于 鐳，常 軍，黃存柱

(青島科技大學 自主導航與智能控制研究所，山東 青島 266042)

自動包裝機[1]是指將具有熱塑特性的塑料復合膜經(jīng)加熱軟化制成包裝容器，在1臺設備上自動完成制袋成型、填充物料、封合剪切等全過程的自動包裝設備。通過控制橫封的變速，來保證在封合剪切時切割點正好在塑料復合膜的色標點處，同時還要保證切割時三軸(即橫封軸、物料軸和塑料復合膜軸)的速度同步，以防止因速度不等產(chǎn)生劃膜或切料現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)自動包裝機都采用機械凸輪來實現(xiàn)變速運動，機械磨損嚴重、控制精度較差、凸輪維修繁瑣，很難滿足當今社會的生產(chǎn)需求。

通過軟件編程來實現(xiàn)自動包裝機的電子凸輪，與傳統(tǒng)意義上的機械凸輪相比，具有成本低、易調(diào)整、精度高等特性。由于PLC計算速度相對較慢，難以快速實現(xiàn)電子凸輪運動。而數(shù)字信號處理器DSP具有在模擬信號變換成數(shù)字信號后進行高速實時處理的能力，本設計中使用Motorola DSP 56F807芯片為處理器來實現(xiàn)包裝機的控制系統(tǒng)設計。此DSP芯片在80 MHz時鐘頻率下，每秒可處理40×106條指令，并具有豐富的外圍接口，很容易滿足包裝機的各種功能需求。

1 包裝機控制原理

自動包裝機控制系統(tǒng)的重點和難點在于三軸的位置及速度同步補償以及凸輪運動的實現(xiàn)。位置同步是：橫封的切割點必須在塑料膜的色標點內(nèi)，且保證橫封不能切到物料。速度同步是：橫封切割時的速度與此時塑料膜的速度以及物料速度要相等。例如：如果橫封切割時的速度不等于此時塑料膜的速度，兩者間的相對位移會導致加熱的橫封劃破塑料膜。凸輪運動是：由于包裝的袋長在一定范圍內(nèi)是可變的，橫封旋轉(zhuǎn)1周所經(jīng)過的距離一般不等于袋長，這就要求橫封在一定時間內(nèi)要完成由同步速度到變速再到同步速度的凸輪運動過程。

傳統(tǒng)自動包裝機是采用“電機+機械凸輪”的方式，通過不同的傳動比來實現(xiàn)三軸的速度和位置同步。對機械凸輪和傳動鏈條的精度要求比較高，而對電機的勻速控制則比較簡單，因此具有易磨損、維修繁瑣等不足。

基于DSP的自動包裝機控制系統(tǒng)是采用“伺服電機+電子凸輪”的方式，通過控制三軸伺服電機的脈沖頻率來實現(xiàn)橫封軸的電子凸輪運動和三軸的位置及速度同步功能。以DSP作為主控制器，采用了合理的凸輪運動控制算法以及同步差異時的補償算法。為達到很好的補償效果，在此采用了PID控制算法。

2 系統(tǒng)的用例建模

UML[2]是一種可用于大型系統(tǒng)建模的統(tǒng)一建模語言，它不僅支持面向?qū)ο蟮姆治龊驮O計，而且還支持軟件開發(fā)過程。本軟件設計采用UML建模語言對包裝機控制系統(tǒng)進行建模。

本文通過對系統(tǒng)功能需求進行分析，建立系統(tǒng)用例模型。系統(tǒng)功能主要包括：

(1)橫封凸輪運動控制：通過改變伺服電機在不同位置的脈沖頻率來實現(xiàn)橫封的變速功能。

(2)送料控制：通過接近開關(guān)來獲取撥叉位置，實現(xiàn)物料軸的速度和位置控制。

(3)送膜控制：通過光電傳感器來獲取色標位置，實現(xiàn)色標軸的速度和位置控制。

(4)溫度控制：控制橫封與縱封的溫度，防止溫度過高燙壞塑料膜或溫度過低導致封合不好。

(5)自動對刀功能：實現(xiàn)三軸獨立尋找切割標準點。

(6)點動功能：可以對包裝機三軸進行獨立的位置調(diào)整。

(7)切割標準點位置調(diào)整功能：可以針對不同的包裝長度來調(diào)整三軸的切割標準點。

(8)自動找零功能：上電后三軸自動尋找各自的傳感器位置，從而實現(xiàn)了三軸機械的絕對位置找零。

(9)定點停車功能：橫封在指定位置停車，防止因隨意停車使橫封燙壞塑料復合膜。

(10)故障檢測與自動停車：根據(jù)當前故障情況進行信息提示，并在伺服報警、溫控過熱等故障時，自動控制包裝機在設定位置停車并顯示停車原因。

(11)信息管理功能：可進行控制數(shù)據(jù)的設定，控制狀況的顯示、各種生產(chǎn)信息的統(tǒng)計。

(12)掉電保護：當控制器檢測到掉電時，將包裝機當前運行狀態(tài)、重要參數(shù)保存在Flash，重上電時讀取這些參數(shù)。

圖1 包裝機電控系統(tǒng)用例圖

根據(jù)以上功能系統(tǒng)用例如圖1所示。操作者、觸摸屏、傳感器、三軸伺服電機編碼器都是本系統(tǒng)參與者。操作者通過操作面板控制包裝機的啟停，通過觸摸屏可以修改包裝機的工藝參數(shù)，顯示運行信息，改變袋長控制模式。三軸編碼器是包裝機運動的核心，包裝機的各種動作都是基于三軸反饋的位置信息發(fā)生的。傳感器系統(tǒng)用例可擴展為：協(xié)助三軸控制、自動找零、對刀等功能的實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件狀態(tài)模型

狀態(tài)圖可以比較直觀地顯示包裝機各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，描述實時系統(tǒng)并發(fā)任務中對象之間的交互信息。根據(jù)包裝機電控系統(tǒng)的功能分析及用例，可以構(gòu)造出如圖2所示的DSP程序的狀態(tài)圖。

圖2 包裝機電控系統(tǒng)狀態(tài)圖

包裝機電控系統(tǒng)可分為：初始化狀態(tài)、待機狀態(tài)、輔助動作狀態(tài)、工作狀態(tài)、報警狀態(tài)。某一時刻包裝機只能處在1個狀態(tài)，2種狀態(tài)不能同時被激活。

系統(tǒng)上電進入初始化狀態(tài)后，系統(tǒng)讀取Flash內(nèi)的工藝參數(shù)并賦予相應內(nèi)存變量，初始化硬件接口，初始化完畢進入待機狀態(tài)。通過觸摸屏上的按鍵可進入輔助動作狀態(tài)和工作狀態(tài)。在輔助動作狀態(tài)內(nèi)，包裝機可完成對刀、點動、自動找零、定點停車和產(chǎn)量清零等功能。操作者按開車鍵，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)進行產(chǎn)品加工以及偏差補償。

4 電子凸輪控制系統(tǒng)設計[3]

伺服電機作為電子凸輪系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它的輸出精度直接影響系統(tǒng)的運動精度。伺服電機的功能是將電脈沖信號變換成相應的角位移，即給1個電脈沖信號，電機將轉(zhuǎn)過1個固定的角度(可通過設置伺服電機軸分辨率來實現(xiàn)固定角度)。由于伺服電機的角位移與輸入脈沖成比例，因此，調(diào)整DSP發(fā)出的電脈沖頻率，就可以對伺服電機進行調(diào)速。下面給出本系統(tǒng)采用伺服電機的電脈沖頻率的推導過程及其關(guān)系式。

設包裝機加工速度為N包/min，袋長為L，橫封寬度為 C(L＞C)，橫封半徑為 R，機械傳動比為 n。

同理，可推導出回程對應的電脈沖頻率f關(guān)系式為：

5 同步補償控制系統(tǒng)設計

同步補償控制系統(tǒng)是包裝機控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，同步補償控制的好壞直接影響產(chǎn)品切割點的位置，進而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。同步補償控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 同步補償控制系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)以軸位置為控制量，將設定切割標準點與反饋軸位置進行比較，偏差量通過控制器控制伺服電機速度微調(diào)，從而實現(xiàn)切割位置的微調(diào)。由于包裝機塑料膜以及物料的變化會使軸位置發(fā)生變化，因此每1次速度的調(diào)整都是由基本速度加上或減去補償速度量。補償速度量的計算可采用PID[4]控制算法，PID控制中的3個參數(shù)分別表示:比例(P)、積分(I)和微分(D)。 根據(jù) PID的 3個參數(shù)的含義，可以得到控制算法為：

在實際系統(tǒng)中，為使得控制算法易于實現(xiàn)，對上述公式利用矩形法代替積分部分，則可以得到差分方程如下:

PID控制易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可以滿足包裝機切割點位置控制的要求，因此在包裝機切割點位置控制中得到了應用。

中國是包裝行業(yè)大國，智能化的包裝機控制系統(tǒng)具有巨大市場，并且通過研制具有自主產(chǎn)權(quán)的高檔次自動包裝機控制系統(tǒng)將會提高我國包裝機制造的檔次，對于我國包裝機占領(lǐng)國內(nèi)外市場具有重大意義。

[1]張聰.自動化食品包裝機[M].廣州：廣東科技出版社，2006：21-23.

[2]GOMAA H.用UML設計并發(fā)、分布式、實時應用[M].呂慶中，李燁，羅方斌，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]劉文采.可編程電子凸輪開關(guān)在TPA系列自動壓縮機中的應用[J].電子世界，2002(9)：18-19.

[4]任琪.基于模糊PID控制的交流伺服系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007，23(3-1)：57-58.