张志伟，罗钦（通讯作者），邹博胜，商凯源，杜小凤

（1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲，412007；2.湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲，412007）

0 引言

近年来，由于电商市场规模的扩大，服装行业的销量也在稳步提升。随规模扩大而来的问题，是包装方面的效率不足。目前市场的主要打包方式还是严重依赖人工，存在着以效率低下为代表的诸多问题。针对这一系列问题，设计一款高度自动化的智能包装机就显得尤为重要。本文以实现多材料、多尺寸兼容为目标，对多膜包装机进行拆解阐述。该多膜包装机的设计，符合包装行业智能化、自动化的发展趋势[1]，为提高包装效率提供了一种可行方案，对包装生产自动化具有重要意义。

1 多膜包装机的主体架构

多膜包装机的机械结构由物体输送机构、热封切机构和膜卷供应机构三部分构成。物体输送机构的功能是移动被包装物至包装处；热封切机构的功能是切断包装膜，完成封装；膜卷供应机构的功能是分开和供应包装膜。包装机的总体机械结构如图1所示。

图1 包装机机械结构

物体输送机构是由控制电路、输送带、步进电机及其电机驱动组成。其中控制电路由电机控制电路和物体检测电路组成，当光电传感器检测到输送带上有服装，开启输送带，将服装和包装薄膜一同输送至热封切机构。

热封切机构是由刀具支架、L型热封切刀、Max31865模块、PT100铂电阻、步进电机和曲柄摇杆机构组成。热封和切袋都是由热封切刀的机械运动完成的[2]。L型热封切刀由镍铬合金电阻丝做成，安装在刀具支架上，步进电机通过曲柄遥感机构控制刀具支架上下运动。L型热封切刀、12V恒压电源和大功率MOS管串联在一起，电流通过时，电阻丝持续加热，PT100铂电阻紧贴电阻丝，Max31865不断检测铂电阻阻值并将其转化为数字信号传输给单片机，当温度达到设定的薄膜热封切分温度时，单片机控制热封切刀相连的步进电机动作，完成对薄膜的热封切分动作。当热封切刀温度超过工作温度时，断开恒电压源，从而达到降低热封切刀温度的目的；而机器停止工作时，则采用自然冷却。

薄膜供应机构是由薄膜支架、分膜撑杆、步进电机和光电传感器组成。包装薄膜为塑料对折膜，在物体输送机构开启后，单片机控制步进电机使其以输送带相同的运动速度供应薄膜。薄膜经过分膜撑杆后，会被打开并且运动方向改变90°，薄膜打开后为上下两片，上片在服装上方，下片在输送带1下方，下片通过输送带1和2的中缝至输送带2和包装物之间。

2 系统硬件架构

电气部分包含两大模块：一是机械运动与检测模块；二是温度闭环控制模块。两大模块分别以一片STM32F1 03ZET6为控制芯片，STM32F103ZET6单片机是一款具有8个定时器112个GPIO端口的32位单片机。单片机时钟电路和电源模块采用典型电路即可。按键采用独立式按键接口，实现调温、尺寸手动更改等功能。控制器与OLED屏幕通信采用SPI通信方式，屏幕用于温度、数量、设置尺寸等参数的显示。

机械运动与检测模块。包装机中所有的执行电机均采用57步进电机，该电机工作时不会产生误差积累，无需引入反馈环节；检测电路采用光敏电阻传感器。光电传感器检测到物体到来时或包装薄膜余量不足时，经红外光电式检测模块转化为电信号传给STM32单片机最小系统A，单片机进而控制对应的电机运动。以光电传感器1检测到信号为例，当其检测到传送带上有待包装物时，将信号传到STM32单片机最小系统A，单片机发出相关信号控制传送装置中的电机1和电机2运动。机械运动与检测模块的原理图如图2所示。

图2 机械运动、检测电路

温度闭环控制模块。温度传感器选用PT100铂电阻传感器，测量范围在-200～850℃[3]，经Max31865模块将电阻丝温度转换成数字信号传送给STM32单片机最小系统B。最小系统B根据检测到的实时温度与设定的温度值相比较，实时温度低则输出信号控制大功率MOS管闭合，给电阻丝通电；实时温度高则输出信号控制大功率MOS管断开，使电阻丝断电。通过控制MOS管的通断，达到控制温度的目的。该模块的原理图如图3所示。

图3 热封切机构的温度闭环电路

3 系统软件部分设计

3.1 机械运动、检测系统软件流程

机械运动、检测控制系统是通过单片机A、步进电机、光电传感器相互配合，实现对服装的包装。程序工作流程：人工将待包装的服装放在输送带1上，当光电传感器1检测到有物体时，单片机通过输出PWM[4]控制物体传送机构和薄膜供应机构中的电机配合运动，将待包装服装运往已经打开的对折膜中。光电传感器2检测到服装和薄膜到达设定的合适的热切封位置后，物体传送机构和薄膜供应机构停止工作。同时，单片机A输出PWM控制电机3正转，带动L型热封切刀下落，完成对服装的热封和切袋。热切封完成后，单片机A输出PWM控制电机4反转，抬起热封切刀，并输出PWM控制物体传送机构运动，将成品运走。当传感器3检测到物体后，记件数加1。完成整个包装流程。

图4 机械运动、检测系统

图5 温度闭环系统软件流程

3.2 温度闭环系统软件流程

此部分程序的作用是在包装机启动后，实现对电阻丝温度的恒温控制。由于电阻丝需要实时精确控制温度，所以单独采用单片机进行控制。电阻丝随温度变化阻值发生变化，Max31865模块对其阻值进行测量与A/D转换，并通过SPI通讯方式，将数字信号传递给单片机B。单片机通过读取的数字信号，通过计算，调整继电器的断开和闭合时间，另外将数字信号通过SPI通讯方式传给OLED屏幕，屏幕将目前检测到的温度、设定温度等信息显示在屏幕上。

4 结语

随着人们生活水平的提高，对于服装的需求量日益增大。在庞大的服装数量和种类以及中小型企业较弱承担能力面前，只有自适应包装物规格的多膜包装机才能满足这样的需求。本文设计的多膜智能包装机，实现了切封温度可调、包装尺寸可调的功能，达到了一机多用的目的，适用于服装包装市场、服装电商个体等多个群体，用于减轻运用人工或半自动包装机械的繁杂和高成本带来的不便，具有一定的实用性，并且很大程度上的提高了服装等柔性产品的包装效率。