第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
近年来，我国瓦楞纸箱行业发展迅速。与世界其他国家相比，中国纸箱行业起步较晚，但增长比较迅速。早在 2003 年，中国就超过日本成为世界第二大瓦楞纸箱生产国，仅次于美国。2016 年全国瓦楞纸箱产量为 4028 万吨。从近几年的产量来看，2014-2016 年这三年我国瓦楞纸箱产量稳定在 4000 万吨以上。如图 1-1 所示，虽然 2016 年较 2015 年有少许下降，但总体产量仍然处于高位。
我国瓦楞纸箱行业有较大的增长空间。据统计，我国瓦楞纸板人均消费量仅为每年 40 平方米。与发达国家相比，我国瓦楞纸板消费量远低于美国、日本等发达国家，未来还有很大的改善空间[1]。如图 1-2 所示，中国的人均消费量不足美国和日本的一半，未来市场广阔.
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1.2 全自动粘箱机国内外发展现状
（1）国外发展现状
瓦楞纸箱机械的研究与开发在国外开始的比较早，从 1960 年开始，国外的瓦楞纸箱机械设备发展相当迅速，当时已经达到了很高的水平。瑞典、日本、法国和其它国家是瓦楞纸箱机械设备生产的领导者。其中，日本的博斯特，瑞士的马提尼和日本三菱重工是当今国际先进瓦楞纸箱机械制造商的代表[4]。在瓦楞纸箱印刷加工机械中，博斯特公司始终保持着领先的地位[5]，其生产的各种机器涵盖了纸箱印刷加工的各个工序。法国马田公司制造的瓦楞纸箱印刷加工机械具有良好的套准精度、准确的印刷设定，能简易快速地更换订单，生产灵活，机器易于操作[6]。凭借着其多功能及价格的适中性，马田公司的印刷机在中国的市场上占有一席之地。
（2）国内发展现状
我国的瓦楞纸箱机械设备行业起步较晚，在 1980 年代后才开始迅速发展。当时轻工业发展迅速，对外出口的轻工产品对瓦楞纸包装提出了更高的要求，部分企业开始从日本引进瓦楞纸箱设备，随着欧美国家的瓦楞纸设备企业进入国内， 进一步推动了我国瓦楞纸印刷设备行业的发展[7]。早期的瓦楞纸箱设备主要是订箱机，订箱机用的扁丝会损坏瓦楞纸板，降低纸板结构的强度，随着近几年粘箱技术的发展速度越来越快[8]，一些大中型纸箱企业对粘箱工艺的认识也有显著提高。目前国内生产的粘箱机主要有全自动和半自动两种。在发达国家，粘箱机成为瓦楞纸包装箱的成型、接合的基本设备，在很多国际的出口商品中明确制定了水果、服装、丝织品、针棉织品、粮油食品等必须采用粘箱。在我国粘箱机也已成为外贸出口纸箱生产企业不可缺少的设备，随着市场经济的进一步发展，粘箱设备需求量将会越来越大[9]。我们的纸箱机械及包装机械企业也在抓住机遇，加紧开发。
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第 2 章 整理计数部三维建模及有限元分析
2.1 全自动粘箱机整理计数部组成
如图 2-1 所示，自动粘箱机的整理计数部分为四部分：前齐纸机构、后齐纸机构、计数排出机构和传动机构四部分组成[11]。
传送机构：主要是由传送带及传送辊组成，作用是将粘接完成的纸箱传送至前齐纸部。 前齐纸机构：主要由前齐纸板和能够前后调节的齐纸框架组成，作用是使高速传送带上是纸板稳定整齐的停止在某一确定的位置。
后齐纸机构：主要是由后齐纸板和偏心轴等组成。由于纸箱在高速传送过程中突然撞击到前齐纸板后会出现不同程度的反弹或纸箱间的摩擦力作用，单靠前齐纸板不能完全码齐纸堆，后齐纸机构作用是将纸堆进一步码齐。
计数排出机构：主要是由排出杆、气缸、缓冲器等构成，作用是将设置好的纸堆及时排出。
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2.2 全自动粘箱机整理计数部设计研究
2.2.1 主要设计技术指标
主要设计技术指标： （1）适用最大纸板尺寸：900mm×2040mm。 （2）适用最小纸板尺寸：260mm×720mm。 （3）适用纸板厚度范围：2mm-8mm。 （4）堆叠张数：5、10、15、20、25、30。 （5）传送带最高线速度：120m/min。 （6）配用气压：0.7MPa——0.9MPa。
2.2.2 总体方案设计
通过分析全自动粘箱机设备整理计数部的功能作用及影响因素，结合全自动粘箱机设备的各个组成部分所实现的功能，全自动粘箱机的整理计数部功能主要分两个部分。
(1)整理功能
即把传送至该工位的纸箱整理码放整齐。要想将高速传送的粘箱码放整齐，不能仅靠一个方向的限制，要想把通过的所有纸箱堆放好再进行码齐的方式是很难实现的。要想将纸箱码放整齐，就必须每过来一个纸箱都执行一次码齐动作。为了实现纸箱整理码放整齐功能，设计前挡后推的方式，也就是通过前后两套齐纸机构来实现，前齐纸机构挡住纸箱继续向前传送，每次后齐纸机构都将挡下的纸箱推送到位。
(2)计数排出功能
即对传送至该工位的纸箱计数，数量达到预设值后及时排出。在执行排出动作时，为了不影响设备的生产效率和设备的正常运转，设备不能降速和停机。排出杆在执行排序动作后，工位纸箱高度已经升高，如果排出杆直接按原路径退回，势必会与已经升高的纸堆发生碰撞。针对排除杆执行排序动作后的回退问题，设计通过控制推出杆执行路径来避开推出杆在回退过程中与纸堆相撞。将推出杆设计成，推出杆推行推出动作后，推出杆执行上升动作，上升到位后，接着执行回退动作，回退到位后，推出杆下降到初始位置。整个过程，推出杆下沿按逆时针方向走出一个封闭的“口”型路径。
为了实现全自动粘箱机整理计数部功能，采用的设计方案是由两套齐纸构，分别为前齐纸机构和后齐纸机构，能执行高速计数的计数传感器，通过有效控制推出杆的执行路径来设计实现的。
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第 3 章 全自动粘箱机自动控制系统 .................................... 19
3.1 工艺流程和控制系统介绍 .......................... 19
3.1.1 工艺流程 ............................... 19
3.1.2 控制系统介绍 ......................................... 21
第 4 章 全自动粘箱机系统的软件设计 ........................................ 35
4.1 STEP 7 Basic 编程 ......................................... 35
4.2 PLC 中 I/O 端口分配 .......................... 35
4.3 控制系统软件设计 ................................ 36
第 5 章 全自动粘箱机的监控系统设计 ........................................... 41
5.1 上位机监控界面要求 ............................. 41
5.2 工控机监控画面设计 ............................................ 42
第 6 章 系统安装与调试
6.1 硬件安装与调试
在进行硬件安装时，需要注意接线的正确性。为了防止接线出现错误，利用号码管打印机打印出编码或名称，然后固定在线的两端。在接线的时候，根据线上的标志连接。线上的号码管利于出现问题时，能够准确锁定故障点[57]。PLC 上的 I/O 口数量较多，需要接的线也很多，采用这种号码管标签的方法，确保安装人员快速准确的完成工作。控制柜电气接线如图 6-1 所示。为了保证上位机的安全性，需要将工控机与显示器布置在中控室，为了方便工作人员对设备进行控制，将触摸屏安装在现场的电控柜上。当硬件布置完毕，并且将线连接完成后，开始对控制系统进行测试调试。
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总结与展望
工作总结
本文主要针对全自动粘箱机的控制系统和关键部件进行设计与研究，通过对整理计数部结构的三维建模和有限元分析，验证了机构设计的合理性。通过对粘箱机工艺流程的分析，确定了控制系统的总体方案，对硬件进行了选型，对软件控制系统进行了相关的设计，最后对监控软件进行了选型和设计。论文完成的主要工作总结如下：
（1）根据整理计数部的设计技术指标和总体方案设计，针对压纸架、直线滑台、纸箱排出、前齐纸板、后齐纸板机等结构进行了设计，对整理与计数部的前齐纸机构、后齐纸机构、计数排出机构、传送机构四部分进行了三维建模，并在有限元分析平台研究了整理计数部关键部件在特定的受力情况下的静刚度性能，为机构设计合理性得出了肯定的结论。
（2）根据全自动粘箱机的设计要求，提出了全自动粘箱机工艺的总体控制方案。在了解全自动粘箱机生产工艺的基础上，根据设备在实际生产中的需求，对粘箱机控控制系统的硬件进行选型和设计，对各部分的电路硬件图进行了设计，为实现全自动粘箱机控制系统的整体功能做了铺垫。
（3）按照系统的控制要求，采用 S7-200PLC smart 作为全自动粘箱机控制系统的主控单元，对控制系统主要程序进行了编写，实现了对全自动粘箱机的控制，达到了预期的控制效果。
（4）基于监控画面的设计要求和组态王的基本特性，设计了基于组态王的监控画面。重点对全自动粘箱机控制系统的登陆界面、主界面、各个模块的界面和报警界面等进行了设计研究，最后创建了全自动粘箱机的组态动画连接。利用组态王软件设计的组态监控画面，方便了现场操作人员观察、控制和维护设备。
参考文献（略）