永宏 M 系列 PLC 在紙箱釘箱機上的應用

　　1 行業(yè)介紹

　　瓦楞紙箱是一種非常重要的包裝容器，具有易加工、 防震、質量輕、抗壓、緩沖等良好的性能以及適合印刷美 化，在包裝領域得到了廣泛的應用。它還可替代塑料、木 材，是一種環(huán)保綠色的包裝材料，非常適合當前重視環(huán)保 的現代社會，具有良好的發(fā)展前景。

　　隨著我國經濟的快速發(fā)展以及快遞行業(yè)的飛速發(fā)展， 紙箱包裝數量也在逐年遞增。人們對商品外包裝盒的消費 需求也變得多樣化、要求包裝紙箱更高品質，精美化的視 覺;瓦楞紙箱從中低檔向過渡中高檔。在對印刷開槽模切 機位置跟蹤精度的要求越來越高的同時，瓦楞紙印刷開槽 模切技術必須進行革新。同先進的計算機技術、物聯網技 術、機械制造技術、新工藝、新材料技術等應用于瓦楞紙 印刷開槽模切機，以實現瓦楞紙印刷釘箱生產線也向全自 動、高精度、高速度、高寬度、多印色方向發(fā)展。

　　瓦楞紙印刷開槽模切聯動線屬于瓦楞紙箱生產線中的 后道工序，其主要功能是將前道生產出來的瓦楞紙板經過 印刷為紙箱上色，再通過開槽、模切、折糊等工序將瓦楞 紙板折疊、黏糊成瓦楞紙箱的形態(tài)。而該釘箱機是瓦楞紙 印刷聯動線中的最后一道紙箱加工工序。專用于各種紙箱 的封箱，由于其速度快，釘距準確，極大地改善了普通人 工釘箱機的勞動強度大，釘距不準確的問題(圖1)。

　　2 方案背景

　　隨著包裝工業(yè)的快速發(fā)展，包裝紙箱的需求量不斷增 加，對紙箱質量的要求也越來越高，因此，對紙箱加工專 用設備也提出了新的質量和效率要求。紙箱釘箱機是包裝 印刷線中廣泛應用的一種包裝形式，傳統(tǒng)的釘箱包裝，除 了釘箱是自動完成外，剩下的都是人工操作的工序，速度慢，勞動強度大，釘箱質量沒有保 證，生產效率不高，不 能適應現代自動化生產線的生 產節(jié)律。

　　圖 1 印刷釘箱聯動線設備

　　全自動紙箱釘箱機可大程度的降低人工成本，節(jié)省開 支，降低由人工操作帶來的安全事故系數。并且可以實現 各種標準規(guī)格的紙箱裝訂，釘距在一定范圍內任意調節(jié)， 以適應不同產品對釘箱質量的要求?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控 制，PLC不但能滿足客戶的控制要求，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性好、 可操控性高(圖2)。

　　目前，大型紙箱生產越來越普及，數量越來越多， 主要滿足冰箱、家具、洗衣機等商包裝的需求。大紙箱的需 求增加，使得廠家提出了新的要求，需要有大幅面的印刷 開槽機和釘箱機。而瓦楞紙印刷釘箱聯動線解決了在印刷 后再轉到人工釘箱機或半自動釘箱機上操作的步驟。大型 紙箱也可以印刷釘箱聯動線上一片成型，只釘一次即只釘 紙箱一邊，比傳統(tǒng)的用一般小釘箱機兩片箱板的兩個邊要 節(jié)約一個紙邊，提高了釘箱速度，減輕了工人勞動強度， 不再拖著個沉重的大紙箱子轉過來轉過去(圖3)。

　　3 客戶需求

　　根據客戶機械結構和適用產品印刷工藝需求，印刷釘 箱聯動線中的紙箱釘箱機主要用于對折糊部送進的紙箱進 行打釘作業(yè)。根據客戶設置的釘數和釘距自動對紙箱進行 打釘(圖4)。

　　總的來說，全自動紙箱釘箱機很好地完成了不同規(guī)格 的紙箱打釘工作，同時也滿足了客戶需求;其主要技術指 標是實現了不同規(guī)格，不同釘數，不同釘距的紙箱生產。

　　為了提高生產效率，要求實現紙箱在輸送中完成推紙及打 釘動作，這就需要通過電子凸輪追剪工藝來實現，而永宏 解決方案可以滿足這些技術指標功能，并且應用效果穩(wěn) 定，操作簡單易上手，打釘效率高(圖5)。

　　4 方案配置

　　4.1 方案說明

　　根據工藝流程控制要求，對比其他方案，紙箱釘箱機 控制系統(tǒng)運動控制采用全新的M系列PLC主機，搭配A6系列 Ether-CAT總線伺服電機，通過全新的電子凸輪運動控制方 式實現多軸動作流程配合及快速精準的定位控制。選用永 宏C2系列HMI，通過HMI腳本功能實現M系列主機與FBs系 列主機之間信息交互，系統(tǒng)硬件配置如圖6所示。

　　5 設備介紹

　　5.1 設備工藝介紹

　　紙箱釘箱機的工藝流程主要分為兩個流程：推紙流程 和打釘流程;這兩部分的工藝流程是分開執(zhí)行的 , 從而達到 很好的工藝效果。

　　推紙流程：通過整理皮帶與推紙鏈條聯合動作實現紙箱 運行速度與紙皮帶的速度同步，實現紙箱平穩(wěn)的進紙動作。

　　打釘流程：通過預設打釘位置及數量，生成對應凸輪曲 線并搭配進紙主軸同步控制，實現高速打釘動作。(圖8)。

　　5.2 HMI畫面設計

　　人機交互觸摸屏是設備與操作人員可視化交互的橋 梁，在控制系統(tǒng)中起到了關鍵作用，同時也是整個控制系 統(tǒng)的決策層，通過觸摸屏發(fā)送命令給下位機PLC控制器， PLC接收到觸摸屏發(fā)出的控制命令后將其轉變?yōu)橄鄳目刂?信號后對設備進行精準控制。觸摸屏還可以顯示設備中的 各個信號狀態(tài)以及各個電機反饋的位置等。觸摸屏界面也 需要進行相應的編程來實現人機交互控制與實現設備監(jiān)控 功能。觸摸屏程序開發(fā)是基于永宏FvDesigner軟件來設計 開發(fā)(圖9)。

　　5.2.1 自動監(jiān)控畫面

　　紙箱釘箱機的自動監(jiān)控畫面主要用于操作者根據實際 生產訂單要求輸入所需生產紙箱打釘的釘數以及首末釘位置 (圖10)。

　　5.2.2 位置顯示畫面

　　紙箱釘箱機的位置顯示畫面主要用于顯示當前釘箱機 調整電機的當前位置，方便用戶根據顯示值調整左右位置 (圖11)。

　　5.2.3 位置顯示畫面

　　圖 9 FvDesigner 編程軟件

　　圖 10 紙箱釘箱機參數設置畫面

　　圖 11 紙箱釘箱機自動監(jiān)控畫面

　　圖 12 紙箱釘箱機參數設置畫面

　　紙箱釘箱機的參數設置畫面主要用于打釘速度、推 紙速度等參數設置，用于調整推紙鏈條與送紙電機同步度 (圖12)。

　　6 方案綜合

　　6.1 方案特點

　?、傧到y(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力很強

　　整個系統(tǒng)設計過程中，永宏M系列運動控制器的電子 凸輪功能、高速運算功能起到了關鍵作用，使得機器在保 證打釘精準的情況下高速穩(wěn)定的運行。

　?、谥袛喽ㄩL

　　整個系統(tǒng)設計過程中，伺服電機回原點信號接觸時間 短，運行為單方向，沒有反方向運動，而且要求復位速度 快，不能有慢速，使用普通中斷停止功能會有機械慣性沖 擊，而使用永宏M系列PLC中斷定長功能停止可以做到減速 停止，無沖擊且定位精準。

　?、圩凤w剪功能

　　整個系統(tǒng)設計過程中，打釘電機需要在光電檢測到紙 板后再啟動與送紙電機同步進行打釘，所以使用永宏M系列 PLC的飛剪功能可以輕松實現打釘動作調試。

　?、茈娮油馆喬攸c

　　a.不存在機械凸輪系統(tǒng)中的慣性應力、彈性變形、剛性 沖擊力等各種機械接觸破壞，更能適合高速運動傳動場合。

　　b.不存在磨損，凸輪傳動曲線形狀只要設計完成就不 會改變，因而可以重復實現預期運動的精度更高、穩(wěn)定性

　　更好。

　　c.可以方便地更改運動傳動曲線，通過更改響應的運 動參數就可以實現不同的運動傳動曲線，大大降低生產安裝 和更換成本。

　?、軮OT遠程維護

　　整個系統(tǒng)設計過程中，為了方便后期程序修改維護， 搭配FATEK IoT的iAccess功能輕松維護遠端HMI系統(tǒng)與PLC 專案。

　　6.2 方案優(yōu)勢

　?、俑鶕蜥敂?、紙寬、腰蓋等參數實現產品更換后自 動計算打釘間距，且支持在運行中調整首末釘位置以及整體 打釘位置偏移，由PLC內的凸輪函數自動生成 , 無需任何機 械調節(jié)。

　?、诟鶕垖?、紙厚等參數實現產品更換后自動調整電 機位置。

　?、塾篮闑therCAT總線方案，更適合高低端多種機型應 用，接線簡單、抗干擾強、精度高、通用性強、后期擴展與 維護方便。

　?、苡篮闙系列PLC虛擬軸的應用，可與主軸獨立開，當 推紙鏈條不需與主軸同步時，虛擬軸按從軸所需的速度運 行，當推紙鏈條需與主軸同步時，虛擬軸與主軸同步。

　?、萦篮闙系列PLC作為控制核心，具備業(yè)界優(yōu)越0.8奈 秒指令處理速度，內建專用運動控制運算芯片與算法 , 無須 擴展模塊即可完成包含螺旋插補與追飛剪在內的高階運動控 制，相比于市場上需要外掛運動控制模塊的PLC產品，更加 緊致和簡單，空間更小。

　?、抻篮闙系列PLC可以通過Motion Flow編程，以高度 可視化的方式規(guī)劃運動控制任務，可直觀地將控制流程與需 求轉換為運動控制程序，無需艱澀的程序編寫也可輕易實現 復雜的運動控制。

　?、哂篮闙系列PLC無需擴充任何運動控制模塊或將多主 機串接即可同時控制多達16軸總線伺服驅動器，進 行高精 度的多軸時間同步協作控制。

　?、嗳藱C界面搭配FATEK IoT的iAccess功能輕松維護 遠 端HMI系統(tǒng)與PLC專案。

　　7 方案難點

　　難點1： 打釘電機復位要求速度快速，普通中斷停止機 械沖擊大。

　　解決： 使用中斷定長功能，可以完美解決碰到原點后 定位停止，定位精度高，有減速停機無機械沖擊。

　　難點2： 推紙鏈條在一個周期內根據紙寬來決定何時與 送紙軸同步。

　　解決： 增加一個虛擬軸，推紙鏈條與虛擬軸做凸輪控 制，在不與送紙軸同步時虛擬軸按設定比例關系運行 , 需同 步時虛擬軸與送紙軸同步。

　　難點3： 換產品后如何確保首釘位置精度。

　　解決： 根據紙箱參數以及感應光電與打釘電機距離 自 動計算首釘定位數據，通過凸輪滯后功能來延時啟動打 釘，從而確保首釘位置精度。

　　8 方案總結

　　通過對設備控制系統(tǒng)方案的設計，硬件配置以及程序 開發(fā)調試。為紙箱釘箱機系統(tǒng)提供了顯著的技術手段, 實現 了在誤差±1mm的情況下，達到120張/分的速度，具有操作 便捷、便于維護、生產效率高、生產質量高等優(yōu)點。以此方 式來取代傳統(tǒng)的人工單張放置打釘及半自動打釘設備，不但 可以減輕操作人員的勞動強度，提高工作效率、節(jié)約人工成 本、改善生產環(huán)境，還提高了整條生產線的自動化程度和生 產效率。全自動紙箱釘箱機在瓦楞紙印刷得到了越來越廣泛 的應用，以其高速度、高精度、高穩(wěn)定性和很強的適用性， 同時也得到了越來越多客戶的認可(表2)。

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