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同時(shí)鉤爪輸送鏈將待包裝物傳送到套筒中；最后，由橫封裝置完成橫向封合切斷并輸出成品。電機(jī)轉(zhuǎn)速。定義伺服電機(jī)分辨率即其旋轉(zhuǎn) 1 圈所需脈沖個(gè)數(shù)為 K，那么對(duì)應(yīng)脈沖頻率 f 可表示為：

圖 1 枕式包裝機(jī)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of pillow packaging machine

主電機(jī)一般選用三相電機(jī)，經(jīng)中間機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳送至橫封裝置。為滿足包裝工藝要求，橫封裝置通常作凸輪運(yùn)動(dòng)，即空轉(zhuǎn)情況下速度比較快；在封切區(qū)間內(nèi)其速度比較慢，這樣就可以保證包裝膜進(jìn)給速度和封切線速度相匹配，進(jìn)而提高包裝封切質(zhì)量。一旦設(shè)定包裝機(jī)械的生產(chǎn)率，就可根據(jù)包裝袋長(zhǎng)或色標(biāo)間距，以橫封速度為基準(zhǔn)，調(diào)整縱封伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)控制縱封速度以調(diào)節(jié)包裝薄膜的速度。

2. 色標(biāo)定位方法

包裝薄膜輸送過(guò)程見(jiàn)圖 2。色標(biāo)傳感器安裝在成型器前端并選用漫反射式光電傳感器，主要用于檢測(cè)包裝薄膜上的色標(biāo)位置。色標(biāo)傳感器具體型號(hào)應(yīng)根據(jù)包裝薄膜顏色來(lái)選擇。為便于色標(biāo)補(bǔ)償，通常要求橫封

通過(guò)觸摸屏設(shè)置包裝袋長(zhǎng) l，由 PLC 控制器根據(jù)上式求解出對(duì)應(yīng)的脈沖頻率 f 和脈沖數(shù)目 k，并將這2 個(gè)參數(shù)傳送至伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按設(shè)定參數(shù)運(yùn)行。雖然 PLC 可以保證伺服電機(jī)按設(shè)定參數(shù)精確運(yùn)行，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，包裝薄膜所受張緊力往往不均衡，同時(shí)受機(jī)械振動(dòng)、印刷誤差等外在因素影響，難免出現(xiàn)色標(biāo)超前或滯后的情況。為解決此問(wèn)題，可采用如下方法(見(jiàn)圖 3)：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中包裝薄膜沿成型器方向以特定速度前進(jìn)；色標(biāo)傳感器下有薄膜印刷色標(biāo)經(jīng)過(guò)時(shí)，其都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)M；同樣，橫封裝置封切筒狀且內(nèi)含包裝物料的包裝袋時(shí)，凸輪開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào) N。

圖 3 傳感器檢測(cè)信號(hào)

Fig.3 Sensor detection signal

定義電信號(hào) M 和 N 的周期為 T₁ 和 T₂，理想情況 率、脈沖數(shù)目應(yīng)根據(jù)式(5)和式(6)進(jìn)行調(diào)整下，滿足 T₁=T₂，為了便于研究與分析，可近似認(rèn)為電信號(hào) M 和 N 的周期相等，均用 T 表示。若以橫封切斷信號(hào) N 作為基準(zhǔn)，那么包裝過(guò)程中電信號(hào) M 和

N 之間存在 3 種時(shí)序關(guān)系，見(jiàn)圖 4。圖 4a 表示信號(hào) M和 N  同時(shí)發(fā)生，即最優(yōu)狀況。不過(guò)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，信號(hào) M 和 N 只需部分重合就沒(méi)有必要進(jìn)行補(bǔ)償。圖 4b 表示信號(hào) M 滯后于信號(hào) N，即縱向封合平均速度小于橫向封切平均速度，切口位置超前，此時(shí)縱封機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)需要加速。圖 4c 表示信號(hào) M 超前于信號(hào) N，即縱向封合平均速度大于橫向封切速度，切口位置滯后，此時(shí)縱封機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)需要減速。

圖 4 時(shí)序關(guān)系

Fig.4 The sequence diagram

3. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
   1. 硬件配置

根據(jù)包裝機(jī)械工藝要求和控制需求，基于 PLC 控制器搭建其控制系統(tǒng)，PLC 端口分配見(jiàn)表 1，總共需要 11 個(gè)輸出接口以及 13 個(gè)輸入接口。

表 1 PLC 端口配置

Tab.1 PLC port configuration

三菱 FX2N 系列 PLC 具有比較豐富的指令控制系統(tǒng)，如運(yùn)動(dòng)控制、通訊控制以及十分靈活的擴(kuò)展功能。擴(kuò)展后可保證控制系統(tǒng)具備多路 A/D 和 D/A 通道，以滿足多點(diǎn)速度檢測(cè)、控制的要求，有利于實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械色標(biāo)的準(zhǔn)確定位。PLC 溫控模塊FX2N-4AD-TC 實(shí)現(xiàn)縱封機(jī)構(gòu)和橫封機(jī)構(gòu)的溫度采集，并將模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將其傳送至  PLC  內(nèi)進(jìn)行處理。當(dāng)出現(xiàn)色標(biāo)和刀位信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)并向  PLC  發(fā)送一個(gè)脈沖。如上所述，結(jié)合控制程序進(jìn)行速度匹配和位置當(dāng)縱封超前時(shí)，其伺服電機(jī)控制參數(shù)包括運(yùn)行頻匹配，從而提高了包裝精度。PLC 接線見(jiàn)圖 5。

圖 5 PLC 接線

Fig.5 PLC wiring diagram

伺服電機(jī)選用通用 HF-KN73(B)系列，與其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器為 MR-E 系列的 MR-E-70A。電機(jī)相關(guān)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速為 3000 r/min；額定輸出功率為 750

W；最大轉(zhuǎn)速為 4500 r/min；最大輸出轉(zhuǎn)矩為 7.2 N·m；瞬間最大轉(zhuǎn)速為 5175 r/min。另外，選用  F930GOT 系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面。其不僅可以作為控制參數(shù)，如包裝袋長(zhǎng)、速度、熱封溫度輸入以及包裝機(jī)械運(yùn)行情況實(shí)時(shí)顯示等。

1. 2. 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括觸摸屏程序設(shè)計(jì)、PLC 控制程序設(shè)計(jì)等。此處重點(diǎn)介紹 PLC  控制程序設(shè)計(jì)方法， 例如伺服驅(qū)動(dòng)控制、色標(biāo)自動(dòng)定位、串行通訊等。

控制器主要用于處理各種反饋信號(hào)并根據(jù)處理結(jié)果控制伺服驅(qū)動(dòng)器，以協(xié)調(diào)包裝機(jī)械各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。伺服驅(qū)動(dòng)器為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)置編碼器檢測(cè)位置和速度等信號(hào)，將其反饋到  PLC  以保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確性。伺服驅(qū)動(dòng)器接收控制器所傳送脈沖信號(hào)，其中脈沖頻率用于控制器電機(jī)轉(zhuǎn)速、脈沖數(shù)目用于控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。另外，控制器還可根據(jù)色標(biāo)、刀位檢測(cè)信號(hào)判斷封切位置是否在誤差允許范圍內(nèi)。枕式包裝機(jī)色標(biāo)定位控制流程見(jiàn)圖 6。首先，進(jìn)行故障檢測(cè)，判斷系統(tǒng)是否存在嚴(yán)重故障，如果存在故障，則進(jìn)行排除；如果沒(méi)有故障，則按下啟動(dòng)按鈕。系統(tǒng)運(yùn)行前先判斷系統(tǒng)是否有故障，如無(wú)故障則按下啟動(dòng)按鈕；橫封、縱封電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；在包裝過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)色標(biāo)和刀位信號(hào)，判斷橫封與縱封是否同步；如果不同步，則具體情況（滯后或超前）做相應(yīng)的補(bǔ)償。若按下停止按鈕，系統(tǒng)完成當(dāng)前包裝周期后停止運(yùn)行。

圖 6 枕式包裝機(jī)色標(biāo)定位流程

4. 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所述枕式包裝機(jī)自動(dòng)定位方法的可行性和有效性，選用上述的 FX2N 系列 PLC 和伺服系統(tǒng)Fig.6 Color positioning process of pillow packaging machine搭建控制平臺(tái)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

首先，進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 1，包裝誤差實(shí)驗(yàn)，以排除其對(duì)色標(biāo)定位的影響。設(shè)定包裝速度為 80 包/min，包裝長(zhǎng)度在 100~300 mm 內(nèi)隨機(jī)選取，實(shí)測(cè)包裝誤差見(jiàn)表2。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：包裝誤差非常小，可以忽略不計(jì)。伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制能夠保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)十分精確， 再加上電機(jī)軸和橫向封切軸為剛性連接，電機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差很小，故可不考慮其對(duì)色標(biāo)定位精度的影響，因此， 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)重點(diǎn)考慮張緊力失衡、振動(dòng)等因素。然后， 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 2，色標(biāo)定位誤差實(shí)驗(yàn)。設(shè)定包裝速度為 80

包/min、包裝長(zhǎng)度為 100 mm、色標(biāo)寬度為 5 mm，測(cè)量切點(diǎn)和色標(biāo)中心點(diǎn)之間的距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣見(jiàn)表2。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：最大誤差只有 1 mm，小于色標(biāo)寬度的一半，即切點(diǎn)仍位于色標(biāo)點(diǎn)上。表明文中所述色標(biāo)自動(dòng)定位方法可以滿足包裝機(jī)械對(duì)色標(biāo)定位精度的要求。