自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)電力電子技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)國(guó)家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、家用電器、包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注，它在改善提高工作效率、人民生活、節(jié)約能源、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用。

在包裝行業(yè)中，絕大多數(shù)包裝機(jī)采用PLC來實(shí)現(xiàn)對(duì)橫封電機(jī)的控制，該方案采用模擬量進(jìn)行速度跟隨主軸運(yùn)動(dòng)，使用這種控制系統(tǒng)包裝的產(chǎn)品一致性不是特別理想，更重要的是包裝速度很難提高到200袋/分鐘以上的包裝速度，這不符合企業(yè)提高工作效率的迫切要求。為此，我們基于MPC05運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)了一套包裝機(jī)控制系統(tǒng)，該套系統(tǒng)具備包裝產(chǎn)品質(zhì)量高和包裝效率高的兩個(gè)重要特點(diǎn)，并且還具有色標(biāo)跟蹤功能。

二、工作原理

如圖一所示為一包裝機(jī)的示意圖。8縱封輥筒由異步電機(jī)帶動(dòng)即主軸電機(jī)，9熱封輥筒、10冷封輥筒、12切刀由一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)即從軸電機(jī)。從軸電機(jī)要跟隨主軸做跟隨運(yùn)動(dòng)。其工作原理是MPC05運(yùn)動(dòng)控制器接收主軸編碼器信號(hào)，根據(jù)主軸編碼器的脈沖數(shù)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)跟隨主軸作相應(yīng)的跟隨運(yùn)動(dòng)，該伺服電機(jī)通過鏈傳動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)熱封輥筒、冷封輥筒、切刀運(yùn)動(dòng)。

圖1 包裝機(jī)的示意圖

熱封輥筒軸以1：4的減速比裝有一個(gè)編碼器，用作閉環(huán)控制。該編碼器的值與伺服電機(jī)理論上應(yīng)該走的距離進(jìn)行比較進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使從軸伺服電機(jī)跟隨主軸電機(jī)做全閉環(huán)的位置跟隨。

三、控制器的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的控制器采用FPGA+DSP的方案，圖二為控制器的結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)LASH用于存儲(chǔ)DSP程序，多余的空間可以用來存儲(chǔ)配置程序或加工程序以及系統(tǒng)工藝參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。NAND FLASH大規(guī)模板上存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)等?？刂破鞯暮诵氖荄SP和FPGA，DSP實(shí)現(xiàn)CPU功能，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)控制功能和IO功能。

圖2 控制器的結(jié)構(gòu)圖

該控制器的加工文件可以通過RS232下載，或通過U盤拷貝，接收主軸編碼器反饋的信號(hào)以及從軸編碼器反饋信號(hào)，輸出的脈沖方向信號(hào)接伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，I/O口接停機(jī)信號(hào)或開機(jī)信號(hào)等。兩個(gè)串口，其中，串口A為PC機(jī)接口，采用松下伺服的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通訊。串口B為人機(jī)界面接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus協(xié)議通訊。

四、控制程序的設(shè)計(jì)

由于縱封輥筒和橫封輥筒周長(zhǎng)相等都為300mm，橫封輥筒有4根筋，所以橫封輥筒每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)可以包裝4袋產(chǎn)品。如果包裝的袋長(zhǎng)為300/4=75mm，則屬于同步跟隨，即橫封縱封輥筒包裝一袋所走的距離相等。如果包裝袋長(zhǎng)大于75mm，則橫封輥筒在非嚙合區(qū)應(yīng)該做減速運(yùn)動(dòng)，然后再升速到與主軸同步，準(zhǔn)備下一次嚙合，如果袋長(zhǎng)小于75mm，則橫封輥筒在非嚙合區(qū)應(yīng)該做升速運(yùn)動(dòng)，然后再降速到與主軸同步，準(zhǔn)備下一次嚙合。在嚙合區(qū)需要橫封和縱封輥筒同步運(yùn)動(dòng)，否則當(dāng)橫封輥筒速度高于縱封輥筒的速度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)扯膜現(xiàn)象;當(dāng)橫封輥筒速度低于縱封輥筒的速度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)堆膜的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象將會(huì)影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)重的情況還可能將包裝膜扯斷。

如圖三所示為從軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的模型。

圖3 從軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的模型

設(shè)A代表主軸，B代表從軸。首先計(jì)算出A、B的周期長(zhǎng)度(周期長(zhǎng)度是指包裝一個(gè)袋子所需的脈沖數(shù))以及同步系數(shù)，然后將A的周期分成如圖三橫坐標(biāo)所示的5 段，再根據(jù)A的5段的長(zhǎng)度和同步系數(shù)，計(jì)算出異步系數(shù)，最后計(jì)算出B對(duì)應(yīng)的5段的長(zhǎng)度，即同步段，升(降)速段、異步段，降(升)速段和同步段，其中在第一個(gè)同步段橫封輥筒兩齒嚙合，在中間的升降速段為適合不同的袋長(zhǎng)要求實(shí)現(xiàn)變袋長(zhǎng)，最后的一段很短的同步段是為了使進(jìn)入下一個(gè)嚙合的同步段更為平穩(wěn)(這里長(zhǎng)度的單位均為脈沖數(shù))。

對(duì)從軸的位置控制采用比較成熟的經(jīng)典的PID控制。PID控制具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。我們這里采用的是增量式PID控制算法。增量式PID控制有很多優(yōu)點(diǎn)：

(1) 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可采用邏輯判斷的方法去掉;

(2) 算式中不需要累加，控制增量的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。

PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，它把設(shè)定值(各段從軸應(yīng)該發(fā)的脈沖數(shù))與實(shí)際輸出值(從軸編碼器值)相減，得到控制偏差 ， 的比例系數(shù)(P)、積分系數(shù)(I)和微分系數(shù)(D)通過線性組合構(gòu)成控制變量 (伺服電機(jī)的脈沖頻率)?？刂谱兞康脑隽?的計(jì)算公式為：

式中，T為采樣周期，K為比例系數(shù)，加大比例系數(shù)K可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但當(dāng)K過大時(shí)，會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變差，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。TI為積分常數(shù)，TI越大積分作用越弱，積分環(huán)節(jié)的加入，能消除靜態(tài)誤差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。TD為微分系數(shù)，微分控制的作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高控制精度，但TD偏大或偏小時(shí)，都會(huì)使超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。

由于該系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了K、TI、TD這三個(gè)控制參數(shù)，就可以確定控制變量，我們已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試導(dǎo)出了這三個(gè)參數(shù)的值。

五、自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)的功能

此自動(dòng)包裝系統(tǒng)采用EasyView作為人機(jī)界面，界面友好豐富，適用于包裝機(jī)操作現(xiàn)場(chǎng)工作?？刂葡到y(tǒng)中外圍設(shè)備和核心器件均采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，保證了包裝機(jī)使用過程中的安全穩(wěn)定可靠性。簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，可以分別設(shè)置包裝速度，包裝袋長(zhǎng)、袋長(zhǎng)參數(shù)、PID系數(shù)等參數(shù)。其中，對(duì)于固定的輥筒，袋長(zhǎng)常數(shù)是一定的。如輥筒周長(zhǎng)為300mm，該輥筒有四根筋，則袋長(zhǎng)常數(shù)為75mm。

該包裝機(jī)系統(tǒng)可在線修改袋長(zhǎng)和包裝速度，包裝速度范圍是20-200袋/分，包裝袋長(zhǎng)范圍是40-160毫米。系統(tǒng)的從軸電機(jī)選用松下中慣量750瓦交流伺服電機(jī)，采用精確的伺服位置控制方式，傳動(dòng)連續(xù)，定位準(zhǔn)確，低速特性相當(dāng)優(yōu)良，在硬件上就保證了系統(tǒng)控制的精確度。所以該系統(tǒng)包裝出來的產(chǎn)品長(zhǎng)度一致性好，誤差也很小，誤差范圍在±1mm以內(nèi)。包裝速度高，精度好是該系統(tǒng)的最大的特點(diǎn)。

一鍵設(shè)定色標(biāo)跟蹤方式，對(duì)設(shè)定錯(cuò)誤能自動(dòng)監(jiān)測(cè)。光標(biāo)定位精度高，對(duì)光電眼要求低，降低廠家配套和維護(hù)成本。無論處于跟色狀態(tài)還是數(shù)控狀態(tài)定長(zhǎng)，均能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷紙，斷紙自動(dòng)停機(jī)。跟色包裝時(shí)采用模糊容錯(cuò)技術(shù)，允許個(gè)別漏印色標(biāo)，自動(dòng)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。 此外，該系統(tǒng)還有自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能，所有工作參數(shù)自動(dòng)記憶保存。

六、結(jié)束語

實(shí)用效果表明，這里研制的自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)可廣泛適用于各類液體、粘稠體、粉末及顆粒物料等相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品的制袋充填包裝。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于包裝方便面內(nèi)包裝，袋裝洗發(fā)水等應(yīng)用場(chǎng)合，運(yùn)行穩(wěn)定，包裝產(chǎn)品一致性很好。尤其對(duì)于方便面內(nèi)包裝，對(duì)包裝袋誤差的要求不是特別嚴(yán)格，而尤其要求200袋/分以上的包裝速度，使用該自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)不僅減少了人力、物力，而且大大提高了生產(chǎn)率。