包裝機(jī)械中自動化技術(shù)的應(yīng)用與展望

趙錦康

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150000）

1 自動化技術(shù)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用

1.1 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)的作用是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)需要，來靈活調(diào)整生產(chǎn)過程的周期變化。目前，在自動化包裝機(jī)械的傳動系統(tǒng)中，通過變頻器，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了緊密結(jié)合，具有精度高、響應(yīng)快、運(yùn)行效率高和調(diào)節(jié)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，在包裝生產(chǎn)線上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

1.2 運(yùn)動控制

運(yùn)動控制模塊在裝卸、輸送、打標(biāo)等工序當(dāng)中都有著廣泛應(yīng)用，該模塊是通過伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對位置的精準(zhǔn)控制，并能實(shí)現(xiàn)速度同步。伺服電機(jī)是運(yùn)動控制模塊的關(guān)鍵，有著低震動、快速響應(yīng)和具有自動調(diào)整功能等特點(diǎn)。

1.3 人機(jī)界面

在包裝機(jī)械搭配自動控制系統(tǒng)使用后，其人機(jī)界面多以顯示器形式展現(xiàn)，可通過該界面進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)、記錄并查看各階段的生產(chǎn)情況、實(shí)時監(jiān)控機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)等工作。

1.4 自動控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段的自動控制系統(tǒng)主要是指PLC 控制系統(tǒng)，與其他控制系統(tǒng)相比，PLC 控制系統(tǒng)具有可靠性較強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在包裝機(jī)械自動化應(yīng)用中非常廣泛，預(yù)計(jì)未來一段時間仍將是包裝機(jī)械自動化方面的重要控制系統(tǒng)。具體來看，PLC 控制系統(tǒng)所控制的包裝機(jī)械主要應(yīng)用于飲品包裝設(shè)備、方便食品包裝設(shè)備和紙箱生產(chǎn)設(shè)備等方面。

2 自動化包裝機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

2.1 自動化包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）單獨(dú)計(jì)算機(jī)控制。包裝機(jī)械中要應(yīng)用自動化技術(shù)，就離不開計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對包裝機(jī)械的控制，如此才能確保機(jī)械順利完成自動包裝工作。除此之外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還能對包裝機(jī)械的操作情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，工作人員只需輸入相應(yīng)操作指令，就可以讓包裝機(jī)械根據(jù)指令完成相應(yīng)的包裝工作，大大降低了工作人員的工作強(qiáng)度和復(fù)雜程度[2]。

（2）小批量和多品種生產(chǎn)。不同的用戶對于包裝有著不同的需求，如建立多條生產(chǎn)線則花費(fèi)成本過高而得不償失。為此，可通過模塊化設(shè)計(jì)，讓包裝機(jī)械自動完成不同品種的小批量包裝。同時，模塊化的設(shè)計(jì)可以讓不同品種的小批量包裝工序同時進(jìn)行，有效減少了工作周期。

（3）分辨材質(zhì)。包裝機(jī)械中應(yīng)用自動化技術(shù)，就可以自動化收集和分析原材料材質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，與人工分析和識別相比，其對于材質(zhì)的分析和識別更為精準(zhǔn)高效，這一過程主要是通過借助探測器來實(shí)現(xiàn)的。通過對材質(zhì)的自動分析和識別，就可以及時發(fā)現(xiàn)材料是否發(fā)生變化或材料的變化情況，并將這一結(jié)果顯示在人機(jī)界面當(dāng)中。

（4）降低生產(chǎn)成本。包裝機(jī)械中應(yīng)用自動化技術(shù)可以有效促進(jìn)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，同時，自動化技術(shù)還減少了人力資源的消耗，降低了人力成本。

2.2 包裝機(jī)械自動化的關(guān)鍵技術(shù)

（1）現(xiàn)場總線技術(shù)。現(xiàn)場總線技術(shù)通過布置工業(yè)數(shù)據(jù)總線，可以實(shí)現(xiàn)不同自動化領(lǐng)域中現(xiàn)場智能設(shè)備之間的相互通信。具體來看，包裝機(jī)械企業(yè)可采用ERP 系統(tǒng)來應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)時了解包裝機(jī)械生產(chǎn)運(yùn)行情況，管理人員可以輕松地利用ERP 系統(tǒng)對包裝機(jī)械的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取和分析，以便進(jìn)行下一步?jīng)Q策。

（2）物流自動化技術(shù)。物流自動化技術(shù)主要用于構(gòu)建包裝機(jī)械和其他設(shè)備之間所形成的一套完整的傳送體系，這套體系在產(chǎn)品加工和包裝工序中都有著廣泛應(yīng)用，對于節(jié)省人力成本有著重要作用。

（3）傳感器技術(shù)。在自動控制系統(tǒng)中，傳感器技術(shù)是不可或缺的，傳感器技術(shù)在自動化包裝機(jī)械控制中具有重要地位。在具體實(shí)施過程中，通過在各個工序流程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上安裝相應(yīng)的傳感器，就可利用傳感器技術(shù)對這些工序進(jìn)行自動控制。該技術(shù)在封裝、冷卻、加熱和包裝等工序當(dāng)中都有著廣泛的應(yīng)用[3]。

（4）安全檢測技術(shù)。各行各業(yè)都關(guān)注安全問題，包裝機(jī)械行業(yè)自然也不例外。由于食品包裝行業(yè)在包裝行業(yè)中具有重要地位，所以包裝的安全問題也一直為人們所重視。要避免安全問題的發(fā)生，就必須加強(qiáng)安全檢測技術(shù)，使之為包裝機(jī)械自動化提供有效保障。

3 自動化包裝機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）PLC 硬件結(jié)構(gòu)及其原理。PLC 自動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由存儲器、核心處理器、I/O 系統(tǒng)、編碼器和編程器等組成，每一個模塊都是自動控制所不可或缺的，能夠?qū)崿F(xiàn)各種信號輸入與輸出。其中，核心處理器是將用戶所發(fā)送的指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號的關(guān)鍵部件，也是整個編程控制器的核心部分。I/O 接口用于對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行放大分析，并對起到干擾的無用信號進(jìn)行有效過濾，確保自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在PLC 自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，核心處理器和編碼器等器件都是經(jīng)由I/O 端口，通過周期性掃描循環(huán)來進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換。除此之外，在自動控制系統(tǒng)運(yùn)行期間，系統(tǒng)會按照用戶預(yù)先設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，如用戶不輸入其他指令，則系統(tǒng)會反復(fù)運(yùn)行預(yù)設(shè)程序，并掃描新程序，直至收到停止指令后，方停止工作。

（2）編碼器的設(shè)計(jì)。自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用脈沖編碼器更為實(shí)用，這種編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的編碼器，能夠?qū)⑽恢谩⑥D(zhuǎn)速等信號轉(zhuǎn)化為所需的信號，對于電脈沖信號也能有效兼容。雖然這種編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，但分辨率卻很高，并且具有較強(qiáng)的抗外界干擾能力。使用這種脈沖編碼器，可以有效克服長期以來關(guān)鍵器件依賴進(jìn)口產(chǎn)品的問題，大量降低使用成本。不僅如此，這種編碼器的應(yīng)用，對于系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的促進(jìn)作用也是不容小覷的。

（3）模塊化設(shè)計(jì)。不同的包裝機(jī)械有著不同的特性，為此，在自動化設(shè)計(jì)過程中也要充分考慮這一情況，根據(jù)包裝機(jī)械的實(shí)際情況來進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，各個模塊分別對應(yīng)不同的生產(chǎn)任務(wù)，利用現(xiàn)有的包裝機(jī)械，同時生產(chǎn)更多種類的包裝產(chǎn)品，不僅豐富了系統(tǒng)的多樣性和增加了系統(tǒng)的功能，還能充分滿足市場需求。

（4）氣動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動包裝機(jī)的氣動系統(tǒng)主要由一定數(shù)量的氣缸和電磁閥組成，縱封汽缸用來提供一定的氣壓，使縱封在到達(dá)指定位置后固定不動，對包裝紙進(jìn)行縱封處理；縱封牽引輪氣缸則用來推動牽引輪到達(dá)指定位置并在此位置保持固定；橫封氣缸用于推動橫封的運(yùn)動，有效減少包裝時間，并將連在一起的包裝袋快速切割為單體。而電磁閥主要分為送料電磁閥和分離電磁閥兩類，送料電磁閥用于輸送物料，分離電磁閥用來引導(dǎo)壓縮空氣吹入，使物料完全進(jìn)入預(yù)定區(qū)域，降低失誤。

（5）運(yùn)動控制設(shè)計(jì)。運(yùn)動控制設(shè)計(jì)是確保精準(zhǔn)控制包裝機(jī)械運(yùn)行的關(guān)鍵，對提高包裝機(jī)械的工作效率和精度都有著重要意義。為此，在運(yùn)動控制設(shè)計(jì)中，首要工作就是確保伺服電機(jī)能夠做到自我調(diào)節(jié)和修正，使伺服電機(jī)在一些特殊工況下仍能正常運(yùn)行。具體來看，在運(yùn)動控制設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，自動化技術(shù)作為控制的核心，要貫穿于整個工作流程當(dāng)中，自動化技術(shù)的使用能讓伺服電機(jī)具有改變自身運(yùn)動狀態(tài)的能力，從而增加伺服電機(jī)的運(yùn)行獨(dú)立性。除此之外，為了進(jìn)一步提高包裝機(jī)械的工作精度，可采用多軸編程法，進(jìn)一步提高包裝機(jī)械運(yùn)行的平穩(wěn)度，如此，其工作精度就得到了保證。在自動化包裝機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還需要注意的是，所編程序應(yīng)當(dāng)還具有記錄產(chǎn)品更新時間的能力，這對提高設(shè)備整體水平是很有幫助的。通過編寫相應(yīng)的程序代碼，可以實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械各個模塊之間的協(xié)調(diào)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)對各個模塊的同步自動化控制，有效降低產(chǎn)品誤差，提高包裝工作的效率和質(zhì)量。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）人機(jī)界面和觸摸屏的設(shè)計(jì)。在如今這個大數(shù)據(jù)時代，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出大數(shù)據(jù)技術(shù)的功能，使得人機(jī)界面能夠及時捕捉到設(shè)備運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)。在具體的設(shè)計(jì)工作中，仍可采用PLC 自動控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)精準(zhǔn)控制生產(chǎn)參數(shù)，在這種情況下，即使用戶更換了所生產(chǎn)的產(chǎn)品，也能夠最快速度地確定新的對應(yīng)措施。設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面時，要充分了解各種產(chǎn)品的實(shí)際情況，從而有針對性地體現(xiàn)工藝參數(shù)的自動化效果。一般來說，觸摸屏是最為常用的人機(jī)交互方式。觸摸屏能夠直觀顯示出用戶可以進(jìn)行的編程操作，用戶只需在觸摸屏上輸入想要的指令，就可以實(shí)現(xiàn)對包裝機(jī)械設(shè)備的控制和調(diào)整。具體來看，人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、手動控制、包裝計(jì)數(shù)和定量設(shè)置等多種功能，參數(shù)設(shè)定模塊用來控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及產(chǎn)品包裝參數(shù)；手動控制模塊主要用于控制薄膜的拉伸程度，使薄膜的形狀和尺寸滿足不同的包裝形式，還能控制切刀的運(yùn)行情況；包裝計(jì)數(shù)模塊則用于對包裝生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，其定量范圍可在設(shè)置中進(jìn)行更改。

（2）控制系統(tǒng)的處理結(jié)構(gòu)及其微調(diào)。在包裝機(jī)械自動化的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，往往會出現(xiàn)一些無法審核通過的產(chǎn)品，這就需要對這些產(chǎn)品進(jìn)行微調(diào)處理。微調(diào)處理是基于微處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，微處理結(jié)構(gòu)主要用于處理包裝生產(chǎn)過程中的一些隱患問題。如在包裝圖案的印刷中經(jīng)常需要調(diào)整標(biāo)識的位置，這就需要設(shè)計(jì)人員對處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，確保新的生產(chǎn)包裝圖案順利通過系統(tǒng)審核。

目前，隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展，包裝機(jī)械的自動控制系統(tǒng)的模式和功能也在不斷豐富，能夠充分滿足用戶的不同需求。用戶可根據(jù)自身的實(shí)際需求來選擇相應(yīng)的控制程序，進(jìn)行差異化包裝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動化的包裝生產(chǎn)。

4 自動化包裝機(jī)械的未來發(fā)展和展望

4.1 國內(nèi)包裝機(jī)械行業(yè)的未來發(fā)展趨勢

（1）提高包裝生產(chǎn)效率。隨著自動化技術(shù)在包裝機(jī)械行業(yè)中的推廣與應(yīng)用，使得相關(guān)的生產(chǎn)工序有了更為緊密的連接，各條生產(chǎn)線都能有序地開展生產(chǎn)工作，大幅度提高了包裝效率，減少了工作強(qiáng)度和工作時間。同時，自動化技術(shù)的應(yīng)用也降低了成本，讓包裝機(jī)械行業(yè)取得更多經(jīng)濟(jì)效益，反過來再推動包裝機(jī)械行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了良性循環(huán)。

（2）滿足產(chǎn)品包裝變更要求。在確保產(chǎn)品包裝質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對于產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)方面也不能忽視，應(yīng)當(dāng)盡可能滿足這方面的需求，力求完美。因此，在產(chǎn)品包裝的細(xì)節(jié)上要有適當(dāng)?shù)母淖儯@一改變在自動化包裝機(jī)械中是非常容易實(shí)現(xiàn)的。自動化包裝機(jī)械具有靈活的特點(diǎn)，能夠給予同一生產(chǎn)線上不同包裝的細(xì)節(jié)變更，也能夠降低包裝生產(chǎn)過程中的意外損耗。

（3）及時發(fā)現(xiàn)與排除設(shè)備故障。自動化的包裝機(jī)械在一定程度上具有自我發(fā)現(xiàn)故障并排障的能力。在此基礎(chǔ)上，一旦包裝機(jī)械在工作中出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)就會第一時間發(fā)現(xiàn)故障，并自動對故障進(jìn)行分析和排除，確保自動化包裝機(jī)械能夠繼續(xù)順利運(yùn)行。預(yù)計(jì)隨著未來人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該系統(tǒng)也將具有學(xué)習(xí)功能，從而有效地解決更多難以預(yù)見的運(yùn)行故障問題。

4.2 自動化包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路

（1）工藝流程自動化的進(jìn)一步提高。現(xiàn)階段，包裝機(jī)械的自動化程度仍然有待于進(jìn)一步提高，具體來看，可通過智能機(jī)械手的應(yīng)用來完成包裝過程中的一系列復(fù)雜動作，這對于設(shè)備靈活性的提高有著重要意義，能夠進(jìn)一步提高自動化程度，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上使生產(chǎn)效率變得更高。

（2）產(chǎn)品機(jī)械和包裝機(jī)械一體化。產(chǎn)品機(jī)械和包裝機(jī)械一體化也是提高生產(chǎn)效率的一個重要途徑，當(dāng)前，一體化工作所受到的阻礙主要來自于包裝機(jī)械的水平，為此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注重提高包裝機(jī)械的生產(chǎn)能力，從而解決兩種機(jī)械的匹配問題，實(shí)現(xiàn)二者一體化。

（3）提高包裝機(jī)械的柔性和靈活性。隨著包裝機(jī)械市場競爭的日趨激烈，包裝產(chǎn)品的迭代升級也在不斷加快。要確保包裝產(chǎn)品具有長期的競爭力，就需要包裝機(jī)械具有更強(qiáng)的柔性和靈活性，從而適應(yīng)產(chǎn)品多樣化的實(shí)際需要。與此同時，還需要確保新型包裝機(jī)械具有良好的經(jīng)濟(jì)性，使得新技術(shù)的應(yīng)用不會顯著增加生產(chǎn)成本。

4.3 自動化技術(shù)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用展望

整體來看，我們可在以下兩個方面對自動化技術(shù)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用進(jìn)行展望：第一，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)也會變得更為高效和智能，在包裝機(jī)械中將有著更廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的自動化技術(shù)也將得到進(jìn)一步發(fā)展和升級；第二，隨著“中國制造2025”的提出，包裝機(jī)械設(shè)備也將朝著更先進(jìn)的方向發(fā)展，其靈活性將不斷增強(qiáng)，對于生產(chǎn)過程中的各個細(xì)節(jié)都能進(jìn)行有效處理。

未來自動化技術(shù)在包裝機(jī)械中將有著更高的應(yīng)用價值，同時自動化技術(shù)也將與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，由此可見，自動化技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，自動化包裝機(jī)械也將迎來新的發(fā)展。

5 結(jié)束語

在今天，自動化早已成為包裝機(jī)械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，由于科技的不斷進(jìn)步，自動化包裝機(jī)械行業(yè)也在不斷發(fā)展，為了使自動化包裝機(jī)械行業(yè)始終處于領(lǐng)先地位，我們必須做到與時俱進(jìn)。要在自動化包裝機(jī)械行業(yè)及其衍生的行業(yè)等多個方面積極自主創(chuàng)新和實(shí)踐，不斷提升自動化技術(shù)水平。在相關(guān)領(lǐng)域可以采用“拿來主義”的做法，積極吸收國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)研究經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù)自身的實(shí)際情況，提高自動化技術(shù)在包裝機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用深度和廣度，使自動化技術(shù)在包裝機(jī)械行業(yè)中充分得到應(yīng)用，并不斷發(fā)展進(jìn)步。