謝秋梅

摘要：本文介紹了卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)，包括卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝，卷紙包裝機(jī)速度影響因素，可編程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：包裝機(jī);控制;編程

本系統(tǒng)在電氣控制部分設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到用戶的功能需求和與本系統(tǒng)機(jī)械部分的配合需求，在具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，又以系統(tǒng)的可靠性與易用性為準(zhǔn)則，盡量把本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一個(gè)功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機(jī)設(shè)備。

一、卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝概述

卷紙包裝機(jī)主要功能是將來(lái)自卷紙庫(kù)的卷紙以每分鐘60個(gè)的速率包裝成合格的小卷紙。包裝紙以大卷筒的形式放在原料架上，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令時(shí)，放卷電機(jī)動(dòng)作，開始放卷。放卷到一定長(zhǎng)度（長(zhǎng)度由色標(biāo)來(lái)檢測(cè)）時(shí)，通過(guò)色標(biāo)信號(hào)向切紙機(jī)構(gòu)發(fā)出指令。切紙機(jī)構(gòu)采用交流變頻調(diào)速電機(jī)，帶動(dòng)一個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)切斷刀上下運(yùn)動(dòng)，在凸輪上安裝一個(gè)位置傳感器，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)，切刀向上運(yùn)動(dòng)，二刀分離，當(dāng)有色標(biāo)信號(hào)時(shí)，刀又向下運(yùn)動(dòng)。切刀上、下的工作頻率可由變頻調(diào)速電機(jī)來(lái)調(diào)整，操作簡(jiǎn)便。切好的紙片經(jīng)整理后放入紙片庫(kù)中，等待推紙空心臺(tái)送紙片。同時(shí)卷紙庫(kù)的卷紙經(jīng)過(guò)整理等待托盤推桿送卷紙筒。

包裝過(guò)程通過(guò)包裝工藝盤及其輔助機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。包裝工藝盤共有八個(gè)v形槽，三個(gè)加工工位，當(dāng)包裝紙和待包裝的卷筒紙放入槽中后，由工藝盤載著其轉(zhuǎn)動(dòng)，依次送入各加工工位。工藝盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是由交流電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)的，各加工工位的動(dòng)作是通過(guò)順序邏輯控制電磁閥進(jìn)而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的。工件從1號(hào)工位裝入;在2號(hào)工位由夾鉗機(jī)構(gòu)完成前進(jìn)，抓緊，旋轉(zhuǎn)，窩邊的動(dòng)作，同時(shí)分別向托盤和推紙空心臺(tái)發(fā)出送卷紙筒和送紙片信號(hào);在3號(hào)工位，包裝好的產(chǎn)品由于重力作用落入成品庫(kù)。

由于這是一個(gè)典型的順序控制，利用移位寄存器操作最為方便。設(shè)定一個(gè)8位移位寄存器，每位移位寄存器相應(yīng)于一個(gè)V形槽，每120ms移位一次，控制相應(yīng)的操作。當(dāng)?shù)?號(hào)工位時(shí)發(fā)出上料信號(hào)，推紙空心臺(tái)推動(dòng)紙片（其總的上升時(shí)間大于490ms小于640ms），托盤推動(dòng)紙筒（其總的上升時(shí)間略小于640ms）同時(shí)以相同的速度前進(jìn)，當(dāng)工藝盤V形槽到達(dá)第一工位時(shí)，工藝盤停止，在此延時(shí)150ms，待放紙空心臺(tái)壓到紙片到位行程開關(guān)，停止，托盤壓到托盤到位行程開關(guān)，托盤停止，完成了上料操作，當(dāng)延時(shí)到，托盤和放紙空心臺(tái)后退，同時(shí)，插紙板前進(jìn)，托住紙筒與工藝盤一同運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)2號(hào)工位時(shí)，工藝盤停止，延時(shí)250ms，同時(shí)發(fā)出上料信號(hào)，在此時(shí)段內(nèi)，插紙板在工藝盤停止后也相繼停止，但由于慣性，會(huì)使包裝紙帶著紙筒旋轉(zhuǎn)一個(gè)較小的角度，使包裝紙能完全包住紙筒，然后再后退，同時(shí)夾鉗機(jī)構(gòu)軸向運(yùn)動(dòng)，碰到限位開關(guān)時(shí)，軸向運(yùn)動(dòng)停止，而三個(gè)夾桿同時(shí)徑向運(yùn)動(dòng)，抓緊包裝紙的兩端，當(dāng)碰到抓緊限位開關(guān)時(shí)，夾鉗機(jī)構(gòu)軸旋轉(zhuǎn)90度后繼續(xù)向前移動(dòng)，進(jìn)行窩邊。窩邊到位，該機(jī)構(gòu)就后退。到達(dá)3號(hào)工位時(shí)，成品落下，完成一次包裝，這樣如此循環(huán)，直到發(fā)出停止信號(hào)。包裝一個(gè)小卷紙只需880ms，可為什么在1分鐘內(nèi)卻只能包60個(gè)啦，這里還有個(gè)PLC掃描周期的問(wèn)題，本包裝程序中PLC掃描周期為120 ms。

二、卷紙包裝機(jī)速度影響的分析和提高

隨著中國(guó)改革開放與WTO的加入，中國(guó)的工業(yè)正向高速化、流水化發(fā)展，而中國(guó)的傳統(tǒng)包裝業(yè)以手動(dòng)與半自動(dòng)為主，大大阻礙了高速化發(fā)展。目前國(guó)外已有卷紙包裝機(jī)，而且速度已經(jīng)達(dá)到120個(gè)/分，而我們國(guó)家的卷紙包裝還是半自動(dòng)甚至有的小作坊還是手動(dòng)操作，平均包裝速度僅僅能達(dá)20個(gè)/分。如果引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，除了價(jià)格昂貴外而且也不利于本國(guó)的發(fā)展。因此研制高速包裝機(jī)已成為社會(huì)發(fā)展的必然。

為了滿足廠方的要求，本設(shè)計(jì)的高速卷紙包裝機(jī)包裝能力要求達(dá)到60個(gè)/Min。

我們知道包裝機(jī)速度越高，要求穩(wěn)定性和可靠性愈強(qiáng)。這就要求包裝材料供送速度快、精度高、定位準(zhǔn)確，包裝材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要符合規(guī)格，停機(jī)率低，以減少包裝材料損耗，且包裝材料的裝卸都要自動(dòng)化等。

1.影響卷紙包裝機(jī)高速化的包裝材料的性質(zhì)有：

（1）抗張（拉）強(qiáng)度要大

在高速包裝機(jī)中，包裝材料運(yùn)動(dòng)的線速度可達(dá)500m/min以上，同時(shí)包裝機(jī)都是間歇式運(yùn)動(dòng)，材料直徑大，材料運(yùn)動(dòng)慣性力大，所以應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度，防止被拉斷。在現(xiàn)行的卷紙包裝機(jī)材料供送機(jī)構(gòu)中可通過(guò)增加沖擊力緩沖裝置來(lái)解決。

（2）伸縮性要小

包裝材料在運(yùn)行中，由于卷筒直徑大、包裝運(yùn)行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準(zhǔn)確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機(jī)工作的可靠性和包裝質(zhì)量。

（3）靜電性要小

卷筒包裝材料在卷曲和使用過(guò)程中，易產(chǎn)生靜電。當(dāng)包裝材料按定長(zhǎng)切斷后，在移送過(guò)程中，一旦發(fā)生靜電粘附時(shí);就需馬上停機(jī)，所以靜電性越小越好。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響

傳統(tǒng)的包裝機(jī)在包裝材料切斷后迅速離開的辦法是用不等速機(jī)構(gòu)。常見(jiàn)的不等速機(jī)構(gòu)有：偏心鏈輪機(jī)構(gòu)，偏置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，凸輪、齒輪組合機(jī)構(gòu)，凸輪一四連桿組合不等速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及非圓齒輪機(jī)構(gòu)等。

由于偏心鏈輪機(jī)構(gòu)的變速范圍有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高速時(shí)易引起鏈條的跳動(dòng)，而且傳遞的力不易過(guò)大，因此它只適合于一些速度不太高、傳遞的力不太大的小袋包裝機(jī)。而凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)，凸輪一四連桿組合機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整不方便，運(yùn)動(dòng)沖擊又大，因此不常用。

其中偏置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是目前高速包裝機(jī)中應(yīng)用較多的一種不等速機(jī)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加工方便，調(diào)節(jié)容易，成本低。但體積比較大，調(diào)整環(huán)節(jié)比較長(zhǎng)。傳動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)角Y不等于90度，因此傳力特性不太好。當(dāng)速度超過(guò)300r/min時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能變壞，動(dòng)載振動(dòng)和動(dòng)平衡較難解決。

在設(shè)計(jì)中我們利用控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的6SE70系列變頻器及其配套電機(jī)來(lái)替代不等速機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到變速的目的，且使包裝機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，慣性小。

在包裝過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格的時(shí)序分析，知道要達(dá)到要求的速度，電機(jī)的啟動(dòng)、停止的時(shí)間一定要快，也就是電機(jī)的響應(yīng)速度要快。一般的步進(jìn)電機(jī)從上升到運(yùn)行平穩(wěn)的時(shí)間約需200—400ms，達(dá)不到120 ms的要求。通過(guò)各種資料的查詢，發(fā)現(xiàn)松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒。因此，我們?cè)谝罂焖賳⑼５目刂茍?chǎng)合，利用松下MSMA400W交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)。

整個(gè)控制系統(tǒng)以西門子S7—300系列PLC作為基礎(chǔ)，其掃描速度在其他工業(yè)控制系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位，每1000條指令約需0.3 ms。通過(guò)材料，機(jī)械，電氣的綜合考慮，我們的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，且在實(shí)驗(yàn)室也調(diào)試成功。

三、可編程控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

利用PLC可以構(gòu)成多種控制系統(tǒng)：?jiǎn)螜C(jī)控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/0控制系統(tǒng)。由于卷紙包裝機(jī)控制對(duì)象較多，有放卷分切中的張力控制，包裝過(guò)程控制，送料過(guò)程中的同步控制，且被控對(duì)象比較集中，因此我們采取集中控制系統(tǒng)方案。每個(gè)被控制對(duì)象與可編程控制器指定I/0相互連接，因此各個(gè)被控對(duì)象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的變換不需要另外設(shè)置專門的信號(hào)線路。該控制系統(tǒng)多用于控制對(duì)象所處的地理位置比較接近，且相互之間的動(dòng)作有一定聯(lián)系的場(chǎng)合。單主機(jī)控制方式，對(duì)主機(jī)要求較高，危險(xiǎn)相對(duì)集中。遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，類似于集中控制系統(tǒng)，又具有分散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，經(jīng)常用于控制規(guī)模中等，控制對(duì)象比較分散、工程費(fèi)用較低的場(chǎng)合。

PLC作為一種控制設(shè)備，用它單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)是有局限性的，主要是無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，無(wú)法顯示各種實(shí)時(shí)圖形和保存大量歷史數(shù)據(jù)，也不能顯示漢字和打印漢字報(bào)表，沒(méi)有良好的界面。這些不足，我們選用上位機(jī)來(lái)彌補(bǔ)。上位機(jī)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬顯示、分析限值或報(bào)警信息，驅(qū)動(dòng)打印機(jī)實(shí)時(shí)打印各種圖表。

（作者單位：廈門盈趣科技股份有限公司）