基于PLC 控制的片料型自動打包系統設計

王莞媞

（南京農業大學，江蘇 南京）

目前，針對粉體物料和塊粒狀物料都有成熟的自動打包體系，而片料產品由于脆性較高，質地不均勻等問題，針對其設計的自動打包系統少有研究涉及，因此硫磺片等片料包裝成袋仍以手工線和半自動線為主要形式[1]。但由于人工作業速度和精力的有限性，生產過程中經常伴隨著工序交叉，多次補償等失誤，造成打包質量參差不齊，效率低下等問題。為節約人力資源，增加企業效益，符合綠色制造的發展導向，本文設計了一種針對硫磺等片型物料的自動打包系統，能實現自動給袋、開袋、填充物料、稱重并除塵、封口并整形輸出等功能，并采用柔性螺旋下料的方式以保護脆性物料的完整性，對提升企業生產效率，打造綠色工作環境具有重要意義。

1 系統總體設計

總體根據片料型產品的實際包裝生產作業步驟設計初步包裝方案，綜合ECRS 原則結合片料產品的物化特性進一步設計優化包裝系統。根據功能的不同將整個系統劃分為不同單元并對應設置六個工位，如圖1 所示。其中，供袋單元負責包裝袋的吸取分離；開袋單元負責張開包裝袋；送料單元負責物料的填充、稱重和除塵。為使物料均勻輸送，保護物料的同時減少料口堵塞現象，設置粗裝和精裝兩個工位進行充料。封裝單元負責包裝袋的密封和整形輸出，設置預處理工位對包裝袋進行排氣并暫時性密封，隨后在封袋工位處進行縫口處理，最后整形落袋輸出。根據六個工位所處位置和角度，分別對應設置六個繞主軸旋轉的的袋架。主軸設計為鑿有減重孔的回轉一體式單軸，節約了直線式生產中的中轉時間和占地空間[2]。整個系統主要基于靈活度高，可靠性強的PLC 系統實現自動控制，同時利用傳感器和伺服電機完成信號的輸入轉化和機械的驅動。

圖1 多工位回轉式片料自動打包系統

2 關鍵單元設計

2.1 供袋單元

系統在供袋工位設計可調式供袋倉，主要由臥式供袋平臺、導桿、氣缸、吸盤和多關節機械臂組成。工作原理是在臥式供袋平臺上水平預置包裝袋，由底部推桿上頂實現預制包裝袋的更新和傳送，以此最大限度地節約儲袋空間[3]。多關節機械臂設計為自由度為三的直角坐標系結構，通過機械臂的伸縮，旋轉和升降運動，從臥式供袋平臺上精準提取包裝袋，對接完成后逆時針旋轉90 度再傳送至開袋機構。

2.2 開袋單元

系統在開袋工位采用多吸盤夾板和撐桿張袋裝置雙重保障開袋。選用對不同材質的包裝袋吸附能力均較強的波紋性吸盤并排組裝成吸盤夾板[4]。當包裝袋傳入開袋工位，吸盤夾板基于真空吸附的原理打開包裝袋，并通過在送料單元和開袋單元之間循環往復運動的開袋撐桿插入包裝袋兩側，保持袋口的張開工況。

2.3 送料單元

送料單元是整個包裝系統中的核心單元。為節約空間，減少運輸中轉工序，提高包裝效率，設計合并送料，除塵，稱重功能的一體式給料機構。考慮到片料型產品的易碎性，傳統的振動送料和螺桿送料不再適用，故將螺旋運輸和傳送帶運輸的基本原理相結合，采用帶面較寬的螺旋帶垂直下料，如圖2 所示，可降低傳統管道輸送法因重力擠壓造成片料破碎的風險。下料時隨著螺旋葉片不斷推進物料，若直接利用變頻器驅動伺頻電機降低出料口的螺旋葉片轉速，會使不同段的物料密度不均，引起出料口堵塞或物料破碎等問題[5]。因此將送料單元拆分為粗裝和精裝兩個過程。當充料達到80%之后，粗裝工位停止下料，包裝袋傳至精裝工位繼續喂料。這種連續快速下料和低速補償下料相結合的方式能夠提高讀取的精準度，最后以傳感器作為PLC 的輸出信號，當達到所預設的規定重量時，停止送料，通過運輸帶傳送到封袋機構。

圖2 柔性螺旋帶結構

結合片型物料的物化特性，制定螺旋給料機構的參數設計方案[6]。

（1） 給料量：螺旋給料量是評估送料機構性能的重要參數，與物料密度、填充率、螺距、葉片外徑、螺旋軸轉速等參數有關。給料量由經驗公式（1）結合實際需求確定。

式中：

Q-送料機構的輸送量（t/h）；λ -傾斜輸送系數；D-螺旋外徑（m）；S-螺距（m）；n-螺旋轉速（r/min）；φ -填充系數；ε -物料的單位容積質量（t/m3）。

（2） 填充系數：填充系數直接影響到物料的輸送效果和系統能量消耗。若填充系數過大，造成送料過程中物料滑移面陡峭，不僅給料的效率和精度都會受影響，而且能量損耗大。因此一般填充系數φ不宜超過0.5[7]。而對于片狀硫磺，根據對其質量、磨琢性、流動性的判定選取φ=0.25。

（3） 螺旋軸轉速：螺旋軸轉速過大會使物料受到離心力作用產生附加料流，從而阻礙物料的軸向移動，因此轉速不宜過高，需要結合結構參數和輸送物料的特性來確定。螺旋輸送的轉速由經驗公式（2）給出：

（4） 螺旋帶直徑

對于片料塊料的輸送采用帶式螺旋面，螺旋帶的直徑是影響輸送效率的重要因素。螺旋帶直徑可由公式（3）給出。

式中，K 為物料綜合特性系數，對于片狀硫磺，可取K=0.2。

片狀產品在切片下料過程中會產生粉體揚塵現象，粉塵的不斷積累不僅危害人體健康，達到一定量級后甚至有發生粉塵爆炸的風險。因此在出料口增設除塵罩配合自適應式升降底盤凈化環境，具體的工作原理為：已張口的包裝袋裝載在承重底盤上，底盤隨著袋中片料高度的不斷上升而緩慢下降，同時通過除塵排氣裝置進一步收集逃逸粉塵，減少粉塵外逸的同時，也適當縮小包裝袋的體積，方便運輸[8]。

2.4 封裝單元

封裝單元主要完成排氣、封包和落袋輸送工藝。在預封裝工位上對袋口進行排氣處理，使袋口暫時性處于封合狀態，再運往封袋工位進行。由于大體量包裝所用編織袋不宜使用封口強度較小的熱縮封口，因此采用縫包工藝進行封袋。

3 PLC 程序設計

3.1 供袋、開袋單元程序設計

供袋單元主要用于提取臥式供袋平臺上預置的包裝袋送入開袋單元。正常運行時，附有吸盤的導桿氣缸從平臺上吸取分離出單個預置包裝袋，隨后通過PLC 控制多關節機械臂精準夾取包裝袋，進行旋轉，伸縮使包裝袋傳入對應的供袋袋架，移至開袋工位，導桿氣缸下移準備吸取下一個包裝袋。開袋單元結合吸盤吸附和撐桿插袋的方式保證順利開袋。首先，多個波紋型吸盤組成的吸板在距袋口10 cm 處橫向拉開包裝袋，其次，由回轉式單軸頂部齒輪上傳動桿控制的張袋撐桿對準袋口兩側插入，使包裝袋保持張開工況再移向下一工位，充料完成后，傳動桿控制撐桿轉回開袋工位預備開袋。整個供袋、開袋流程程序圖如圖3 所示。

圖3 供袋、開袋流程程序圖

3.2 送料單元程序設計

送料單元主要用于完成物料的充填、稱重和出料口的除塵。首先進行粗裝充填任務，承重底盤裝設壓電式傳感器，以承載重量作為輸入信號反饋至傳感器，使底盤隨著袋內物料高度的上升而緩慢下降。當達到預設重量的80%時，張袋撐桿回轉，而包裝袋移向精裝工位完成余下部分的慢速充填，流程程序圖如圖4 所示。

圖4 送料流程程序圖

4 結論

本文針對片料本身含脆性、質地不均勻、易產生粉塵污染等問題，設計了一種基于柔性螺旋下料的綠色化自動打包系統。整個系統以回轉一體式單軸作為主軸聯接六個袋架對應六個加工工位，螺旋帶的設計最大限度的保證了輸送時片料的完整性，承重底盤配合袋內物料高度下降有效減少粉體揚塵現象。通過發展成熟的PLC 進行控制，實現供袋、充料稱重、除塵排氣、封裝落袋等功能，包裝效率和質量均顯著提高，同時有利于保護工作環境，為現階段片料包裝過程中自動化不足，包裝線魯棒性較低等問題提供了切實可行的解決方案。