可以通過夾具進行調節。固定旋蓋機的電機支架材料也是工業鋁型材，兩電機的距離及高底也可以進行調節。下面對旋蓋機的主要一些部件進行描述說明。

（1）夾具設計：夾具是橡膠材質，是由一個長53 mm、寬47 mm、高20 mm的長方體切割一個等腰梯形體而成，等腰梯形體上底是10 mm，下底是43 mm，詳細見圖2。天然橡膠具有高彈性、耐磨性、韌性，兩個梯形的槽口設計，夾具可以適用多種形狀、各種大小的瓶子，可以將瓶子牢牢地夾穩。

圖2 瓶蓋夾具俯視圖

（2）摩擦輪旋蓋設計：由四根摩擦輪桿組成，每兩根為一組，分為左右兩邊，氣缸控制兩邊伸出程度控制旋蓋摩擦輪夾緊瓶蓋程度，由此可以適應各種大小瓶蓋，具體見圖3。

圖3 旋蓋摩擦輪旋蓋圖

摩擦輪的材料是天然橡膠，工作的時候，四個摩擦輪同時反轉，瓶蓋受到的力均為正轉，利用摩擦完成瓶蓋旋進。除了上述的一些部件，旋蓋機還有許多部件，主要的機械元件清單可見表1，大多機械零件是根據工藝需要，繪制機械圖經過數控制機床加工出來。

表1 機械設計清單

3 電氣設計

3.1 電氣設計描述

電氣設計主要是用PLC驅動雷賽步進驅動器、中間繼電器、電磁閥等，PLC的輸出點直接控制雷賽動器脈沖和方向、旋蓋、可調式擋板伸出縮進、夾具夾緊等，這一系列動作實現了瓶子輸入、旋蓋、輸出。電氣設計的細節還有以下幾點：

（1）使用開關電源，將220 V交流電轉換成24 V直流電，給三菱PLC負載、雷賽驅動器、亞德客電磁閥、威倫觸摸屏、中間繼電器提供24 V直流電源，使用直流24 V作為控制電路，安全等級較高。

（2）電路用一個常開啟動按鈕、一個常開復位按鈕、一個常閉的停止按鈕接入PLC輸入點，急停按鈕的常團觸點控制著PLC輸出回路和觸摸屏電源，可以實現了PLC輸出回路的控制及觸摸屏電源控制，以達到急停的控制。

（3）使用歐式端子實現電氣接線，PLC輸出全部通過端子與設備相連，小型歐式端子灰色、藍色分別接控制電路24 V、0 V，大型歐式端子灰色、藍色分別接主電路220 V、0 V，大型歐式端子黃綠色為接地線，使得電路美觀、檢修方便，并且可以靈活改動。

（4）使用中間繼電器控制220 V單相異步電動機，PLC輸出點控制中間繼電器電磁線圈的得電，從而間接控制220 V單相異步電動機火線通斷，從而達到控制電機運行目的。

（5）PLC輸出點控制氣動電磁閥的通斷，從而控制雙桿氣缸活塞伸出，縮回動作，實現了旋蓋機可調式擋板控制、氣動夾具控制、摩擦輪夾緊控制。

3.1.1 主電路設計

單相異步電機是電容運轉式接法，由輔助啟動繞組來輔助啟動，其啟動轉矩不大，運轉速率大致保持定值。電機扭矩和功率成正比，和轉速成反比，瓶蓋的旋進是由單相異步電機轉動帶動摩擦輪進行旋蓋的操作。在生產中，瓶蓋的大小、材質、光滑度都不一樣，通過調節電壓來調節單相異步電機轉速和力矩來適應各類瓶蓋的旋緊，并且不傷瓶。電機的主電路設計圖如圖4，設備主電源供應是單相220 V的交流電，Q是斷路器，KA是中間繼電器輔助觸頭，T是變壓器，C1、C2是電容，M1、M2是單相異步電機。斷路器具有過載與短路雙重保護作用，電容在電路中起到移相的作用，合成一個旋轉磁場使電機旋轉。

圖4 主電路電路圖

3.1.2 控制電路設計

設備控制電路電源供應是24 V的直流電，PLC輸出是Y0～Y6，控制雷賽脈沖和方向，一個繼電器、四個電磁閥，實現傳送帶運轉控制、單相異步電機控制、可調式擋板控制、旋蓋控制、夾具夾緊控制、摩擦輪夾緊控制，具體見如圖5。圖中的SB4是急停按鈕，串聯在PLC輸出控制回路，按下可切斷PLC所有輸出，使設備停止工作。PLC輸出負載統一用開關電源提供直流電。用PLC組成控制系統，可靠性高，抗干擾性強，功能完善，適應性強。使用驅動器驅動步進電機，可根據PLC發出的指令控制傳送帶運轉的距離、速度、啟停等動作的配合。這樣設計設備具有非常強地穩定性和控制靈活性。

圖5 控制電路圖

3.2 電氣元件選型

控制元件的選型主要考慮的幾個方面，一是工藝的實現，二是設備的壽命，三是工作穩定性，四是支持國產。具體選型清單見表2。

表2 電氣元件匯總

控制系統的主要部件是PLC，項目的選型是三菱FX3G-24MT/ES。主要利用其以下特點：（1）最大擴展支持256個點的輸入輸出點數，適合此設備的容量；（2）有內置USB的通信端口，方便與電腦通訊；（3）晶體管輸出為漏型，可以驅動步進電機；（4）支持RUN模式中寫入，方便在線調試；（5）可以支持程序通過通訊線進行PLC與觸摸屏通訊。

步進驅動器選擇的是雷賽伺服驅動器DM860，DM860是一種低噪音數字式的一種，是屬于步進電機驅動器這一類。步進電機選用的是與雷賽伺服驅動器相對應的是雷賽DM860步進電機，它采用的兩相混合式的，能夠輸出的扭力比其它產品大，并且動態性能也比其它產品要好，最主要的是步距角較小。溫度提升的速度較低還有可靠性較高等優點。與雷賽DM860伺服驅動器相配合使用，能夠發揮兩者的最大作用。

氣缸是選用埃克斯型號的TN16-30和TN16-50、朝日TSDA26X30；埃克斯采用的是系列號的代碼為TN：雙桿雙軸復動型、雙活塞氣缸，16：缸徑大小、30、50：行程大小，整體使用的是不銹鋼材料，可以防止空氣、水腐蝕，能夠提高密封性和耐磨性；氣缸的伸出縮回速度可以通過節流閥來調節，調到適合的速度。配合擋板和夾緊機構能夠完成相關隔離、夾緊工作。

4 軟件設計

4.1 控制系統概括

控制系統用的是三菱可控制編程器，使用與PLC對應的最新編程軟件GX Works2軟件。用梯形圖編程方法編寫SFC語言，使用步進梯形圖指令的程序，與SFC程序一樣，以機械的動作為基礎，對各工序分配狀態S，作為連接在狀態。關于編寫程序的思考方法、狀態的種類以及動作都與SFC程序相同，由于可以用梯形圖來表示，所以其實質性內容與SFC程序完全相同，可以作為熟悉的繼電器梯形圖使用。SFC程序和步進梯形圖程序都是按照各自固定的規則編程的，可以相互轉換[3]。

人機界面用的是威綸通觸摸屏，其型號是TK6070IP，威綸通觸摸屏的實質是一個虛擬的儀器儀表，操作員可以通過它與計算機之間交換信息，用于代替開關按鈕、監控設備、控制設備等等，而且可以進行數據修改和信息反饋。一般的開關按鈕是通過硬接線來控制PLC，而觸摸屏是采用各種通訊控制PLC，威綸通觸摸屏作為通訊主站，PLC是作為從站，主站讀寫從站。在人機界面編程時，選用的編程軟件是EasyBuilder8000，是威綸通推出的一個較新的編程軟件。編寫觸摸屏界面時，要定義PLC里地址，通訊是觸摸屏從PLC里提取這些地址數據，也可以進行修改。用戶可以通過顯示屏的觸碰修改PLC地址里的數據輕而易舉控制、調試設備，也可以讓編程人員想知道PLC的數據信息反饋到觸摸屏上，能簡易地進行人機交互。

4.2 PLC程序設計

GX work2是三菱電機PLC編程軟件，用于進行設計、調試、維護的編程工具。比幾年前的GX Developer增加了實用性功能，界面更加方便操作，變得更加容易使用。本畢業設計采用梯形圖和SFC編程語言，兩種語言混合編程，既有梯形圖編程直觀、實用、對應性強的優點，又有SFC編程語言控制流程清晰、方便順序控制的等優點。本項目的編程見圖6。

圖6 傳送帶控制

SFC編程控制流程清晰，方便順序控制，DRVI是相對位置控制指令，分別是輸出脈沖數、輸出脈沖頻率、脈沖輸出起始地址、旋轉方向信號輸出起始地址。在程序里用了3個輸入點和7個輸出點，觸摸屏的3個輸入：啟動、停止、復位地址分別為M20、M21、M22。在編寫程序前對程序的輸入輸出點作了以下定義，見表3。

表3 PLC的I/O分配表

在編寫旋蓋機的PLC程序時，首先進行流程圖設計，詳見圖7，之后按這流程圖進行PLC程序的編寫。

圖7 設備動作流程圖

4.3 觸摸屏軟件設計

EasyBuilder8000是威綸通科技軟件有限公司一款軟件，專為觸摸屏編程設計，軟件功能強大，易學易用，適用于威綸通MK（TK）6000-8000系列機型。本項目的觸摸屏的主界面見圖8。

圖8 觸摸屏界面設計

在編寫觸摸屏畫面時，為了達到直觀及友好的效果，背景圖是用SOLIDWORKS軟件繪制的3D圖。啟動、停止、復位地址分別為 M20、M21、M22，當前速度、累計瓶數、給定速度、旋蓋時間地址分別為D0、D1、D0、D3，其中，給定速度、旋蓋時間啟動了輸入功能，可以修改參數調節設備。

5 設備調試及結果

設備各部件設計及加工完后，按圖紙進行裝配，裝配完成后的設備見圖9，裝配好后還要對其各部分進行調試。

圖9 設備完成裝配圖

首先做了機械調試。旋蓋機的旋蓋系統可以適應多種指甲油瓶，包括：圓瓶、方瓶、圓臺瓶等（具體瓶的外形如圖10所示），柔性較強。

圖10 部分適用的瓶子圖

旋蓋機可以通過調節三個關鍵點適應各種瓶子，第一是手輪調節整體旋蓋電機的高度，使旋蓋軸能夠在瓶蓋高度的中間位置，具體操作如下：先讓兩邊鎖緊螺絲松開。第二是通過調整壓桿氣缸的高度來適應擰緊瓶蓋所需要的壓力，瓶蓋高的，壓桿高度也要隨著提高。第三是控制兩個旋蓋電機的間距，進而調整下桿摩擦輪間距來適應瓶蓋的直徑。之后還對電氣IO點作了測試，IO點測試正常后對控制柜進行整體測試。

在機械及電氣裝配完后，進行了程序調試。將一些瓶放在旋蓋機上進行了測試。指甲油瓶自動化旋蓋系統生產線從開始進瓶到最后出瓶全部自動化，具有速度可調、旋蓋緊度可調等。通過調節傳送帶速度、旋蓋時間、機械動作配合間隔時間得到的測試結果如表4所示。

表4 調試數據記錄

上表要注意的是在生產過程中出現倒瓶、卡瓶的現象也會影響生產速度和產品不良率。將表4的數據用曲線圖表示，得到圖11的參數關系圖。

圖11 設備調試參數關系圖

該圖標X軸為刻度值，以調節范圍劃分10個刻度值，傳送帶速度設置為150～300 r/min；旋蓋機電機旋轉時間設定為0.2～1.5 s；各部件機械動作配合時間設定為0.1～0.8 s；出現的產品不良率為0～5%之間。從以上可以看出傳送帶速度與生產速度關系最大，當生產速度大于一定范圍會應為瓶子卡瓶、掉瓶導致生產中斷影響生產速度，也增大了瓶子不良率（瓶子損壞）。機械動作配合時間與生產速度影響較小，與不良率（瓶子損壞）影響中等，旋蓋時間與生產速度影響中等，瓶子不良率（旋蓋緊度不足）影響大。在指甲油自動化設備調試過程中，當傳送帶脈沖速度為230 r/min，旋蓋時間為0.7 s，機械動作配合時間平均為0.3 s，生產速度達到28瓶/min，不良率大概為2.3%。

對比于一般轉盤式的指甲油瓶旋蓋機，皮帶式輸送機可以更穩定的運行瓶子，再結合可調節寬度和高度的欄桿、擋瓶機構、夾緊機構、旋蓋機，能夠適應多種指甲油瓶，柔性較好。簡單的結構，及簡易的控制系統，設備成本較低也易于維護，并且自動化程度也較高。