蔣金偉，蔣正炎

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

0 引言

包裝生產(chǎn)線是對(duì)半成品或完成加工的產(chǎn)品進(jìn)行包裝處理的生產(chǎn)線，主要由多種不同的機(jī)械設(shè)備組成，其在提高產(chǎn)品美觀性的同時(shí)，也方便產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)與運(yùn)輸[1]。全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線是利用機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)，按照設(shè)置好包裝步驟完成包裝工作的一種新型的包裝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同形態(tài)、不同形狀產(chǎn)品的包裝，并應(yīng)用于化工、食品以及醫(yī)藥等多個(gè)實(shí)體行業(yè)。從當(dāng)前的生產(chǎn)性運(yùn)行與應(yīng)用情況來看，企業(yè)需要按照產(chǎn)品的形態(tài)與包裝形式選擇合適的包裝生產(chǎn)線，以此提升保證速度與質(zhì)量。

全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線的工作主要受內(nèi)部控制系統(tǒng)的調(diào)動(dòng)與控制，由此可見控制系統(tǒng)的控制效果直接影響包裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效果。然而全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線發(fā)展至今，相關(guān)機(jī)械設(shè)備的專業(yè)化程序不高，大多數(shù)企業(yè)只能保障生產(chǎn)線只做到把物料包裝好，之后的搬運(yùn)工作則完全由人工來完成，因此可見現(xiàn)階段包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化程序還不夠完善。由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在控制效果不佳的問題，因此在該控制系統(tǒng)的作用下，包裝生產(chǎn)線存在較大的包裝偏差，具體現(xiàn)象為包裝錯(cuò)位、包裝密封度不足等，主要原因是傳送帶的運(yùn)行速度、物料抓取、機(jī)械手裝箱控制精度不佳。

為了解決現(xiàn)階段全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)在控制功能以及應(yīng)用性能兩個(gè)方面存在的問題，引入ARM架構(gòu)，設(shè)計(jì)一種全新的全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

1 全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制硬件系統(tǒng)由機(jī)械、氣動(dòng)和控制三個(gè)部分組成，機(jī)械部分主要完成生產(chǎn)線各個(gè)機(jī)械設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的預(yù)定功能以及具體的工作模式執(zhí)行。氣動(dòng)部分為機(jī)械設(shè)備以及控制程序的運(yùn)行提供傳動(dòng)與操作支持[2]。而控制部分就是包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，通過控制器數(shù)據(jù)的輸入，計(jì)算出具體的控制量和控制方式，并通過氣動(dòng)部分將控制指令傳送到機(jī)械部分，通過三個(gè)部分的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制程序，進(jìn)而完成對(duì)全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線的控制。

1.1 ARM控制器

ARM架構(gòu)是一個(gè)精簡指令集處理器架構(gòu)，該架構(gòu)以ARM處理器為核心部件，能夠在保留32位系統(tǒng)所有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，減少實(shí)際工作中產(chǎn)生的能耗。通過ARM架構(gòu)的應(yīng)用，希望能夠降低控制系統(tǒng)中單一部件對(duì)其他硬件設(shè)備的影響程度，間接的提升對(duì)軟件運(yùn)行程序運(yùn)行精準(zhǔn)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制效果的優(yōu)化。

圖1為ARM控制器的硬件結(jié)構(gòu)架構(gòu)。

圖1 ARM控制器的硬件結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖

將原控制器的三級(jí)流水線升級(jí)為五級(jí)流水線，并增加了緩存模塊及控制緩存的協(xié)處理器[3]。ARMv4指令體系結(jié)構(gòu)共支持7種處理器模式，如表1所示。

表1 ARMv4指令體系結(jié)構(gòu)控制器的運(yùn)行模式

在表1中的三個(gè)場景模式中，如果出現(xiàn)IRQ中斷或FIQ中斷，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入適當(dāng)?shù)闹袛嗄Ｊ絒4]。在執(zhí)行控制器指令時(shí)，發(fā)現(xiàn)它不能解析，就進(jìn)入未定義的指令異常模式UND，在處理結(jié)束后，繼續(xù)返回發(fā)生前的模式，執(zhí)行下一條指令或重新執(zhí)行該指令。設(shè)計(jì)的ARM控制器的外圍設(shè)備主要用來接收生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，并為控制器產(chǎn)生的控制命令提供輸出出口。ARM控制器通過片上總線進(jìn)行連接，保證各個(gè)元件之間的信息共享。

1.2 傳感器模塊

安裝傳感器的目的是檢測實(shí)時(shí)全包裝生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，從而確定生產(chǎn)線的執(zhí)行步驟[5]。安裝的傳感器分為稱重傳感器和光電傳感器兩種，其中稱重傳感器就是檢測生產(chǎn)線中的產(chǎn)品是否滿足包裝要求，且處于未被包裝狀態(tài)，而光電傳感器則是檢測生產(chǎn)線中各個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。傳感器采用電容式接近開關(guān)，選擇適合包裝線多道鏈道的位置，將其安裝在輸送鏈道的護(hù)欄上，當(dāng)產(chǎn)品接近開關(guān)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)對(duì)傳感器檢測到的信號(hào)作出反應(yīng)。由于全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線上的物體大小與形態(tài)不固定，因此需要在原傳感器的基礎(chǔ)上擴(kuò)大光電傳感器的檢測范圍[6]。因此在光電傳感器的設(shè)計(jì)過程中，將光電傳感器中的光線發(fā)生裝置從原來的2mm擴(kuò)大至5mm，并結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)周圍部件的影響，調(diào)整傳感器中其他部件的安裝位置。

1.3 數(shù)據(jù)傳送通訊模塊

自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的通信電路包括各個(gè)包裝設(shè)備之間的通信以及RS232通信。其中RS232通訊電路的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 RS232通信電路圖

圖2中RS232通信電路使用收發(fā)器作為低壓供電設(shè)備，設(shè)定通信速率為9600bps。RS232通信電路通過DB9接口與各個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的精準(zhǔn)同步，并利用串口調(diào)試助手程序?qū)崟r(shí)檢測調(diào)試信息，為系統(tǒng)調(diào)試提供接口[7,8]。

最終利用系統(tǒng)電源電路，連接硬件系統(tǒng)中的各個(gè)元件，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的協(xié)同工作。

2 全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線工藝

在全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線工作中，首先將待包裝的產(chǎn)品放置在傳送帶上，并利用傳感器設(shè)備判斷該產(chǎn)品是否滿足包裝要求。在確定產(chǎn)品滿足要求的情況下，從供袋機(jī)中抽取包裝袋或包裝箱，檢測該包裝容器是否為空，若檢測結(jié)果為是，取袋器的真空吸盤將把供袋器上第一位置的空袋吸住，提起后再用夾拖器爪筒將空袋夾住[9]。將空袋移至上袋機(jī)械手位置，利用張袋器將袋口吸開，并在裝袋機(jī)或裝箱機(jī)的推動(dòng)下將產(chǎn)品放入到包裝容器中。在完成上述操作后，利用自動(dòng)封裝器以及真空裝置完成自動(dòng)封口操作，此時(shí)裝袋機(jī)繼續(xù)下一次取袋、開袋循環(huán)操作[10]。在整個(gè)生產(chǎn)線中供袋與裝袋工作均以傳送帶為工作臺(tái)，經(jīng)過一系列操作處理后，啟動(dòng)真空泵以及封口設(shè)備，完成產(chǎn)品包裝，并利用送包車與縫包輸送機(jī)將包裝好的產(chǎn)品送出生產(chǎn)線。

2.2 計(jì)算生產(chǎn)線控制量

生產(chǎn)線控制量的計(jì)算程序主要發(fā)生在ARM架構(gòu)控制器中，將傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)檢測結(jié)果輸入到ARM控制器中，并設(shè)定在實(shí)際包裝生產(chǎn)線中各個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，由此可以利用式(1)計(jì)算生產(chǎn)線的控制量。

式(1)中，變量n0和ni為生產(chǎn)線中任意一個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定值和檢測值[11]。將式(1)的計(jì)算結(jié)果作為ARM控制器輸出的控制指令，分派到各個(gè)生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備中。

2.3 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制功能

2.3.1 設(shè)定通信傳輸時(shí)鐘

系統(tǒng)軟件程序通信傳輸時(shí)鐘的設(shè)定決定了系統(tǒng)控制任務(wù)執(zhí)行的頻率。由于ARM控制器內(nèi)部有5個(gè)相互獨(dú)立的定時(shí)器設(shè)備，任意一個(gè)定時(shí)器能夠生場5中分配信號(hào)，那么各定時(shí)器的輸入時(shí)鐘頻率可以表示為：

其中，變量fPC、fTCFG0和fTCFG1分別表示的ARM控制器總線、配置寄存器以及定時(shí)器的分頻值[12]。按照上述方式，按照所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線工藝運(yùn)行方式，按照先后順序完成對(duì)控制設(shè)備以及機(jī)械設(shè)備通信傳輸時(shí)鐘頻率的設(shè)置。

2.3.2 傳送帶速度控制

按照工作內(nèi)容可以將生產(chǎn)線中的傳送帶分為機(jī)械手搬運(yùn)端傳送帶、通孔和裝箱段傳送帶兩個(gè)部分，而按照傳送帶的組成結(jié)構(gòu)，上述兩種類型的傳送帶均使用的是鏈傳動(dòng)方式[13]。利用式(3)可以計(jì)算當(dāng)前傳送帶的速度。

式(3)中，p表示的是傳送帶的邊長，z表示的傳感器數(shù)量，而變量n1和n2分別為兩個(gè)單一鏈輪的轉(zhuǎn)速。由此可見，在傳送帶的運(yùn)行過程中可以通過控制兩鏈輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送帶速度的控制。在速度控制過程中需要考慮傳送帶表面物體重量對(duì)速度產(chǎn)生的影響，保證速度控制精度。

2.3.3 包裝放料恒張力控制

恒張力的控制遵循剛體轉(zhuǎn)動(dòng)物理原理，其表達(dá)式為：

式(4)中，M為力矩，d為控制轉(zhuǎn)軸的力臂，而F為作用力。在實(shí)際的包裝放料環(huán)節(jié)，d的取值可以為料盤半徑[14]。若位移電阻信號(hào)發(fā)生連續(xù)變化，信號(hào)的變化值直接用來驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器中制動(dòng)力矩的調(diào)整使張力不變，這樣就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)包裝放料恒張力的控制。

2.3.4 機(jī)械手套袋與裝箱自動(dòng)控制

在氣動(dòng)裝置的協(xié)助下，通過對(duì)機(jī)械手的控制，完成包裝生產(chǎn)線中的裝袋與推袋操作，具體過程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)裝箱流程圖

按照?qǐng)D3流程，判斷待包裝產(chǎn)品和包裝袋是否到達(dá)指定位置，并在推袋小車上安裝推袋板，通過擋板的起落實(shí)現(xiàn)推袋操作，完成機(jī)械手套袋包裝工作[15]。

3 系統(tǒng)測試

3.1 搭建系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境

設(shè)計(jì)系統(tǒng)以全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線中的機(jī)械設(shè)備為研究對(duì)象，連接控制系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)線的機(jī)械設(shè)備以及硬件系統(tǒng)的相關(guān)元件。生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集卡與PC連接，PC通過網(wǎng)線與實(shí)時(shí)控制器連接，ARM控制器通過其機(jī)箱上的I/O模塊與各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)器與各電機(jī)一一連接，并安裝在底座中。PC使用靜態(tài)IP，Compact RIO在MAX中配置IP地址，使它與PC在同一個(gè)子網(wǎng)上。將ARM控制器外部設(shè)置的8個(gè)端口設(shè)為輸入端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖信號(hào)的采集與傳輸。將設(shè)計(jì)的全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟件部分轉(zhuǎn)換成程序，導(dǎo)入到PC機(jī)中。設(shè)置控制軟件程序的循環(huán)時(shí)間為15ms；對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制要設(shè)定為“停止”，在主從控制下再打開，程序的循環(huán)時(shí)間為25ms。流水線機(jī)械設(shè)備的接收和處理部分循環(huán)時(shí)間為50ms，機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)采集周期為25ms，以保證機(jī)器運(yùn)行的每一組數(shù)據(jù)不被漏讀。

3.2 全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備聯(lián)機(jī)調(diào)試

全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試主要是將控制系統(tǒng)軟件下載到上位機(jī)上安裝系統(tǒng)軟件編寫完成的 ARM控制器，利用手持示教盒實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的控制，主要步驟是：采用電機(jī)編碼器連接控制系統(tǒng)和生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備，為控制系統(tǒng)的所有硬件元件提供電力支持。調(diào)整控制開關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，給控制系統(tǒng)供電。讀出并記錄ARM控制器的IP地址，控制系統(tǒng)運(yùn)行PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)后，將IP地址修改為192.168.1.6，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和 ARM控制器之間的通信。打開已經(jīng)轉(zhuǎn)換為程序代碼的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)程序，觸發(fā)啟動(dòng)工程，保證程序已經(jīng)下載到 ARM控制器?？刂葡到y(tǒng)上電的統(tǒng)一時(shí)刻自動(dòng)運(yùn)行控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝生產(chǎn)線上機(jī)械設(shè)備的控制。若生產(chǎn)線中機(jī)械設(shè)備的行為動(dòng)作與發(fā)布的調(diào)試控制指令一致，證明聯(lián)機(jī)調(diào)試成功，系統(tǒng)中的硬件設(shè)備運(yùn)行正常，且與運(yùn)行環(huán)境具有較高的適配度。

3.3 確定控制系統(tǒng)測試內(nèi)容與指標(biāo)

在硬件和軟件都設(shè)計(jì)完成，且調(diào)試成功的情況下進(jìn)行系統(tǒng)功能測試實(shí)驗(yàn)，通過試驗(yàn)來調(diào)整軟件的設(shè)計(jì)方法以及對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行解決。在現(xiàn)有條件下，可以對(duì)該生產(chǎn)線多個(gè)環(huán)節(jié)的控制精度和效果進(jìn)行試驗(yàn)。測試的生產(chǎn)線環(huán)節(jié)包括傳送帶速度、物料抓取和裝箱操作三個(gè)方面，其中傳送帶速度的控制測試指標(biāo)為速度控制精度，其數(shù)值結(jié)果可以表示為：

式(5)中，vit和vjt分別為t時(shí)刻傳送帶的設(shè)置控制速度和實(shí)際控制速度，因此式(5)的計(jì)算結(jié)果v-始終為正數(shù)。物料抓取和裝箱操作控制功能的測試就是判斷兩個(gè)生產(chǎn)過程中機(jī)械設(shè)備是否按照設(shè)定路線完成包裝操作，將實(shí)時(shí)采集的位置信息代入到式(6)中，得出位置控制誤差的量化結(jié)果：

式(6)中，(xit,yit)和(xjt,yjt)分別為t時(shí)刻設(shè)置和實(shí)際的機(jī)械設(shè)備移動(dòng)位置坐標(biāo)，由此得出物料抓取和裝箱生產(chǎn)環(huán)節(jié)操作控制精度的量化測試結(jié)果。

3.4 系統(tǒng)測試過程與結(jié)果分析

3.4.1 設(shè)定產(chǎn)品與外包裝尺寸

在PC上運(yùn)行控制軟件程序，得到軟件運(yùn)行界面，在該界面上通過待包裝產(chǎn)品外形的測量，輸入產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)，并選擇合適的外包裝，并將外包裝尺寸輸入到運(yùn)行界面中。尺寸設(shè)定運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 尺寸設(shè)定運(yùn)行界面

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入，完成對(duì)產(chǎn)品與包裝尺寸的設(shè)定。

3.4.2 傳送帶速度控制功能測試

利用ARM控制器針對(duì)單個(gè)傳送帶的速度變化進(jìn)行控制，手動(dòng)連續(xù)修改設(shè)定速度，通過傳感器連續(xù)跟蹤實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。生產(chǎn)線中部分傳送帶的一次控制過程如圖5所示。

圖5 單個(gè)傳送帶速度控制波形圖

這些SD對(duì)應(yīng)曲線表示設(shè)定速度，SJ曲線表示實(shí)際速度，KZ曲線表示ARM控制器輸出的控制量。通過波形圖可以看出，傳送帶對(duì)設(shè)定速度的跟蹤較快，穩(wěn)定后藍(lán)色虛線幾乎與紅色實(shí)線相吻合。

3.4.3 物料抓取控制功能測試

物料抓放控制功能測試實(shí)驗(yàn)是生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備調(diào)試中的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，它是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備功能的重要環(huán)節(jié)，只有完整、流暢的物料抓放操作才能保證生產(chǎn)線整體功能的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)備的軌跡規(guī)劃中，兩邊的軌跡是對(duì)稱的，所以這次實(shí)驗(yàn)只檢驗(yàn)了一邊的軌跡。將全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線中的物料抓取路線用A、B1、B2、C2、C1和D來表示，各個(gè)路徑點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0,-570)、(0,-640)、(60,-680)、(140,-680)、(210,-640)、(210,-570)。從上述數(shù)據(jù)中可以看出，AB1、B2C2、C1D段為直線，B1B2和C2C1段是多項(xiàng)式曲線。先編制了物料抓取軌跡實(shí)現(xiàn)的控制程序，記錄物料抓取的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)。最后將控制程序分配到ARM控制器中。接著操作機(jī)械設(shè)備，以完成一個(gè)回零程序，利用機(jī)械設(shè)備定位程序?qū)⒃撛O(shè)備末端移動(dòng)到A點(diǎn)位置，然后在上位機(jī)中打開檢測界面，運(yùn)行物料抓放實(shí)驗(yàn)后，檢測界面就可以捕獲機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)測試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 物料抓取機(jī)械設(shè)備抓取軌跡測試結(jié)果

從圖6中可以看出，全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線中機(jī)械設(shè)備的物料抓取軌跡與設(shè)定路徑基本吻合，路徑點(diǎn)的平均誤差不超過0.5m。

3.4.4 機(jī)械手裝箱操作控制測試

利用裝箱作業(yè)記錄設(shè)備，記錄機(jī)械手裝箱操作生成的軌跡，成功地完成生產(chǎn)線包裝件的裝箱操作，裝箱操作結(jié)果如圖7所示。

圖7 裝箱操作結(jié)果實(shí)景圖

從圖7中可以直觀的看出，設(shè)計(jì)開發(fā)的基于ARM架構(gòu)的全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)能夠精確的實(shí)現(xiàn)裝箱操作。在通過裝箱控制操作過程中，各個(gè)機(jī)械設(shè)備實(shí)時(shí)設(shè)定位置與實(shí)際位置的控制精度測試數(shù)據(jù)如表2所示。

由于0時(shí)刻為裝箱設(shè)備的起始位置，此時(shí)該設(shè)備的實(shí)際位置與設(shè)定位置相同，因此無信號(hào)采集意義。從表2中可以看出，位置信號(hào)從10s開始采集，采集間隔為20s。將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(6)中，得出裝箱操作的平均控制誤差為0.22m，小于允許位置控制誤差的預(yù)定值0.5m，因此裝箱操作控制精度符合應(yīng)用要求。

表2 裝箱操作控制精度數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過ARM架構(gòu)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)控制功能的完善，提高了生產(chǎn)線控制精度的同時(shí)，間接的提升產(chǎn)品包裝工作的效率。然而從系統(tǒng)測試中可以看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在控制精度還有一定的提升空間，且在包裝質(zhì)量方面未進(jìn)行檢測，因此無法保障包裝的美觀度和安全度，因此下一步需要針對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究。