基于PLC的自动贴标封箱机设计

0 引言

我国物流行业发展迅速，现已成为保障和改善民生的重要领域［1］。随着物流业的市场需求持续扩大，物件纸箱包装自动化需求也愈加强烈，纸箱自动包装行业有了前所未有的发展机遇［2］。纸箱包装是物流业的重要环节，其包装质量与终产品质量有着密不可分的联系，胶带封箱是纸箱包装的重要一环；同时标签已成为商品的重要组成部分，承载着商品的重要信息，贴标签已经成为产品生产线上不可或缺的一道工序［3］。目前国外的包装机械功能较完备，他们将现代高新技术与机器相结合，极大提高了机器的智能化、自动化程度，但是造价高昂，维护费用高；国内的包装机械起步较晚，技术水平、智能化、成套性、创新性等方面还存在较大的差距，其中封箱机大多数为包装流水线、占地空间大、价格昂贵、操作复杂［4-6］。中小企业缺少紧凑、便捷的纸箱封箱贴标机［7-8］。随着机电一体化技术的不断进步，对包装机的生产效率、稳定性以及可靠性提出了更高的要求，如何实现包装机的智能化、自动化以及功能多样化已成为国内外包装机研究重点［9-12］。基于上述原因，针对纸箱包装工艺流程的特征，研究并设计一种结构精巧、机电气一体、功能完备、操作稳定、性价比高的封箱贴标一体机，缩短纸箱包装贴标用时，提高物流链传递效率，减轻人工的劳动强度，具有一定的经济效益和社会效益［13］。

1 总体方案及工艺流程

自动贴标封箱机可以实现箱坯输送、物料输送、立箱、胶带封箱、贴标等系列功能，其主要由箱坯集放供送区、立箱成型区、物料输送供送区、折页机构、封胶带装置和贴标装置，以及外接成品输送线。装置结构布局如图1所示，封箱贴标成型工艺流程如图2所示［14］。

图1 装置结构布局示意图

图2 贴标成型工艺流程示意图

1- 折页机构 a、b，3、4- 吸箱机构，5- 挡板，6、6'- 折页机构 a，7、7'、8、8'- 折页机构 b，9- 推板

纸箱的主体运动方向为y方向，在y向运动过程中，逐渐完成成型封箱贴标操作。箱坯送到立箱成型区后，吸箱机构工作，将页b和面S2一起吸起；吸起过程中，挡板作用于面S1使该面成立起状态，同时折页机构的初始状态对页A、a有微折页效果，如图2（a）。装料完成后，折页机构1、2伸出折页，如图2（b）。纸箱y向运动过程中，折页区两端的折页机构a先对页C、c进行折页，折页机构a头部设有弧形过渡区使页A、a进入折页机构进行再折页，如图2（c）。折页区两端的折页机构 b，开始对页 B、b、D、d进行折页，如图 2（d）；纸箱 y向运动，逐渐压紧页 B、b、D、d，完成立箱成型操作；此时挡板机构回原点，推板机构运动继续推送箱体y向运动如图2（e）。纸箱继续y向运动，整个过程中页B、b、D、d均处于压紧状态，当达到贴标区后，进行贴标、封箱操作，如图2（f）；最终被送到成品输送线，如图 2（g）。

2 功能单元设计

2.1 成型单元设计

成型单元主要负责箱体的立箱、折页、成型，由立箱成型区、折页区、折页机构构成。成型单元结构示如图3所示［15］。

图3 成型单元结构示意图

1-自动线a，2-折页气缸机构，3-吸盘组件，4-挡板，5-吸箱气缸，6-步进电机组件1，7-丝杠螺母机构，8-工作台，9-自动线b，10-步进电机组件2，11-推板

装置整体采用框架结构，利用吸盘组件将纸箱吸起、固定，利用气缸动作把纸箱抬起，利用装配在装置上框架上的步进电机、丝杠螺母机构配合吸盘组件和挡板实现纸箱在自动线a上运动；利用折页气缸机构的2个折页气缸伸出实现页A、a有微折页效果，防止页B、b因重力下垂，影响后续折页效果。在运动过程中，通过装配在前后框架上的折页机构实现箱体成型操作；折页机构的设计可顺利通过挡板和折页气缸机构。工作台带动纸箱运动到止点后，工作台复位；同时步进电机运转，使自动线b运行，带动推板运动，推板将纸箱推送到自动线b上，并随自动线b朝y向运动，整个过程中前后折页机构折压箱页。当输送到贴标、封胶带位置时，光电传感器发送信号，进行贴标、封胶带系列动作。最终步进电机运转，通过自动线b将纸箱成品送至成品输送线。

2.2 封箱单元设计

封箱单元负责箱体的封装，由自动线b两侧对称的封箱装置构成。封箱单元单侧结构如图4所示［16］。

图4 封箱单元结构示意图

1-挡板，2-纸箱，3、4、6-导向轮，5-胶带，7-胶带供装置，8-胶带吸盘气缸，9-光电传感器，10-胶带切断气缸，11-刀片组件，12-弹性元，13-滚轮连接件，14-滚压胶带轮，15-吸盘组件

箱体被自动线b推送过程中，当两侧光电传感器检测到箱体到位时，自动线停止推送，此时胶带吸盘气缸推动吸盘组件压贴，将吸附在吸盘上的胶带压贴到箱体上。吸盘停止吸附，吸盘气缸回退。自动线b继续推送箱体，滚轮在弹性力的作用下，滚压贴在箱体上的胶带。当传感器检测到箱体完全通过时，传感器发送信号，自动线b延迟停止，此时吸盘气缸下压，到位后吸盘吸附胶带，同时切断气缸带动刀片组件切割胶带；最后吸盘气缸、切断气缸回退，自动线b继续推送箱体至成品输送线。

2.3 贴标单元设计

贴标单元能实现标签的供给、剥离、贴标和回收功能［17］。通过剥胶机构实现标签的剥离，通过吹标机构将剥离的标签吹贴到纸箱上，通过步进电机驱动标签带收卷装置回收标签带。贴标单元结构如图5所示［18-20］。

图5 贴标单元结构示意图

1-自动线2，2-推板，3-纸箱，4-剥标机构，5、8、12-导向辊，6-标签带收卷装置，7-牵引辊，9-胶带供送装置，10-标签带，11-牵引辊，13-导向压辊，14-吹标机构，15-标签

3 气动系统设计

气动系统主要由气源、气动三联件、电磁阀、节流阀、吸盘、真空发生器、吹标喷嘴、气缸组成［21］。气缸进出气口装有节流阀，能实现对气缸速度控制，使气缸动作平稳；电磁阀出气口装有消声器，可减少压缩气体对环境的噪声污染［22］。气动系统如图6所示。

图6 气动系统图

1-气源，2-阀门，3-气动三联件，4-汇流板，5-二位五通电子阀，6-二位二通电磁阀，7-单向节流阀，8-节流阀，9-气缸，10-真空发生器，11-消声器，12-真空过滤器，13-压力继电器，14-真空吸盘组件，15-吹标机构

气动系统工作顺序：（1）送箱坯→吸箱缸伸出→吸箱→吸箱缸缩回→推料入箱→推箱坯缸、推料缸缩回→折页缸伸出→吸箱结束→折页缸缩回；（2）同时进行封胶带、贴标系列动作，其中封胶带气动系列动作为胶带吸盘缸伸出→胶带吸盘缸缩回→胶带吸盘缸伸出→吸胶带→切割胶带→吸盘、切割缸缩回，贴标气动系列动作为吹气贴标→停止吹标［23-25］。

4 控制系统设计

装置采用光、机、电、气、磁相结合，经过PLC综合分析，确定各运动单元动作，实现工作过程的稳定性，提高整机工作效率。PLC通过控制电磁阀控制气动系统；通过步进驱动器控制步进电机运转；通过光电传感器检测物料是否到位、纸箱是否竖起、进行贴标封胶带操作纸箱是否到位、进行切胶带纸箱是否到位。PLC控制系统如图7所示［26］。

图7 PLC控制系统框

正常工作时系统执行循环操作，箱体被输送到封胶带、贴标工位后，执行封胶带贴标系列动作，同时进入下一次循环。

按急停按钮时，系统暂停；当按结束按钮时，执行完最后箱体贴标封胶带推出后结束。运行过程中遇到箱坯未竖起，物料输送时间过长超设定时间，箱体位置3停留时间超设定时间等异常情况，系统报警。位1为物料供送位置，位2为箱体吸起位，位3为丝杠螺母机构止点，位4为开始贴标、封胶带点。相关参数如表1所示，程序流程如图8所示。

表1 参数表

图8 程序流程图

5 结语

本文设计了一种自动化的贴标封箱机，详细介绍了装置的总体方案、工艺流程，功能单元，气动系统，控制系统。装置采用自动线输送和框架结构，实现了箱坯、物料输送，立箱成型，贴标，封箱功能。装置结构紧凑、自动化程度高，操作使用方便，降低了劳动强度，提高了生产效率。