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案例頻道 活動(dòng)鏈接：2014年控制網(wǎng)行業(yè)專題---自動(dòng)化開(kāi)創(chuàng)食品飲料行業(yè)新紀(jì)元
摘要：本文介紹了貝加萊工控系統(tǒng)在小袋包裝機(jī)上的應(yīng)用，概述了小袋包裝機(jī)的工作原理及小袋裝盒生產(chǎn)線對(duì)控制系統(tǒng)的需求；重點(diǎn)描述了基于ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器和Ethernet Powerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的分布式運(yùn)動(dòng)控制解決方案的特點(diǎn)和控制系統(tǒng)的架構(gòu)。該方案能較好地滿足包裝機(jī)在高速生產(chǎn)和柔性制造方面的控制需求。
關(guān)鍵詞：垂直成型封裝機(jī)； ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器；色標(biāo)糾偏；電子凸輪；鼓序列發(fā)生器
1 引言
小袋包裝機(jī)是垂直包裝機(jī)的一種，主要完成流動(dòng)性比較好的顆粒、液體、片劑、粉劑的枕式小袋灌裝。通常有容積式、螺桿式、液體泵、數(shù)粒式等下料方式。國(guó)際上一般稱為VFFS(VerticalForm Fill Sealing Machine)，直譯為垂直成型封裝機(jī)。小袋機(jī)按通道數(shù)可以分為單通道和多通道機(jī)型。按生產(chǎn)方式可以分為連續(xù)式和間歇式機(jī)型。本文以多通道間歇式包裝機(jī)為例，詳細(xì)介紹了對(duì)其控制系統(tǒng)的要求及解決方案。
圖1 小袋包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)
2 小袋包裝機(jī)的工作原理
小袋包裝機(jī)包括一個(gè)薄膜放卷機(jī)構(gòu)，一般都采用印刷好并帶有色標(biāo)的薄膜卷。除了采用被廣泛應(yīng)用的塑料薄膜外，還可以通過(guò)改變密封方式來(lái)采用紙質(zhì)或纖維質(zhì)的包裝袋。在食品和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用時(shí)，有時(shí)還需要在包裝前對(duì)包裝膜進(jìn)行消毒和干燥處理。
小袋包裝機(jī)還包括縱封和橫封單元。對(duì)于多通道包裝機(jī)，包裝膜經(jīng)過(guò)裁切成多道后，分別進(jìn)入錐形中空管道，在薄膜向下拉膜時(shí)，薄膜在錐形管中成為中空形狀，多余的薄膜在側(cè)面被加熱后的縱封單元夾緊實(shí)現(xiàn)密封，如圖１所示。一個(gè)可以上下移動(dòng)的橫封單元用來(lái)完成密封和拉袋的雙重工作。
3 小袋裝盒生產(chǎn)線對(duì)控制系統(tǒng)的需求
小袋機(jī)可以單機(jī)工作，也可以通過(guò)增加理袋機(jī)和裝盒機(jī)連成生產(chǎn)線使用。標(biāo)準(zhǔn)組合為2臺(tái)小袋機(jī)+2臺(tái)理袋機(jī)+1臺(tái)裝盒機(jī)。理袋機(jī)完成的任務(wù)是把切斷后的小袋接住放在對(duì)應(yīng)的槽位，準(zhǔn)備直接推入包裝盒實(shí)現(xiàn)裝盒。理袋機(jī)和小袋機(jī)由同一套控制系統(tǒng)控制并接收裝盒機(jī)主軸編碼器的信號(hào)與裝盒機(jī)實(shí)現(xiàn)同步。
與生產(chǎn)線同步的要求需要小袋機(jī)和理袋機(jī)能夠自動(dòng)適應(yīng)裝盒機(jī)的速度，無(wú)論裝盒機(jī)工作在高速或低速或變速過(guò)程，小袋機(jī)和理袋機(jī)都能自動(dòng)與生產(chǎn)線速度同步。當(dāng)小袋機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的主軸為系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)虛軸，當(dāng)連接生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)主軸則來(lái)自裝盒機(jī)的主軸編碼器。
通過(guò)分析，給出了系統(tǒng)功能圖，如圖2所示。
圖2 小袋包裝機(jī)控制系統(tǒng)的功能
其硬件配置也非常靈活，最經(jīng)濟(jì)的情況下，在小袋機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)伺服軸控制橫封上下移動(dòng)即可，其它縱封夾緊，橫封夾緊，切刀等機(jī)構(gòu)都由氣缸控制。
4 針對(duì)小袋機(jī)的貝加萊分布式運(yùn)動(dòng)控制方案的特點(diǎn)
貝加萊ACOPOS系列伺服驅(qū)動(dòng)器被稱為“智能驅(qū)動(dòng)器”，每臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器都具有強(qiáng)大的控制功能以及眾多預(yù)置的運(yùn)動(dòng)控制功能塊，可以自身實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。例如電子凸輪功能已經(jīng)集成在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎所有的運(yùn)動(dòng)控制程序都在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部運(yùn)行，通過(guò)高速的Ethernet Powerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行軸間同步數(shù)據(jù)。這種分布式的運(yùn)動(dòng)控制理念在包裝機(jī)控制中帶來(lái)了很多優(yōu)勢(shì)。
圖3 系統(tǒng)的控制流程
首先，分布式的運(yùn)動(dòng)控制使得故障解決更加快速方便，如果一臺(tái)伺服出現(xiàn)故障，需要復(fù)位，例如卡紙，卡瓶等。只需要對(duì)這一個(gè)軸進(jìn)行故障處理，其它伺服驅(qū)動(dòng)器不需要移動(dòng)或?qū)?，故障軸復(fù)位尋參后，可以自動(dòng)運(yùn)行到和主軸相位對(duì)應(yīng)的位置，直接啟動(dòng)電子凸輪，恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)，把故障的處理時(shí)間降到最低。由于很多包裝機(jī)都是在線生產(chǎn)，一旦包裝機(jī)中的某個(gè)伺服出現(xiàn)故障需要復(fù)位時(shí)，停機(jī)時(shí)間越短對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的影響就越小，如果停機(jī)超過(guò)1分鐘，很多情況下會(huì)影響到整個(gè)生產(chǎn)線的工作。
其次，分布式的運(yùn)動(dòng)控制可以減少控制的滯后。伺服驅(qū)動(dòng)器除了可以控制自身運(yùn)動(dòng)之外，還可以通過(guò)I/O輸出直接接收外部輸入或控制輸出，控制邏輯完全在伺服內(nèi)部執(zhí)行。再結(jié)合電子凸輪，色標(biāo)糾偏，鼓序列發(fā)生器等功能，這就使得整個(gè)輸入、處理、輸出的過(guò)程完全不需要借助總線或PLC的處理，使得系統(tǒng)響應(yīng)更加快速。HHHHH針對(duì)小袋機(jī)的控制特點(diǎn)，控制上采用主軸信號(hào)和相位來(lái)同步整個(gè)系統(tǒng)中的所有控制動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作都被指定了一個(gè)相位區(qū)間。單機(jī)工作時(shí)，主軸來(lái)自ACOPOS內(nèi)部的虛軸。連接裝盒機(jī)以及理袋機(jī)工作時(shí)，主軸來(lái)自裝盒機(jī)的主軸編碼器（也接入拉袋伺服驅(qū)動(dòng)器）。拉袋伺服與主軸通過(guò)電子凸輪耦合。在電子凸輪的每個(gè)運(yùn)行周期，拉袋伺服往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。
為了提高生產(chǎn)效率，我們對(duì)小袋機(jī)的運(yùn)動(dòng)流程進(jìn)行分析，小袋機(jī)工作的主要流程為橫封夾緊→橫封下拉→橫封松開(kāi)→橫封上移，周期重復(fù)。為了提高生產(chǎn)速度，必須把每個(gè)工作周期的時(shí)間縮短，但是橫封夾緊氣缸的動(dòng)作慢，行程長(zhǎng)，影響了整個(gè)循環(huán)的效率。為了解決等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，就要求橫封夾緊汽缸提前夾緊，等到運(yùn)動(dòng)到位穩(wěn)定后，剛好夾緊完成。但是在設(shè)備的不同速度下，提前的時(shí)間是不同的。為了解決這一問(wèn)題，我們利用了貝加萊ACOPOS伺服提供的鼓序列發(fā)生器功能塊(CAMCON)。
圖4 CAMCON功能塊的應(yīng)用
維基百科對(duì)控制領(lǐng)域的鼓序列發(fā)生器的定義是“一個(gè)可編程的用于重復(fù)按照順序產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)的機(jī)電裝置，這些信號(hào)用于在工業(yè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制造流程”。鼓序列發(fā)生器有一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)圓筒，在圓筒上分布著開(kāi)關(guān)信號(hào)的觸點(diǎn)，通過(guò)這些觸點(diǎn)來(lái)控制輸出的開(kāi)閉。貝加萊的鼓序列發(fā)生器功能在原理上與傳統(tǒng)的鼓序列發(fā)生器類似，都是用于產(chǎn)生順序的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出，而且貝加萊的鼓序列發(fā)生器功能還能對(duì)輸出的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。正是這一補(bǔ)償功能，解決了氣缸延時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。
圖5 色標(biāo)糾偏功能
在小袋機(jī)控制中，由鼓序列發(fā)生器CAMCON功能塊來(lái)控制橫封的夾緊和松開(kāi)，如圖4所示。氣缸動(dòng)作輸出由功能塊內(nèi)部根據(jù)速度和當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的電子凸輪曲線自動(dòng)補(bǔ)償。CAMCON功能塊的主軸輸入為系統(tǒng)的主軸，直接通過(guò)伺服的輸出控制橫封氣缸。在系統(tǒng)運(yùn)行速度不同時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行速度和電子凸輪曲線結(jié)合，自動(dòng)計(jì)算出合適的輸出時(shí)間，使得伺服運(yùn)動(dòng)到位時(shí)氣缸同時(shí)夾緊到位。
圖6 獨(dú)立位置發(fā)生器 (MPGEN)
為了保證包裝圖案的布局與設(shè)計(jì)一致，在包裝膜上印有色標(biāo)用于檢測(cè)偏差并修正。在貝加萊伺服驅(qū)動(dòng)器中的LATCH功能就專門用于色標(biāo)糾偏功能。通過(guò)色標(biāo)傳感器檢測(cè)色標(biāo)并接入伺服驅(qū)動(dòng)器的高速輸入端口，貝加萊ACOPOS驅(qū)動(dòng)器的高速輸入以微秒級(jí)的響應(yīng)速度對(duì)高速輸入進(jìn)行捕捉，同時(shí)記錄下信號(hào)觸發(fā)時(shí)刻（上升沿或下降沿）伺服的實(shí)際位置或其他指定的數(shù)值。隨后LATCH功能塊將捕捉到的位置和期望的位置進(jìn)行比較，自動(dòng)算出偏差，這就是糾偏量，如圖5所示。
圖7 電子凸輪的從軸附加軸（AUT_SL_ADD_AXIS）疊加功能
糾偏動(dòng)作的執(zhí)行由另一個(gè)虛軸來(lái)實(shí)現(xiàn)。貝加萊每個(gè)ACOPOS驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部最多支持９個(gè)虛軸，包括１個(gè)標(biāo)準(zhǔn)虛軸以及8個(gè)獨(dú)立位置發(fā)生器 (MPGEN)或叫“簡(jiǎn)化版”虛軸。“簡(jiǎn)化版”虛軸與標(biāo)準(zhǔn)的虛軸區(qū)別在于沒(méi)有電子凸輪功能，但是可以用來(lái)產(chǎn)生位置耦合曲線，最適合用于生成糾偏曲線，保證糾偏動(dòng)作平滑無(wú)擾的進(jìn)行，如圖6所示。
虛軸生成的糾偏曲線需要疊加到當(dāng)前伺服的運(yùn)動(dòng)曲線中才能影響到電機(jī)的運(yùn)行，這在貝加萊系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)定電子凸輪的從軸附加軸（AUT_SL_ADD_AXIS）來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。貝加萊ACOPOS伺服的開(kāi)放性賦予了開(kāi)發(fā)者更大的自由，可以使用任何整型變量作為附加軸疊加到運(yùn)動(dòng)曲線上，這使得運(yùn)動(dòng)曲線的疊加簡(jiǎn)化為加法運(yùn)算，如果有需要，可以把多個(gè)虛軸疊加到同一條運(yùn)動(dòng)曲線之上。例如在控制中可以一個(gè)虛軸用于自動(dòng)糾偏，另外一個(gè)虛軸用于手動(dòng)糾偏，疊加在一起影響運(yùn)動(dòng)曲線。
5 控制系統(tǒng)的架構(gòu)
小袋機(jī)單機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖8所示。
圖8 小袋機(jī)單機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)
小袋機(jī)＋理袋機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖9所示。
圖9 小袋機(jī)＋理袋機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)
6 結(jié)束語(yǔ)
隨著食品飲料行業(yè)工藝要求的不斷提高，市場(chǎng)對(duì)于高端包裝機(jī)械的需求也越來(lái)越大。這對(duì)包裝機(jī)控制技術(shù)特別是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)提出了更高的要求。本文通過(guò)分析小袋機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以及貝加萊運(yùn)動(dòng)控制解決方案的特點(diǎn)，提出了對(duì)于多數(shù)包裝機(jī)械都適用的控制策略和方案，可以很好地滿足目前包裝機(jī)在高速生產(chǎn)和柔性制造方面的控制需求。
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)