自動包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計

一、引言

隨著計算機電力電子技術(shù)的發(fā)展，各個國家機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車、家用電器、包裝機械、紡織機械、印刷機械等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術(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、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。

在包裝行業(yè)中，絕大多數(shù)包裝機采用PLC來實現(xiàn)對橫封電機的控制，該方案采用模擬量進行速度跟隨主軸運動，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運動控制器設(shè)計了一套包裝機控制系統(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重要特點，并且還具有色標跟蹤功能。

二、工作原理

如圖一所示為一包裝機的示意圖。8縱封輥筒由異步電機帶動即主軸電機，9熱封輥筒、10冷封輥筒、12切刀由一個伺服電機帶動即從軸電機。從軸電機要跟隨主軸做跟隨運動。其工作原理是MPC05運動控制器接收主軸編碼器信號，根據(jù)主軸編碼器的脈沖數(shù)按照一定的運動規(guī)律驅(qū)動伺服電機跟隨主軸作相應的跟隨運動，該伺服電機通過鏈傳動同時帶動熱封輥筒、冷封輥筒、切刀運動。

圖1 包裝機的示意圖

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

三、控制器的設(shè)計

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DSP程序，多余的空間可以用來存儲配置程序或加工程序以及系統(tǒng)工藝參數(shù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)。NAND FLASH大規(guī)模板上存儲，用于存儲配置數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)等。控制器的核心是DSP和FPGA，DSP實現(xiàn)CPU功能，F(xiàn)PGA實現(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以及從軸編碼器反饋信號，輸出的脈沖方向信號接伺服電機驅(qū)動器，I/O口接停機信號或開機信號等。兩個串口，其中，串口A為PC機接口，采用松下伺服的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通訊。串口B為人機界面接口，采用標準的 Modbus協(xié)議通訊。

四、控制程序的設(shè)計

由于縱封輥筒和橫封輥筒周長相等都為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。如果包裝袋長大于75mm，則橫封輥筒在非嚙合區(qū)應該做減速運動，然后再升速到與主軸同步，準備下一次嚙合，如果袋長小于75mm，則橫封輥筒在非嚙合區(qū)應該做升速運動，然后再降速到與主軸同步，準備下一次嚙合。在嚙合區(qū)需要橫封和縱封輥筒同步運動，否則當橫封輥筒速度高于縱封輥筒的速度時，將會出現(xiàn)扯膜現(xiàn)象;當橫封輥筒速度低于縱封輥筒的速度時，將會出現(xiàn)堆膜的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象將會影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴重的情況還可能將包裝膜扯斷。

如圖三所示為從軸電機運動的模型。

圖3 從軸電機運動的模型

設(shè)A代表主軸，B代表從軸。首先計算出A、B的周期長度(周期長度是指包裝一個袋子所需的脈沖數(shù))以及同步系數(shù)，然后將A的周期分成如圖三橫坐標所示的5 段，再根據(jù)A的5段的長度和同步系數(shù)，計算出異步系數(shù)，最后計算出B對應的5段的長度，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要求實現(xiàn)變袋長，最后的一段很短的同步段是為了使進入下一個嚙合的同步段更為平穩(wěn)(這里長度的單位均為脈沖數(shù))。

對從軸的位置控制采用比較成熟的經(jīng)典的PID控制。PID控制具有原理簡單、使用方便、適應性好等優(yōu)點。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：

(1) 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時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(各段從軸應該發(fā)的脈沖數(shù))與實際輸出值(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 (伺服電機的脈沖頻率)。控制變量的增量 的計算公式為：

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K過大時，會使動態(tài)質(zhì)量變差，導致系統(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)的動態(tài)特性，提高控制精度，但TD偏大或偏小時，都會使超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時間加長。

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

五、自動包裝機系統(tǒng)的功能

此自動包裝系統(tǒng)采用EasyView作為人機界面，界面友好豐富，適用于包裝機操作現(xiàn)場工作。控制系統(tǒng)中外圍設(shè)備和核心器件均采用工業(yè)級產(chǎn)品，保證了包裝機使用過程中的安全穩(wěn)定可靠性。簡單的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，可以分別設(shè)置包裝速度，包裝袋長、袋長參數(shù)、PID系數(shù)等參數(shù)。其中，對于固定的輥筒，袋長常數(shù)是一定的。如輥筒周長為300mm，該輥筒有四根筋，則袋長常數(shù)為75mm。

該包裝機系統(tǒng)可在線修改袋長和包裝速度，包裝速度范圍是20-200袋/分，包裝袋長范圍是40-160毫米。系統(tǒng)的從軸電機選用松下中慣量750瓦交流伺服電機，采用精確的伺服位置控制方式，傳動連續(xù)，定位準確，低速特性相當優(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。

一鍵設(shè)定色標跟蹤方式，對設(shè)定錯誤能自動監(jiān)測。光標定位精度高，對光電眼要求低，降低廠家配套和維護成本。無論處于跟色狀態(tài)還是數(shù)控狀態(tài)定長，均能夠自動監(jiān)測斷紙，斷紙自動停機。跟色包裝時采用模糊容錯技術(shù)，允許個別漏印色標，自動進行跟蹤補償。 此外，該系統(tǒng)還有自動計數(shù)的功能，所有工作參數(shù)自動記憶保存。

六、結(jié)束語

實用效果表明，這里研制的自動包裝機控制系統(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)水等應用場合，運行穩(wěn)定，包裝產(chǎn)品一致性很好。尤其對于方便面內(nèi)包裝，對包裝袋誤差的要求不是特別嚴格，而尤其要求200袋/分以上的包裝速度，使用該自動包裝機系統(tǒng)不僅減少了人力、物力，而且大大提高了生產(chǎn)率。