林潘忠 - 孫蓓蓓 - 郎文昌 -

(1. 溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

枕式包裝機(jī)生產(chǎn)對象量大面廣，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、電子等領(lǐng)域，可完成物料自動(dòng)填充、封口、切斷等一系列動(dòng)作。隨著包裝機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，枕包機(jī)的生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性以及可靠性需滿足更高的要求，如何提高枕式包裝機(jī)的包裝速度和精度成為了國內(nèi)外研究的重點(diǎn)[1]。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面，絕大部分自動(dòng)包裝機(jī)都采用三伺服控制系統(tǒng)，主要研究包裝機(jī)械智能化控制[2-3]和伺服系統(tǒng)控制[4-6]?；谥悄芸刂破骱退欧到y(tǒng)可以在一定程度上提升枕包機(jī)的智能化水平和效率，隨著精度和穩(wěn)定性要求的提升，單純依靠PLC控制已很難滿足多軸控制的要求。

在鋁塑版板式藥品枕式包裝機(jī)械研究方面，90%的中國外包聯(lián)動(dòng)線整體速度<240包/min，其主要原因是枕包環(huán)節(jié)制約了整線速度。就復(fù)合膜而言，在一定熱封溫度下，薄膜從常溫開始升溫再到完全熱封，用時(shí)是固定的。單封切往復(fù)式枕包機(jī)其熱封與切斷處于同一時(shí)間，熱封時(shí)間有限，為保證熱封效果，只能控制設(shè)備運(yùn)行速度，導(dǎo)致設(shè)備速度無法進(jìn)一步提升，生產(chǎn)效率較低。

針對上述問題，試驗(yàn)擬以往復(fù)式枕式包裝機(jī)為研究對象，對其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合PLC控制的方式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的同步控制和封切溫度的控制，減輕控制系統(tǒng)編程難度，提升機(jī)器運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，旨在降低枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)故障率。

1 枕式包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作流程

枕式包裝機(jī)是一種以復(fù)合膜為主要包裝材料，對食品、藥品及其他日化材料進(jìn)行快速包裝的智能設(shè)備[7]，包裝速度>200包/min。雙端封往復(fù)式高速枕式包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由送料裝置、送膜裝置、放膜裝置、雙膜對接裝置、預(yù)熱封裝置、熱封切裝置等組成。送料裝置由一道加料組件與二道加料組件構(gòu)成，中間裝有補(bǔ)料檢測組件，保證物料準(zhǔn)確傳送。放膜裝置為雙膜對接放膜方式，在物料包裝輸送裝置的上方處裝有一道下壓排氣裝置，對物料包裝袋內(nèi)的空氣進(jìn)行排空處理。

雙端封往復(fù)式枕式包裝機(jī)包裝工藝流程如圖2所示。雙端封同步封切機(jī)構(gòu)由預(yù)熱封裝置和正常封切裝置組成雙端封結(jié)構(gòu)，熱封時(shí)，裝有物料的包裝膜首先經(jīng)過第一道無紋路、無切斷功能的預(yù)熱封裝置進(jìn)行預(yù)先熱封處理，然后進(jìn)入封切裝置進(jìn)行第二道熱封并同時(shí)由切刀進(jìn)行切斷處理。兩道端封均采用伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，封合時(shí)間點(diǎn)任意可調(diào)，從而保證兩次封合的位置完全吻合。

1. 伺服加料器 2. 制袋器 3. 放膜部 4. 承膜輥 5. 雙膜對接裝置 6. 上壓刷 7. 操作面板 8. 出料輸送 9. 牽引輪部 10. 中封加熱 11. 中封輪 12. 送料輸送 13. 預(yù)熱封裝置 14. 過渡輸送 15. 封切裝置

圖1 枕式包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

Figure 1 Mechanical structure of pillow packaging machine

1. 加料 2. 補(bǔ)料 3. 膜A 4. 雙膜對接 5. 膜B 6. 物料入袋 7. 一次排氣 8. 二次排氣 9. 異常品剔除 10. 送料 11. 物料異常檢測 12. 膜成型制袋 13. 中封 14. 端封預(yù)熱封 15. 端封熱封切 16. 成品輸出

圖2 枕式包裝機(jī)工藝流程圖

Figure 2 Process flow chart of pillow packing machine

包裝袋經(jīng)過二次熱封而封合，提高了熱封時(shí)間，包裝更加牢固可靠。

2 多軸控制模式研究

2.1 現(xiàn)有控制系統(tǒng)分析

枕式包裝機(jī)的控制系統(tǒng)由單變頻發(fā)展到目前的三伺服系統(tǒng)[8-9]，控制精度不斷提高。要實(shí)現(xiàn)高速、高精度的包裝過程，其控制重點(diǎn)在于送料、送膜以及橫封橫切軸三軸的配合[10]。單封切往復(fù)式枕式包裝機(jī)主要部件包含加料、送料、承膜、放膜、雙膜對接、成型制袋、中封、上排氣、端封前輸送、端封熱封切、成品輸出部件，其中承膜、送料和端封熱封切部件均已采用獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)，而放膜、中封、上排氣、端封前輸送和成品輸出部件則通過機(jī)械傳動(dòng)相連接，再由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整機(jī)伺服布局較為復(fù)雜，其布局圖如圖3所示。

由于復(fù)合膜存在拉伸率因素，設(shè)備運(yùn)行時(shí)需要送膜線速度和中封牽引線速度存在一個(gè)微小的差值，這樣才能保證復(fù)合膜在牽引時(shí)始終處于張緊的狀態(tài)，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行，而不同成分的復(fù)合膜拉伸率不同，上述速度差也應(yīng)隨著復(fù)合膜拉伸率的不同進(jìn)行相應(yīng)的改變。單封切往復(fù)式枕式包裝機(jī)送膜和中封等部件為機(jī)械聯(lián)動(dòng)關(guān)系，在線運(yùn)行速度差難以調(diào)節(jié)，因此在高速運(yùn)行模式下會(huì)影響產(chǎn)品的外觀和包裝質(zhì)量，次品率高。此外，單封切往復(fù)式枕式包裝機(jī)存在多個(gè)部件的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，各機(jī)組互相干擾，在設(shè)備裝配、調(diào)試和后期保養(yǎng)維護(hù)上較為麻煩，且高速運(yùn)行時(shí)噪音較大。

圖3 現(xiàn)有整機(jī)伺服布局圖

2.2 多軸系統(tǒng)非線性同步控制理論

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)拉格朗日方程，忽略非線性摩擦和外部擾動(dòng)的影響，多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：

(1)

式中：

Mx(q)——對稱正定慣性矩陣；

Gx(q)——重力矢量，N；

x——末端位姿向量。

對于多軸系統(tǒng)的位置誤差控制問題[11-12]，當(dāng)給定期望位置qd，通過設(shè)計(jì)控制力矩F使位置誤差和同步誤差漸近趨向于零，定義位置誤差矢量為：

e=qd-q，

(2)

式中：

e——位置誤差矢量；

q——實(shí)際位置。

同步誤差矢量定義為該軸的位置誤差與其相鄰兩軸的位置誤差，各軸的位置關(guān)系如下：

(3)

式中：

ei——第i個(gè)軸的位置誤差；

Ei——第i個(gè)軸的位置同步誤差。

在式(3)中，如果位置同步誤差Ei均為零，則同步的位置誤差e1=e2=···=en即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，將式(3)整理成矩陣形式可表示為：

(4)

即

E=T·e，

(5)

式中：

定義耦合的位置誤差變量如下：

ε=e+φE。

(6)

將式(5)代入式(6)可得：

ε=Ie+φTe，

(7)

式中：

I——單位對角矩陣；

φ——同步控制相關(guān)的正數(shù)。

其中，φ越大，同步控制作用也越強(qiáng)，由式(7)可知，當(dāng)e=0，E=0時(shí)，耦合的位置誤差ε=0。

2.3 枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于目前單封切往復(fù)式枕式包裝機(jī)傳動(dòng)復(fù)雜、送膜線速度和中封牽引線速度差無法調(diào)節(jié)等問題，在三伺服控制基礎(chǔ)上對枕式包裝機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的伺服電機(jī)來控制各運(yùn)動(dòng)部件，各部件主軸間均存在相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。采用該種控制模式后，送膜線速度和中封牽引線速度均可獨(dú)立調(diào)節(jié)，極簡的傳動(dòng)模式為設(shè)備裝配和后期維護(hù)帶來了極大的便利。而溫度控制和色標(biāo)跟蹤等其他部件則采用PLC控制方式，根據(jù)包裝工藝流程，控制系統(tǒng)整體框圖如圖4所示。

2.3.1 運(yùn)動(dòng)軸控制及同步控制原理 PLC系統(tǒng)作為控制

圖4 控制系統(tǒng)整體框圖

裝置時(shí)，其控制方便、通用性強(qiáng)，但對于精度要求高，如同步控制或反應(yīng)靈敏性要求高時(shí)難以做到或編程非常困難，而且成本較高。采用運(yùn)動(dòng)控制器代替PLC控制各軸轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器為TRIO MC4N P908型，配備專用的TRIO擴(kuò)展I/O模塊，具有控制精度高、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備共有12根可控軸，在運(yùn)行過程中，加料、補(bǔ)料、送料、放卷、送膜、中封、端封預(yù)熱封、中輸和端封熱封切9大部件主軸可以同時(shí)進(jìn)行差速運(yùn)動(dòng)控制，均由獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的速度、位置同步，以保證包裝質(zhì)量和效率。各軸的獨(dú)立伺服布局如圖5所示。

1. 中封伺服 2. 放膜伺服 3. 放卷伺服 4. 封切伺服 5. 中輸伺服 6. 端封預(yù)熱伺服 7. 送料伺服 8. 補(bǔ)料伺服 9. 給料伺服

圖5 各軸獨(dú)立伺服布局

Figure 5 Independent servo layout of axis

在實(shí)際控制中，根據(jù)主從同步控制原理[13-14]，定義放膜軸為主動(dòng)軸，其余8軸均為從動(dòng)軸。放膜軸位置誤差可表示為e1、其余各軸的位置誤差可分別表示為ei(i=2，3，…，9)，主動(dòng)軸的同步誤差可表示為ε1=0，各軸同步誤差可表示為εi=ei-e1，若能使εi=0，即可實(shí)現(xiàn)放膜軸和其余各軸的速度或位置匹配，實(shí)現(xiàn)同步控制。伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)均由TRIO運(yùn)動(dòng)控制器控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)及相應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)器，各軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度根據(jù)編程事先輸入的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中一軸速度出現(xiàn)變化時(shí)，其余各軸均會(huì)做出相應(yīng)變化。

2.3.2 封切溫度控制模塊和其他硬件設(shè)計(jì) 除運(yùn)動(dòng)軸外，系統(tǒng)中其他控制采用PLC控制，設(shè)計(jì)成本低、效率高。

圖6 同步控制原理

針對枕式包裝機(jī)功能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，選擇松下FP0R-C16T PLC主機(jī)，主要組成單元包括CPU、電源、溫度控制以及基本I/O模塊等。溫度控制模塊采用松下FP0-TC8熱電偶和松下FP0R-DA4模擬量模塊完成溫度模擬量的采樣，并將溫度信號傳送至PLC進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)封裝溫度的精確控制。在物料傳輸方面，通過色標(biāo)傳感器、物料檢測傳感器反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)物料供應(yīng)出現(xiàn)無料情況時(shí)，機(jī)器不停止運(yùn)行，但送膜和刀封電機(jī)相對無料位置會(huì)停止運(yùn)行，待無料工位運(yùn)行完后重新啟動(dòng)運(yùn)行。

由于枕式包裝機(jī)包裝對象多樣，采用PROFACE觸摸屏作為枕式包裝機(jī)的控制媒介，通過該觸摸屏可實(shí)現(xiàn)包裝參數(shù)的輸入、包裝速度設(shè)定和各軸點(diǎn)動(dòng)控制等功能，觸摸屏主控界面如圖7所示。

3 實(shí)例論證

為驗(yàn)證所述控制系統(tǒng)和雙端封熱封結(jié)構(gòu)的有效性，在實(shí)驗(yàn)室階段研制適合鋁塑版包裝的食品、藥品雙端封枕式包裝機(jī)樣機(jī)如圖8所示。該枕式包裝機(jī)采用上述控制系統(tǒng)，摒棄了現(xiàn)有產(chǎn)品復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軸機(jī)械連接方式，中封、放膜、放卷、封切、中輸、端封預(yù)熱、送料、補(bǔ)料和給料機(jī)構(gòu)等主軸均采用運(yùn)動(dòng)控制器控制的伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

圖7 觸摸屏主控界面

圖8 枕式包裝機(jī)樣機(jī)

以包裝尺寸60 mm×100 mm的鋁塑藥板為例，目前通用的單封切枕式包裝機(jī)的包裝速度為220包/min左右，最高速度為240包/min，但隨著包裝速度的增加，封切時(shí)間縮短，包裝氣密性合格率減低，次品率也隨之增加，在240包/min的包裝速度下，通過色標(biāo)跟蹤誤差測試，測得偏差數(shù)值為2 mm。

對上述樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測得最高穩(wěn)定包裝速度可達(dá)321包/min，較現(xiàn)有產(chǎn)品提高了33%；色標(biāo)跟蹤誤差測試測得偏差數(shù)值為1.5 mm，與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，其包裝精度提高了25%以上；通過真空檢測測試包裝氣密性(以1萬包為例)，將鋁塑復(fù)合袋放置在色水中真空(80±13) kPa，保壓30 s檢漏，以封口無漏氣和氣泡為標(biāo)準(zhǔn)，合格率達(dá)99.96%以上，鋁塑板密封性好，具體參數(shù)對比如表1所示。

表1 現(xiàn)有枕式包裝機(jī)與樣機(jī)包裝參數(shù)對比

由表1可知，基于運(yùn)動(dòng)控制器控制的多軸同步控制技術(shù)可將包裝誤差控制在±1.5 mm以內(nèi)，與傳統(tǒng)枕式包裝機(jī)械相比，其機(jī)械速度和包裝速度都有大幅提高，包裝精度大大提高；包裝對象的參數(shù)設(shè)置十分便捷，只需通過觸摸屏修改設(shè)定即可。

4 結(jié)論

以雙端封往復(fù)式枕式包裝機(jī)為例，介紹了其結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)。雙端封預(yù)熱封系統(tǒng)使每個(gè)產(chǎn)品的相同位置可以受到兩次熱封，提升了單位時(shí)間內(nèi)的有效熱封時(shí)間，提高了包裝質(zhì)量。在系統(tǒng)控制方面，研究了多軸非線性同步控制在枕式包裝機(jī)中的應(yīng)用，采用TRIO運(yùn)動(dòng)控制器+PLC的控制，驅(qū)動(dòng)各軸的伺服電機(jī)均由運(yùn)動(dòng)控制器控制，送膜線速度和中封牽引線速度均可獨(dú)立調(diào)節(jié)，解決了由于復(fù)合膜拉伸率因素導(dǎo)致的各項(xiàng)問題，提高了枕式包裝機(jī)的包裝精度和效率。該控制算法有待優(yōu)化，通過對多軸系統(tǒng)相關(guān)控制算法的研究和學(xué)習(xí)，如迭代學(xué)習(xí)控制、容錯(cuò)控制等方法應(yīng)用于枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)，以期找到更佳控制效果的控制算法。此外，裝備制造業(yè)引入大數(shù)據(jù)控制，實(shí)時(shí)對用戶參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維，也是枕式包裝機(jī)的發(fā)展方向。