龔發(fā)云,朱小芹

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)

隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,市場上需要有各種相應(yīng)的包裝設(shè)備以滿足人們的消費(fèi)需求,因此,包裝機(jī)的功能和生產(chǎn)效率都有待提高.三伺服枕式包裝機(jī)是一種能自動完成制袋、填充、封口、切斷、成品排除等工序的包裝設(shè)備,主要應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè).適應(yīng)的包裝物一般為塊狀、筒狀規(guī)則物品和無規(guī)則異形物品.采用PLC控制技術(shù),能有效提高生產(chǎn)率,且包裝功能齊備,包裝范圍大,適應(yīng)市場需求.

1 工作過程

卷狀薄膜經(jīng)送膜輥,由制袋成型器卷成筒狀,并產(chǎn)生封接邊,送料裝置的推桿將包裝物推入筒狀薄膜內(nèi),牽引輥將薄膜夾緊向前推送,至縱封裝置時,對縱縫進(jìn)行封合,薄膜繼續(xù)向前供送時,整理帶將裝有包裝物的筒狀薄膜整理整齊,經(jīng)過橫封橫切部位時,橫封橫切裝置完成橫封與切斷工序,實現(xiàn)塊狀包裝物料的枕型袋包裝,最后由成品輸出機(jī)構(gòu)輸出[1].

三個伺服電機(jī)分別控制膜、料、刀三個傳動軸,用三臺伺服驅(qū)動器分別驅(qū)動三臺伺服電機(jī),可以分別對三軸的運(yùn)動進(jìn)行調(diào)節(jié),并實現(xiàn)三軸的配合.包裝機(jī)的送膜和送料同步,由色標(biāo)傳感器、接近開關(guān)分別檢測送膜和送料的位置.為使橫切刀準(zhǔn)確地切到色標(biāo)位置處,需檢測切點(diǎn)信號,實時調(diào)速.包裝機(jī)的工作循環(huán)見圖1.

2 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)包括可編程序控制器(PLC),執(zhí)行元件(伺服電機(jī)、氣缸),操作面板(觸摸屏、按鈕開關(guān)、指示燈和蜂鳴器),檢測元件(光電開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等)等幾部分[2].主要硬件選型:伺服系統(tǒng),Lenze(內(nèi)置 PLC);觸摸屏,UG221HSR4(彩);光電開關(guān),T L46-WL(三色);溫度控制器,E5CZ-Q2;旋轉(zhuǎn)編碼器,增量式E6B2-CWZ6C.

圖1 包裝機(jī)的工作循環(huán)圖

2.1 PLC

具有可靠連鎖控制特點(diǎn),自動循環(huán)掃描各個輸入和輸出點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài),并根據(jù)梯形圖程序所確定的邏輯關(guān)系更新輸出點(diǎn)的狀態(tài),通過控制伺服電機(jī)運(yùn)動和氣缸動作,完成從膜、料輸送到產(chǎn)品輸出全過程的自動控制.可實現(xiàn)包裝機(jī)快速與精準(zhǔn)的傳動定位(如橫切、電子凸輪和糾偏等);以及精確的過程控制(如溫度、壓力等PID調(diào)節(jié)).

2.2 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性好,響應(yīng)快,閉環(huán)控制,精度高.交流伺服電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi),輸出額定轉(zhuǎn)矩;在額定轉(zhuǎn)速以上,恒功率輸出.伺服驅(qū)動系統(tǒng)自帶編碼器,實時反饋位置信號,位置控制精度高.

2.3 觸摸屏

采用人機(jī)界面作為操作界面,進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示等,完成操作人員與PLC之間的通訊對話.通過觸摸屏對各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,以菜單形式顯示功能切換、數(shù)據(jù)輸入、運(yùn)行狀態(tài)等.運(yùn)用EV5000軟件進(jìn)行各畫面設(shè)計,包括功能選擇畫面、數(shù)據(jù)顯示畫面、參數(shù)設(shè)置畫面等[3],主要操作畫面見圖 2、3.

2.4 光電開關(guān)

檢測包裝膜上的色標(biāo),對色標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位,精確地追蹤到切點(diǎn)的位置,使橫封刀能在色標(biāo)處準(zhǔn)確進(jìn)行,保證包裝成品商標(biāo)圖案完整.封切精度±0.2 mm.

2.5 溫度控制器

集成了四路PID進(jìn)行封口的溫度控制,根據(jù)包裝膜的品種及包裝速度的快慢選擇適當(dāng)設(shè)置溫度,當(dāng)溫度未達(dá)到設(shè)定值時,繼續(xù)加熱,包裝機(jī)不啟動;當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時,停止加熱,繼續(xù)工作,直到低于設(shè)定值時,再進(jìn)行加熱.溫度控制精度±3℃.溫度的控制精度直接影響到封口質(zhì)量,決定著包裝質(zhì)量的優(yōu)劣.

3 控制原理

傳統(tǒng)的包裝機(jī)通過復(fù)雜的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu),實現(xiàn)各動作執(zhí)行部件的同步運(yùn)轉(zhuǎn),體積龐大,維修困難,包裝速度慢.采用PLC控制伺服的方案,當(dāng)包裝參數(shù)發(fā)生變化時,只需簡單調(diào)整控制軟件,調(diào)整簡單迅速,控制靈活,定位精度提高.

控制系統(tǒng)框圖見圖4,PLC負(fù)責(zé)各種控制信號的轉(zhuǎn)化及伺服驅(qū)動器的控制,最終控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動,伺服系統(tǒng)內(nèi)部的編碼器對速度以及位置等信息進(jìn)行反饋,將數(shù)據(jù)傳送回PLC,PLC再將數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏,顯示屏主要對運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行顯示,這樣在運(yùn)行的時候就可以實時檢測到當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、包裝產(chǎn)品的數(shù)量等.

圖4 控制系統(tǒng)框圖

三伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)的重點(diǎn),是送膜、送料、橫封橫切三軸的位置和速度的同步控制以及電子凸輪運(yùn)動的實現(xiàn).位置同步,即橫封刀能準(zhǔn)確地切到薄膜的色標(biāo)處.速度同步,即橫封切斷時橫封刀的水平速度,應(yīng)與此時的送膜速度與送料速度相等.

送膜采用速度控制方式,通過色標(biāo)傳感器和編碼器分頻信號檢測膜的色標(biāo)位置.送料用速度控制方式,通過接近開關(guān)和伺服驅(qū)動器的編碼器分頻信號檢測推桿位置,進(jìn)行位置控制.橫封橫切采用電子凸輪同步控制方式,通過接近開關(guān)和設(shè)定的橫封刀每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)進(jìn)行位置檢測.

PLC發(fā)送脈沖到伺服系統(tǒng),伺服驅(qū)動器根據(jù)PLC發(fā)送的脈沖頻率控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速,脈沖數(shù)對應(yīng)電子凸輪角度.同時PLC還要檢測和比較色標(biāo)和封切點(diǎn)的位置信號,判斷封切點(diǎn)的位置正常、超前或滯后,確定超前或滯后量,控制脈沖頻率修正轉(zhuǎn)速,使切刀切到色標(biāo)處,實現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制[4].三軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動的控制框圖見圖5.

橫封橫切軸的伺服電機(jī)在不同相位對應(yīng)著不同脈沖頻率,可實現(xiàn)橫封橫切的變速功能,即包括同步區(qū)速度V1和非同步區(qū)速度V2.橫封輥旋轉(zhuǎn)一周的時間,包括封切時間 T1,空轉(zhuǎn)時間 T2.橫封輥旋轉(zhuǎn)一周的長度C與輸送一個包裝袋長L(即兩色標(biāo)之間的距離)相等.又橫封輥同步區(qū)速度與生產(chǎn)能力即包裝速度相等即V1=V,所以在非同步區(qū),需加減速運(yùn)動,使橫封輥旋轉(zhuǎn)一周的時間為一個生產(chǎn)周期T.可得橫封輥運(yùn)動軌跡見圖6,計算非同步區(qū)的轉(zhuǎn)速.設(shè)定橫封輥直徑為D(橫封輥轉(zhuǎn)一圈進(jìn)行一次封切).點(diǎn)M為同步起點(diǎn),點(diǎn)N為同步終點(diǎn),點(diǎn)T為封切點(diǎn),橫封輥同步區(qū)轉(zhuǎn)動角度為 α,圓周行程為Dα/360,非同步區(qū)為β,圓周行程為Dβ/360.

第一種情況,封切點(diǎn)在色標(biāo)位置時,橫封輥旋轉(zhuǎn)一周的時間與輸送一個包裝袋長(即兩色標(biāo)之間的距離)的時間相等,都等于生產(chǎn)周期T.可得

將α+β=360,V1=V代入上式可得

第二種情況,由于薄膜的張力變化等一些因素的影響,會使送膜速度與封切速度不同步,使色標(biāo)與封切點(diǎn)位置產(chǎn)生偏差,需及時校正,對下一個即將送入的袋長做出相應(yīng)的補(bǔ)償,補(bǔ)償長度為S.

橫封輥旋轉(zhuǎn)一周的時間等于輸送一個包裝袋長的時間.可得

將α+β=360,V1=V代入上式可得

在非同步區(qū)對速度做相應(yīng)的加減速調(diào)整,就可使封切刀準(zhǔn)確地切到色標(biāo)位置處,保證精準(zhǔn)的位置控制.

4 結(jié)論

三伺服枕式包裝機(jī)采用以光電檢測技術(shù)、傳感技術(shù)、可編程控制技術(shù)(PLC)和伺服系統(tǒng)為一體的控制系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、包裝范圍廣、效率高、通用性好、自動化程度高等特點(diǎn),能滿足市場的需要,有利于包裝行業(yè)的發(fā)展.

[1]蔡 偉.歐姆龍伺服控制器在多伺服枕式包裝機(jī)中的應(yīng)用[J].自動化博覽,2009(4):86-88.

[2]張利平,曹巨江.自動包裝機(jī)模塊化控制系統(tǒng)的研究[J].包裝與食品機(jī)械,2006(8):13-15.

[3]郭麗霞,李秉玉.PLC在小型立式自動包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007(3):34-36.

[4]張 聰,崔海榮,連續(xù)自動制袋充填包裝機(jī)的模塊化設(shè)計及其控制系統(tǒng)的研究[J].包裝與食品機(jī)械,2002(6):1-3.