新型紙箱包裝機的設計分為結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)設計二個方面。本文采用用模塊化設計思想，分別設計了運輸組件、下折頁折合組件、裝貨傳送組件、上折頁折合組件和紙箱整體封裝組件。并將包裝機在空間結(jié)構(gòu)上劃分為A(下折頁折合工位)、B（傳送貨物工位）、C（上折頁折合工位）D（整體封裝工位）4個工位，工位平面圖如圖1所示。紙箱包裝機4個組件的機構(gòu)劃分、工位劃分、組件功能如表1所示。在包裝機控制系統(tǒng)中介紹了紙箱機的基于PLC的執(zhí)行元件控制系統(tǒng)設計、位置檢測裝置原理介紹和控制系統(tǒng)的軟件設計：人機交換界面。
圖1 工位示意圖
表1 組件劃分表
新型紙箱包裝機四個組件的空間關(guān)系：下折頁折合組件和上折頁折合組件成列設置，紙箱整體封裝組件和裝貨傳送帶分別設置在上折頁折合組件的兩側(cè)；下折頁折合組件和上折頁折合組件的上方設置有運輸組件。本文應用CATIA軟件對紙箱包裝機的上述多個模塊進行三維造型設計。
圖2 運輸組件示意圖
1,2.電磁繼電器 3,4.滑塊 5,6.滑槽 7,8.索道 9,10.線圈
圖3
圖4 下封裝示意圖
1.紙箱 2.滾軸 3.滑塊 4.凸輪 5.膠帶
2.1 運輸組件設計
在紙箱包裝機中運輸組件主要實現(xiàn)運輸紙板、傳遞紙箱的作用。其中運輸組件包括滑槽、滑塊、電磁繼電器、索道等關(guān)鍵構(gòu)件，如圖2所示。通過電磁繼電器實現(xiàn)紙箱的夾合，從而將紙箱固定；將電磁繼電器與滑塊連接，通過牽引鋼絲線連接使滑塊在滑槽上運動，進而帶動紙箱在預先設計好的軌道上運動。本文所設計的紙箱包裝機的運輸方式有別于傳統(tǒng)的“真空吸盤+液壓”的模式，而是采用“電磁繼電器+索道”的模式。與傳統(tǒng)模式相比較該種運輸方法不僅對于紙箱、紙板的運動控制更加靈活準確，而且大幅度減少了包裝機生產(chǎn)的成本。
2.2 下、上折頁折合組件設計
折頁折合作為紙箱包裝機的核心功能，其折頁折合效果直接影響包裝質(zhì)量。為了保證高效、可靠的折疊效果，本文所設計的紙箱包裝機采用齒輪齒條作為折頁折合的執(zhí)行機構(gòu)。其中下折頁折合組件包括端折頁折合組件和兩個側(cè)折頁折合齒條；兩個側(cè)折頁折合齒條分別設置在端折頁折合組件的兩側(cè)；端折頁折合組件包括氣壓桿、端折頁折合齒條和斜板；氣壓桿和斜板相對設置，斜板用于折合紙箱一端的下折頁，壓桿上設置有端折頁折合齒條，氣壓桿能夠帶動端折頁折合齒條升降，用于折合紙箱另一端的下折頁。同理包裝機上折頁折合組件結(jié)構(gòu)與之相似。為了更好地完成折頁折合，在上折頁折合組件加裝齒輪齒條機構(gòu)作為限位功能使用。該種折頁折合模式與傳統(tǒng)“液壓、氣動推桿”折合模式相比，不僅可以減少折頁折合過程中紙箱所受的沖擊，還可以限制紙箱移動的位置。由此可知：此種折合方式可以平穩(wěn)、高質(zhì)量地完成折頁折合。上、下折頁折合組件三維造型，如圖3所示。
2.3 整體封裝組件設計
整體封裝組件是紙箱包裝機最后的環(huán)節(jié)，主要實現(xiàn)將已折疊完成的紙箱用膠帶封口的過程。其中整體封裝組件由上封裝組件和下封裝組件主成，二者設計原理相同。下封裝組件由：膠帶、滑塊、凸輪和多個滾軸組成；多個滾軸平行設置，膠帶設置在前端的第一滾軸上，膠帶抻出的膠帶頭反向搭放在后方的第一滾軸上，膠帶頭的下方設置有凸輪，凸輪上設置有滑塊，滑塊設置有鋸齒，凸輪能夠帶動滑塊升降，用于在下折頁固定前將膠帶頭粘到紙箱的端面上，在下折頁固定后切斷膠帶。經(jīng)過封裝組件巧妙設計避免了傳統(tǒng)的熱封模式。該種封裝模式結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高。整體封裝組件的下封裝示意圖如圖4所示。
經(jīng)過上述4個模塊和其余零部件的三維結(jié)構(gòu)設計后，應用CATIA軟件進行零部件裝配，裝配后得到新型紙箱包裝機的三維立體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
圖5 新型紙箱包裝機三維立體圖
新型包裝機的控制系統(tǒng)主要包括由可編程控制器（PLC）組成的執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)、包裝機運行位置檢測裝置、應用Visual Basic軟件編寫的人機交換界面組成。其中執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)和位置檢測裝置屬于控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，人機交換界面屬于控制系統(tǒng)的軟件設計。
3.1 基于PLC的執(zhí)行元件控制系統(tǒng)設計
PLC是計算機技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是近年來發(fā)展最迅速、應用最廣泛的工業(yè)自動化控制裝置之一。在包裝機電控部分的設計中,考慮到包裝機運作復雜,傳感器多,干擾大,而PLC具有可靠性高、控制功能強、編程方便等優(yōu)點,本文采用可編程控制器作為其主控制器[5]。本文選用可編程控制器的型號為FX2N-48MR,并選用AC電源、DC24V電源輸入以及繼電器輸出。其中FX2N-48MR是三菱公司研制的可編程控制器(PLC)，繼電器輸出及輸入24點,FX2N是FX系列中功能最強、速度最高的微型PLC，內(nèi)置用戶存儲器8 kB，可有多種特殊功能擴展，實現(xiàn)多種特殊控制功能(PID、高速計數(shù)、A/D、D/A、等)。該型PLC因其具有高速處理的功能，所以可以精準控制有關(guān)執(zhí)行元件的運動。系統(tǒng)硬件配置包括PLC、磁性開關(guān)、光電開關(guān)、電磁繼電器、電機舵機驅(qū)動模塊、伺服電機控制器、伺服電機、舵機、減速電機等組成，其控制原理由圖6所示。采用PLC及其相關(guān)部件組成紙箱包裝機的控制系統(tǒng)不僅可以高效、便捷實現(xiàn)各個組件的連續(xù)運動，而且易于判斷、查找紙箱包裝機所發(fā)生的故障。
本文所設計的新型紙箱包裝機因其各個組件之間相互獨立，所以在包裝機控執(zhí)行元件制系統(tǒng)的設計分為兩級，第一級系統(tǒng)負責控制各個組件的啟動、暫停;第二級控制系統(tǒng)負（子系統(tǒng)）責控制所在組件中執(zhí)行元件的啟動、暫停。在控制方式上，本文通過行程控制與時間控制相結(jié)合的控制方式，可以實現(xiàn)執(zhí)行元件的精準控制。以運輸組件的第二級控制系統(tǒng)為例介紹子系統(tǒng)的控制原理。G1為運輸組件的可編程控制器（PLC)，G1通過D1、D2分別連接第一級可編程控制器（PLC）、檢測開關(guān)，A1、A為相應電機參數(shù)設置，B1、B2為相應的電磁繼電器參數(shù)設置。運輸組件的控制原理如圖7所示。
3.2 包裝機運行位置檢測裝置原理介紹
圖6 控制系統(tǒng)原理圖
圖7 運輸組件控制原理圖
圖8 紙箱包裝機人機交換界面
新型紙箱包裝機除了由可編程控制器（PLC）組成的執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)，還需紙箱運行位置檢測裝置。位置檢測裝置主要用于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)，檢測裝置通過直接或間接測量檢測出執(zhí)行部件的實際的位移量，然后反饋到數(shù)控裝置，并與指令位移進行比較，如果有差值，就發(fā)出運動控制信號，控制執(zhí)行元件向消除該差值的方向移動。不斷比較指令信號與反饋信號，然后進行控制，直到差值為0，運動停止。該檢測裝置是根據(jù)伺服電機旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生反饋信號，伺服電機在伺服控制器的控制下進行開閉環(huán)。在進行包裝機包裝運行位置檢測設置中，只要通過應用編碼器中的專用接口，將主編碼器中的數(shù)據(jù)傳送到全自動高速紙箱包裝機控制系統(tǒng)運動控制器中，就能夠通過運動控制器中的數(shù)據(jù)反映出紙箱包裝機的包裝運行位置，從而進行包裝設置與監(jiān)測。
3.3 控制系統(tǒng)軟件設計
為了更友好地進行人機交互，方便編程人員和操作人員調(diào)試和監(jiān)控，控制系統(tǒng)除PLC電子運動控制部分外，還需人機交換界面程序。合理的人機交換界面可以提高紙箱包裝機操作舒適性與效率。其中人機交換界面應用Visual Basic軟件進行設計，界面主要包括：控制包裝機的啟動與暫停、包裝數(shù)量與速度的選擇等內(nèi)容。紙箱包裝機的人機交換界面如圖8所示。
本文應用CATIA軟件設計了紙箱包裝機的三維立體結(jié)構(gòu)，介紹了該機械的控制系統(tǒng)的硬件組成和控制原理。經(jīng)實驗表明：本文所設計的包裝機械具有多用途化，能夠滿足不同場合的實用需要；紙箱包裝效果良好，能夠完成折頁折合、膠帶封口等過程。在進行紙箱包裝試驗后仍存在如下問題：
1）若調(diào)換紙箱規(guī)格，包裝效果不理想;2)在包裝機連續(xù)工作的情況下易發(fā)生卡死現(xiàn)象。