1 行业介绍

　　瓦楞纸箱是一种非常重要的包装容器，具有易加工、 防震、质量轻、抗压、缓冲等良好的性能以及适合印刷美 化，在包装领域得到了广泛的应用。它还可替代塑料、木 材，是一种环保绿色的包装材料，非常适合当前重视环保 的现代社会，具有良好的发展前景。

　　随着我国经济的快速发展以及快递行业的飞速发展， 纸箱包装数量也在逐年递增。人们对商品外包装盒的消费 需求也变得多样化、要求包装纸箱更高品质，精美化的视 觉;瓦楞纸箱从中低档向过渡中高档。在对印刷开槽模切 机位置跟踪精度的要求越来越高的同时，瓦楞纸印刷开槽 模切技术必须进行革新。同先进的计算机技术、物联网技 术、机械制造技术、新工艺、新材料技术等应用于瓦楞纸 印刷开槽模切机，以实现瓦楞纸印刷钉箱生产线也向全自 动、高精度、高速度、高宽度、多印色方向发展。

　　瓦楞纸印刷开槽模切联动线属于瓦楞纸箱生产线中的 后道工序，其主要功能是将前道生产出来的瓦楞纸板经过 印刷为纸箱上色，再通过开槽、模切、折糊等工序将瓦楞 纸板折叠、黏糊成瓦楞纸箱的形态。而该钉箱机是瓦楞纸 印刷联动线中的最后一道纸箱加工工序。专用于各种纸箱 的封箱，由于其速度快，钉距准确，极大地改善了普通人 工钉箱机的劳动强度大，钉距不准确的问题(图1)。

　　2 方案背景

　　随着包装工业的快速发展，包装纸箱的需求量不断增 加，对纸箱质量的要求也越来越高，因此，对纸箱加工专 用设备也提出了新的质量和效率要求。纸箱钉箱机是包装 印刷线中广泛应用的一种包装形式，传统的钉箱包装，除 了钉箱是自动完成外，剩下的都是人工操作的工序，速度慢，劳动强度大，钉箱质量没有保 证，生产效率不高，不 能适应现代自动化生产线的生 产节律。

　　图 1 印刷钉箱联动线设备

　　全自动纸箱钉箱机可大程度的降低人工成本，节省开 支，降低由人工操作带来的安全事故系数。并且可以实现 各种标准规格的纸箱装订，钉距在一定范围内任意调节， 以适应不同产品对钉箱质量的要求。控制系统采用PLC控 制，PLC不但能满足客户的控制要求，而且系统稳定性好、 可操控性高(图2)。

　　目前，大型纸箱生产越来越普及，数量越来越多， 主要满足冰箱、家具、洗衣机等商包装的需求。大纸箱的需 求增加，使得厂家提出了新的要求，需要有大幅面的印刷 开槽机和钉箱机。而瓦楞纸印刷钉箱联动线解决了在印刷 后再转到人工钉箱机或半自动钉箱机上操作的步骤。大型 纸箱也可以印刷钉箱联动线上一片成型，只钉一次即只钉 纸箱一边，比传统的用一般小钉箱机两片箱板的两个边要 节约一个纸边，提高了钉箱速度，减轻了工人劳动强度， 不再拖着个沉重的大纸箱子转过来转过去(图3)。

　　3 客户需求

　　根据客户机械结构和适用产品印刷工艺需求，印刷钉 箱联动线中的纸箱钉箱机主要用于对折糊部送进的纸箱进 行打钉作业。根据客户设置的钉数和钉距自动对纸箱进行 打钉(图4)。

　　总的来说，全自动纸箱钉箱机很好地完成了不同规格 的纸箱打钉工作，同时也满足了客户需求;其主要技术指 标是实现了不同规格，不同钉数，不同钉距的纸箱生产。

　　为了提高生产效率，要求实现纸箱在输送中完成推纸及打 钉动作，这就需要通过电子凸轮追剪工艺来实现，而永宏 解决方案可以满足这些技术指标功能，并且应用效果稳 定，操作简单易上手，打钉效率高(图5)。

　　4 方案配置

　　4.1 方案说明

　　根据工艺流程控制要求，对比其他方案，纸箱钉箱机 控制系统运动控制采用全新的M系列PLC主机，搭配A6系列 Ether-CAT总线伺服电机，通过全新的电子凸轮运动控制方 式实现多轴动作流程配合及快速精准的定位控制。选用永 宏C2系列HMI，通过HMI脚本功能实现M系列主机与FBs系 列主机之间信息交互，系统硬件配置如图6所示。

　　5 设备介绍

　　5.1 设备工艺介绍

　　纸箱钉箱机的工艺流程主要分为两个流程：推纸流程 和打钉流程;这两部分的工艺流程是分开执行的 , 从而达到 很好的工艺效果。

　　推纸流程：通过整理皮带与推纸链条联合动作实现纸箱 运行速度与纸皮带的速度同步，实现纸箱平稳的进纸动作。

　　打钉流程：通过预设打钉位置及数量，生成对应凸轮曲 线并搭配进纸主轴同步控制，实现高速打钉动作。(图8)。

　　5.2 HMI画面设计

　　人机交互触摸屏是设备与操作人员可视化交互的桥 梁，在控制系统中起到了关键作用，同时也是整个控制系 统的决策层，通过触摸屏发送命令给下位机PLC控制器， PLC接收到触摸屏发出的控制命令后将其转变为相应的控制 信号后对设备进行精准控制。触摸屏还可以显示设备中的 各个信号状态以及各个电机反馈的位置等。触摸屏界面也 需要进行相应的编程来实现人机交互控制与实现设备监控 功能。触摸屏程序开发是基于永宏FvDesigner软件来设计 开发(图9)。

　　5.2.1 自动监控画面

　　纸箱钉箱机的自动监控画面主要用于操作者根据实际 生产订单要求输入所需生产纸箱打钉的钉数以及首末钉位置 (图10)。

　　5.2.2 位置显示画面

　　纸箱钉箱机的位置显示画面主要用于显示当前钉箱机 调整电机的当前位置，方便用户根据显示值调整左右位置 (图11)。

　　5.2.3 位置显示画面

　　图 9 FvDesigner 编程软件

　　图 10 纸箱钉箱机参数设置画面

　　图 11 纸箱钉箱机自动监控画面

　　图 12 纸箱钉箱机参数设置画面

　　纸箱钉箱机的参数设置画面主要用于打钉速度、推 纸速度等参数设置，用于调整推纸链条与送纸电机同步度 (图12)。

　　6 方案综合

　　6.1 方案特点

　　①系统稳定性和抗干扰能力很强

　　整个系统设计过程中，永宏M系列运动控制器的电子 凸轮功能、高速运算功能起到了关键作用，使得机器在保 证打钉精准的情况下高速稳定的运行。

　　②中断定长

　　整个系统设计过程中，伺服电机回原点信号接触时间 短，运行为单方向，没有反方向运动，而且要求复位速度 快，不能有慢速，使用普通中断停止功能会有机械惯性冲 击，而使用永宏M系列PLC中断定长功能停止可以做到减速 停止，无冲击且定位精准。

　　③追飞剪功能

　　整个系统设计过程中，打钉电机需要在光电检测到纸 板后再启动与送纸电机同步进行打钉，所以使用永宏M系列 PLC的飞剪功能可以轻松实现打钉动作调试。

　　④电子凸轮特点

　　a.不存在机械凸轮系统中的惯性应力、弹性变形、刚性 冲击力等各种机械接触破坏，更能适合高速运动传动场合。

　　b.不存在磨损，凸轮传动曲线形状只要设计完成就不 会改变，因而可以重复实现预期运动的精度更高、稳定性

　　更好。

　　c.可以方便地更改运动传动曲线，通过更改响应的运 动参数就可以实现不同的运动传动曲线，大大降低生产安装 和更换成本。

　　⑤IOT远程维护

　　整个系统设计过程中，为了方便后期程序修改维护， 搭配FATEK IoT的iAccess功能轻松维护远端HMI系统与PLC 专案。

　　6.2 方案优势

　　①根据打钉数、纸宽、腰盖等参数实现产品更换后自 动计算打钉间距，且支持在运行中调整首末钉位置以及整体 打钉位置偏移，由PLC内的凸轮函数自动生成 , 无需任何机 械调节。

　　②根据纸宽、纸厚等参数实现产品更换后自动调整电 机位置。

　　③永宏EtherCAT总线方案，更适合高低端多种机型应 用，接线简单、抗干扰强、精度高、通用性强、后期扩展与 维护方便。

　　④永宏M系列PLC虚拟轴的应用，可与主轴独立开，当 推纸链条不需与主轴同步时，虚拟轴按从轴所需的速度运 行，当推纸链条需与主轴同步时，虚拟轴与主轴同步。

　　⑤永宏M系列PLC作为控制核心，具备业界优越0.8奈 秒指令处理速度，内建专用运动控制运算芯片与算法 , 无须 扩展模块即可完成包含螺旋插补与追飞剪在内的高阶运动控 制，相比于市场上需要外挂运动控制模块的PLC产品，更加 紧致和简单，空间更小。

　　⑥永宏M系列PLC可以通过Motion Flow编程，以高度 可视化的方式规划运动控制任务，可直观地将控制流程与需 求转换为运动控制程序，无需艰涩的程序编写也可轻易实现 复杂的运动控制。

　　⑦永宏M系列PLC无需扩充任何运动控制模块或将多主 机串接即可同时控制多达16轴总线伺服驱动器，进 行高精 度的多轴时间同步协作控制。

　　⑧人机界面搭配FATEK IoT的iAccess功能轻松维护 远 端HMI系统与PLC专案。

　　7 方案难点

　　难点1： 打钉电机复位要求速度快速，普通中断停止机 械冲击大。

　　解决： 使用中断定长功能，可以完美解决碰到原点后 定位停止，定位精度高，有减速停机无机械冲击。

　　难点2： 推纸链条在一个周期内根据纸宽来决定何时与 送纸轴同步。

　　解决： 增加一个虚拟轴，推纸链条与虚拟轴做凸轮控 制，在不与送纸轴同步时虚拟轴按设定比例关系运行 , 需同 步时虚拟轴与送纸轴同步。

　　难点3： 换产品后如何确保首钉位置精度。

　　解决： 根据纸箱参数以及感应光电与打钉电机距离 自 动计算首钉定位数据，通过凸轮滞后功能来延时启动打 钉，从而确保首钉位置精度。

　　8 方案总结

　　通过对设备控制系统方案的设计，硬件配置以及程序 开发调试。为纸箱钉箱机系统提供了显著的技术手段, 实现 了在误差±1mm的情况下，达到120张/分的速度，具有操作 便捷、便于维护、生产效率高、生产质量高等优点。以此方 式来取代传统的人工单张放置打钉及半自动打钉设备，不但 可以减轻操作人员的劳动强度，提高工作效率、节约人工成 本、改善生产环境，还提高了整条生产线的自动化程度和生 产效率。全自动纸箱钉箱机在瓦楞纸印刷得到了越来越广泛 的应用，以其高速度、高精度、高稳定性和很强的适用性， 同时也得到了越来越多客户的认可(表2)。

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