飲料瓶全自動裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計

在飲料灌裝生產(chǎn)線上，裝箱機(jī)將飲料瓶按一定排列方式定量裝入箱中，稱之為二次包裝，其技術(shù)水平與自動化程度直接影響到整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，是飲料灌裝生產(chǎn)線上不可缺少的設(shè)備。

目前，國內(nèi)普遍使用連續(xù)往復(fù)式的四連桿全自動裝箱，其功能和形式較為先進(jìn)，但由于其運(yùn)行軌跡是弧線，所以抓、放瓶的準(zhǔn)確度不夠，特別是急停時抓瓶裝置會出現(xiàn)一定程度的擺動。

因此本文提出一種以平移導(dǎo)軌和雙軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行傳動，使得抓頭裝置按垂直和水平方向運(yùn)行，噪音小，效率高，抓、放瓶較準(zhǔn)確，并采用變頻器對輸送帶進(jìn)行變頻調(diào)速，以觸摸屏作為圖形操作終端，實現(xiàn)裝箱機(jī)的高自動化、柔性化，提高了可靠性、穩(wěn)定性、靈活性。

裝箱機(jī)系統(tǒng)組成與工藝流程

裝箱機(jī)的功能是取瓶裝箱，其機(jī)械總體機(jī)構(gòu)如圖1所示。1)輸瓶帶大量無序的瓶子由過渡擋板引導(dǎo)至輸瓶臺，經(jīng)過排瓶擋板后整齊的排列到抓頭正下方，以供取瓶；2)空箱由入口輸箱帶輸入預(yù)定數(shù)量，利用入口止箱器停止進(jìn)箱，包裝區(qū)前后止箱器實現(xiàn)對已入空箱的分組和定位，以供裝箱；3)雙軸伺服系統(tǒng)完成從輸瓶帶進(jìn)行抓瓶一充氣—雙軸升降平移一放氣一放瓶裝箱一返回輸瓶帶進(jìn)行下一輪抓瓶裝箱的周期過程。

圖1 裝箱機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為使得輸送效率得到提高，對瓶臺電機(jī)和輸箱帶電機(jī)實行多段調(diào)速。傳統(tǒng)裝箱機(jī)采用雙速電機(jī)實現(xiàn)快慢兩種速度的切換，隨著變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，本文改用變頻器十單速電機(jī)實現(xiàn)調(diào)速，這種取代使得裝箱機(jī)在改造過程中的調(diào)試更加方便，尤其在裝紙箱的改造方面，配合整機(jī)動作的柔性速度要求更加突出。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

對裝箱機(jī)的操作分為控制面板和人機(jī)界面的操作。對于控制電壓、自動、手動、原點、復(fù)位等重要操作，設(shè)計在控制面板上進(jìn)行按鈕操作，對于手動操作中具體功能的操作在人機(jī)界面中執(zhí)行。

1初始化子程序

初始化操作包括各軟元件恢復(fù)到初始值、異常狀態(tài)的檢測、伺服定位模塊的運(yùn)行參數(shù)的初始設(shè)置、前等位的設(shè)定、當(dāng)前抓頭位置的讀取等。

2原點回歸程序

本文不采取限位開關(guān)處作為原點，而是在預(yù)定原點位置（輸箱帶正上方y(tǒng)軸最高點處為原點，也稱前等位）設(shè)置光電開關(guān)作為近點信號DOG，然后進(jìn)行DOG搜索完成原點回歸。由于原點回歸位置不同，原點回歸動作也相應(yīng)不同。具體情況如圖2, 3所示。

圖2  原點回歸不同位置示意圖

圖3  原點回歸動作流程圖

3自動運(yùn)行程序

自動過程配合光電檢測系統(tǒng)完成從輸瓶一抓瓶一裝箱一輸箱一回程整個周期的全自動運(yùn)行，并包括各種異常出現(xiàn)的自動處理和箱少自動補(bǔ)箱。自動流程圖如圖4所示。

圖4  自動流程框圖

3.1雙軸轉(zhuǎn)角處運(yùn)行控制設(shè)計

本系統(tǒng)中垂直軸完成抓頭的升降，水平軸完成抓頭在輸瓶帶與輸箱帶問的行走，兩軸為相互獨立運(yùn)行。不過當(dāng)單軸運(yùn)行到轉(zhuǎn)角處時會對導(dǎo)軌產(chǎn)生一定的沖擊，而且轉(zhuǎn)角處動作不連貫，影響機(jī)床的穩(wěn)定性。因此本文仿照最小偏差法原理，在轉(zhuǎn)角處對兩軸進(jìn)行仿圓弧插補(bǔ)，增強(qiáng)運(yùn)動平穩(wěn)性和柔性。

圖5抓頭狀態(tài)為已充氣抓瓶，并沿Y軸向后等位正程運(yùn)行。當(dāng)經(jīng)過Y正處時，X軸電機(jī)開始啟動，向前等位運(yùn)行;當(dāng)X軸運(yùn)行至X正處時，Y軸開始啟動，開始向前終位運(yùn)行，從而在轉(zhuǎn)角處兩軸進(jìn)行順利過渡。

圖5 仿圓弧插補(bǔ)示意圖

3.2空箱自動定位

在輸箱帶上設(shè)置圖6所示6個光電開關(guān)，配合三個止箱器完成對六個空箱進(jìn)行分組及定位。其中光電開關(guān)5與入口止箱器7之問的距離為5.5個箱長，光電開關(guān)6與后止箱器的距離為2.5個箱長。

圖6 空箱定位示意圖

當(dāng)入口箱帶輸入5.5個空箱時，光電開關(guān)5被遮時，此時落下入口止箱器7，依靠慣性6個空箱進(jìn)入包裝區(qū);當(dāng)光電開關(guān)6被遮時，同時豎起前后止箱器，前止箱器擋住空箱，后止箱器完成分組，從而完成空箱的自動分組及定位。光電開關(guān)1234分別檢測空箱的排列狀況。

觸摸屏GOT畫面設(shè)計

GOT（圖形操作終端）是指在畫面上實現(xiàn)以往操作盤所進(jìn)行的開關(guān)操作、指示燈顯示、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸入、信息顯示等的電子操作盤。根據(jù)實際生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)主要包括以下四種畫面：操作界面、監(jiān)視界面、設(shè)定界面、操作指南。

1操作畫面

利用GOT中的開關(guān)對象，通過設(shè)置PLC相應(yīng)的位軟元件實現(xiàn)系統(tǒng)所有所需功能的操作。操作畫面中除設(shè)置控制面板的操作外，增設(shè)了裝箱機(jī)各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，極大提高了GOT的交互性。

圖7 GOT操作畫面

2監(jiān)視界面

利用GOT中的指示燈、數(shù)值顯示對象與PLC的軟元件（位、字)相對應(yīng)完成系統(tǒng)的顯示功能。

本系統(tǒng)主要完成包括伺服報警、變頻報警、安全光柵、限位開關(guān)、急停等各種異常狀況的顯示，通過設(shè)置指示燈ON/OFF顏色顯示方式來反映各種狀態(tài)的變化，并監(jiān)視當(dāng)前抓頭位置、速度等運(yùn)行參數(shù)。

3設(shè)定界面

設(shè)定功能是GOT不同于操作盤的重要功能。利用GOT中數(shù)值輸入對象設(shè)置對應(yīng)PLC軟元件（位、字)，實現(xiàn)系統(tǒng)的位置、速度、時問等運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。

圖8 GPT設(shè)定界面

考慮到市場對包裝的需求變化，飲料的瓶型和包裝箱型會有所改變，可通過設(shè)定界面對PLC控制程序中的瓶型箱型參數(shù)進(jìn)行修改，提高了裝箱機(jī)的靈活性和適應(yīng)性。

畫面的制作是在PC機(jī)上運(yùn)行專用軟件GT Designer2行設(shè)繪的，繪好后下載到GOT中。然后編制PLC程序?qū)OT畫而內(nèi)容與控制程序結(jié)合起來。