基于PLC的自動整形封箱機設計

張 銳， 汪志鋒， 徐 潔

(上海第二工業大學 智能制造與控制工程學院， 上海 201209)

近年來，市場對非重復充裝焊接鋼瓶的需求逐年增加。自動化包裝碼垛生產線憑借其高效的包裝碼垛方式，在生產企業中應用也越來越普遍。自動封箱機作為自動化包裝碼垛生產線的重要組成部分，其在整線協作過程中運行的穩定性和可靠性成為保證整條生產線正常生產的關鍵因素[1]。但在實際生產中發現傳統設備容易出現2類問題：①由于紙箱規格難以做到均一，并且裝有鋼瓶的箱體在生產線上流轉過程中箱體容易受到擠壓，這些因素可能會造成封箱后的箱體變形較大，甚至紙箱上蓋邊緣出現突出錯位，無法達到包裝質量標準，造成大量返工，浪費人力物力[2]；②由于傳統的封蓋機普遍采用傳送帶或傳送鏈板的方式輸送紙箱，紙箱的輸送速度與封箱機內執行機構的執行節拍難以適配，一旦輸送速度高于執行速度就容易形成紙箱聚集，造成設備故障[3]。上述問題的出現主要是由于缺少封箱后的箱體整形，致使最后的包裝效果隨紙箱規格不同而差異性顯著。趙漢雨等[4]針對封箱設備控制系統提出了基于PLC對包裝機進行控制；閔杰等[5]針對箱體轉送提出了一種自動夾箱方法。針對上述問題并結合其他學者的研究[6-12]，課題組提出一種用于鋼瓶自動化包裝碼垛生產線的自動整形封箱裝置。

1 總體方案設計

1.1 自動整形封蓋機基本結構

自動整形封蓋機主要由機架、前推機構、上方合蓋機構、上方噴膠機構、上方封蓋機構和紙箱整形機構組成，基本結構如圖1所示。

圖1 自動整形封箱機的結構

1.2 工藝流程

紙箱上蓋未封蓋前位于封箱機的入口處，其前、后、左、右4個折頁均處于豎直打開狀態。當紙箱進入封蓋機后，在前推機構的推送下，依次在合蓋工位上實現前、后折頁的閉合，在噴膠工位上實現內箱蓋表面的涂膠作業，在封蓋工位上實現左、右折頁的閉合，最后進入紙箱整形工位進行箱體外形規整。封箱及整形工藝流程如圖2所示。

圖2 封箱及整形工藝流程

1.3 系統設計

整形封箱設備主要由機械系統、氣動系統和控制系統3個系統組成。其中，控制系統主要是基于光電傳感器實現對有無紙箱狀態信號的采集輸入。PLC接收到輸入信號后通過控制程序進行邏輯判斷并輸出相應的控制信號給各功能單元。該設備的功能單元主要是由氣動系統和機械系統復合構成的，這些功能單元分別對應著封蓋機前推機構、上方合蓋機構、上方噴膠機構和上方封蓋機構，上述機構通過氣缸進行驅動。而紙箱整形機構屬于單一機械機構，主要由流利條和彈簧組成，紙箱進入整形工位，流利條在彈簧的壓力下頂住紙箱側壁和上表面達到以外力修正紙箱外形的目的。

機械系統、氣動系統和控制系統協同作業實現封蓋及整形的功能。具體的配合實現過程如下：當紙箱進入合蓋工位，該工位上的光電傳感器檢測到紙箱并將信號輸入PLC，PLC根據控制程序向上方合蓋機構發出合蓋指令實現內箱蓋前、后折頁閉合；上方合蓋機構完成動作后發送信號給PLC，PLC收到信號后向前推機構發送動作指令，紙箱在前推機構的推送下進入噴膠工位，該工位上傳感器檢測到紙箱流入反饋給PLC，PLC發送指令給噴膠機構實現箱蓋表面的打膠作業；隨后在前推機構推送下進入封蓋工位，封蓋工位上的光電開關感應到紙箱后向PLC發送信號，PLC處理后給封蓋機構發送指令，封蓋機構將紙箱外箱蓋閉合，最后前推機構推送紙箱進入整形工位，進一步對紙箱進行外形規整，確保封箱質量一致。

2 功能單元設計

2.1 前推機構設計

紙箱前推機構主要負責完成紙箱在封箱機內部的推送轉移任務，實現紙箱在不同工位之間的流轉。前推機構主要由推板、橫移氣缸、縱移氣缸、滾筒線、止擋氣缸和直線導軌等構成。其中，橫移、縱移氣缸和推板構成了一個運動機構，可以在x方向和y方向的導軌上實現滑移。前推機構的主要結構如圖3所示。

圖3 前推機構結構

當紙箱被物料輸送帶輸送到封箱機入口處時，滾筒線側邊固定的光電傳感器會感應到箱體，隨即紙箱前推機構執行推箱動作。其中，橫移氣缸首先驅動運動機構整體沿導軌向-y方向滑移，運動機構整體到達限位開關處停止；同時，縱移氣缸沿導軌向-x方向動作，到限位后停止，隨即橫移氣缸往y方向動作，此時縱向氣缸上固定的推板將推動紙箱進入下一工位。由于每一個工位上都裝有一個光電傳感器，當觸發光電傳感器被觸發，滾筒線側邊止擋氣缸就會伸出將紙箱截停限位。紙箱前推機構隨即退回原位繼續執行前述規定流程動作，如此循環。通過紙箱前推機構對單個紙箱的推送可以有效避免紙箱無秩序密集的進入封箱機。

2.2 上方合蓋機構設計

上方合蓋機構主要實現對紙箱上蓋的前、后折頁進行閉合的功能，同時確保左、右折頁處于打開狀態。上方合蓋機構主要包含后箱蓋打塊、前箱蓋曲面擋板、保持桿和伸縮氣缸等。上方合蓋機構的主要結構如圖4所示。當箱體通過前推機構的推送到達合蓋工位后，滾筒線側邊的光電開關檢測到箱體已到位，而在紙箱被推送的運動過程中，上方合蓋機構中的前箱蓋曲面擋塊已經將前折頁閉合，伸縮氣缸在接收到PLC的運動指令后執行收縮氣缸動作，帶動后箱蓋打塊將箱蓋后折頁也閉合，然后兩根保持桿壓住剛剛閉合的前后折頁確保前后折頁始終處于閉合狀態。

圖4 上方合蓋機構結構

2.3 上方噴膠機構設計

上方噴膠機構主要用來對紙箱上蓋中已閉合的前后折頁表面進行打膠。噴膠機構主要由膠槍保護罩、膠槍固定桿、限位傳感器、圓柱導軌和往復氣缸等組成。其中熱熔膠槍是安裝固定在膠槍固定桿上，隨往復氣缸一起在圓柱導軌上做往復運動，每次到達限位傳感器處則停止。上方噴膠機構的結構如圖5所示。紙箱在上方合蓋機構工位完成紙箱前后折頁閉合工序后被前推機構推送至噴膠工位。在噴膠工位上，往復氣缸帶動膠槍在紙箱上方進行往復運動，往復運動過程中膠槍在紙箱內折頁上表面噴涂4條并行膠線。往復氣缸的動作頻次與滾筒線側的傳感器感應到紙箱的頻次一致，即每進一個紙箱，往復氣缸單方向動作一次。

圖5 上方噴膠機構結構

2.4 上方封蓋機構設計

上方封蓋機構主要負責對已經噴涂過熱熔膠液的紙箱進行左、右折頁閉合的任務，通過控制兩對稱伸縮氣缸動作帶動外箱蓋打桿放下合攏將箱蓋左右折頁閉合，實現紙箱上蓋的完全閉合。上方封蓋機構主要包含外箱蓋打桿、伸縮氣缸和固定支承座等，基本結構如圖6所示。當紙箱在打膠工位完成打膠作業后，趁著內箱蓋前后折頁上的膠體尚未凝固，立即對其進行最終的封蓋處理。箱體在被推送到封蓋工位后觸發滾筒線側邊的光電傳感器，PLC在接收到輸入信號后隨即發出封蓋信號給上方封蓋機構，對稱的伸縮氣缸伸出，推動外箱蓋打桿壓下，使紙箱的左右折頁閉合，完成紙箱的最終封箱工序。但此時紙箱普遍會出現折頁未對齊，甚至折頁冒邊等不符合包裝標準的情況，所以在后續還有紙箱整形工序。

圖6 上方封蓋機構結構

2.5 紙箱整形機構設計

紙箱整形機構主要起到對已經完成打膠并封箱后的箱體的上箱蓋表面壓緊固定的作用，同時結合側邊的彈簧流利條對箱體外觀進行一定的輔正。紙箱整形機構與前述的幾個功能單元不同，它屬于單一的機械結構，在復雜的工況下具有較高的可靠性和實用性，主要由流利條、彈簧和固定連接桿等組成。紙箱整形機構的結構如圖7所示。當箱體完成最終封箱作業后，內箱蓋和外箱蓋之間的熱熔膠液體尚未冷卻凝固，并且在封蓋工位上內外箱蓋之間并非緊密接觸，之間的膠體也未充分勻開，如果不采取一定措施，可能會出現因為粘連不牢而折頁打開的情況，因此這里需要借助一定的外力壓實紙箱頂部箱蓋。同時考慮到紙箱在推送過程中存在被推板擠壓變形的情況，所以通過側邊彈簧加壓流利條對紙箱整體進行整形輔正。至此該封蓋機的所有工序才執行完畢。

圖7 紙箱整形機構結構

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件選擇

自動整形封箱設備的控制系統的主控元件PLC為基恩士KV-Nano系列KV-N24AR，有14點輸入，10點繼電器輸出。檢測元件選用的是歐姆龍的E3JK-RR11-C光電傳感器。

3.2 PLC控制系統

PLC接收來自傳感器或者按鈕的輸入信號，然后在PLC中綜合分析輸出控制指令驅動電磁閥進而控制氣動系統，或判斷設備故障時觸發聲光報警器。PLC系統控制框圖如圖8所示。

圖8 PLC控制系統框圖

3.3 系統控制流程

自動整形封箱機的自動控制系統是基于設備上的光電傳感器、氣缸上的磁性開關等信號輸入元件和各種電磁閥等動作元件所設計的，設計時考慮到實際生產環境下設備還需要進行調試和維修，所以引入了手動模式和自動模式進行設備控制，控制流程如圖9所示。

圖9 控制流程圖

4 結語

課題組設計的全自動整形封箱機主要應用在包裝碼垛生產線中，作為包裝自動化的配套設備，通常與入箱機和打內扣機配合構成自動化包裝生產線。文中詳細介紹了該設備的總體方案、主要功能單元和控制系統。該設備在傳統封箱機基礎上增加了紙箱整形機構，解決了箱體的變形問題，提高了包裝質量；同時該設備解決了傳統設備在紙箱傳輸過程中由于執行機構與傳送機構速度難以適配造成紙箱堆積的問題，提出了一種采用橫移氣缸和縱移氣缸配合推動箱體在滾動線上移動的方式，并采用止擋氣缸精確限定紙箱位置，實現了每個紙箱單次只能占據一個執行工位，避免了多箱體同時占據一個工位，達到了有序封箱的目的。