基于iDrive智能伺服控制器和iPack2000的多軸伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)

1. 概述

枕式包裝機(jī)是應(yīng)用廣泛的一種包裝機(jī)械，大量應(yīng)用于食品包裝機(jī)械、藥品包裝機(jī)械、日用品包裝機(jī)械等眾多領(lǐng)域。我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到的大多數(shù)的食品均是由枕式包裝機(jī)封裝而成。隨著機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，為枕式包裝機(jī)行業(yè)帶來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)對(duì)枕式包裝機(jī)的品質(zhì)和生產(chǎn)效率也提出了更高的要求。

智能伺服技術(shù)是近年來(lái)新興的一種機(jī)電一體化技術(shù)。它是在傳統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、DSP技術(shù)、PLC技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等多種現(xiàn)代控制技術(shù)而形成。智能伺服產(chǎn)品具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、數(shù)字化等特征，是未來(lái)伺服技術(shù)發(fā)展的方向。

傳統(tǒng)的三軸枕式包裝機(jī)的臥式三面封口加工工藝要求送料軸、送膜軸以及橫封（橫切）軸之間以凸輪關(guān)系運(yùn)動(dòng)，在封切過(guò)程需要送膜軸與橫封軸（橫切軸）保持嚴(yán)格同步，傳統(tǒng)技術(shù)采用機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)，機(jī)械加工、安裝復(fù)雜，運(yùn)行噪音大，對(duì)包裝物的適應(yīng)性能力差，包裝速度也相應(yīng)受到限制。

隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，以及我國(guó)人工成本的逐年上升，枕式包裝機(jī)械廠商要求采用更新的技術(shù)來(lái)提高設(shè)備的自動(dòng)化水平、提高生產(chǎn)效率、降低設(shè)備成本，達(dá)到提高枕式包裝機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

本文介紹的 iPack2000多軸伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)基于我國(guó)自主研發(fā)的iDrive 智能伺服，以一體化高集成度的智能伺服解決方案，替代傳統(tǒng)的PLC+伺服驅(qū)動(dòng)器的方案。iDrive智能伺服控制器內(nèi)建電子凸輪和色標(biāo)抓取和補(bǔ)償功能，兼容熱切和冷切工藝，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)底層實(shí)現(xiàn)雙軸同步，系統(tǒng)響應(yīng)快，同步精度高，電控設(shè)備成本較傳統(tǒng)脈沖伺服方案降低40%。驅(qū)動(dòng)器可以和HMI實(shí)現(xiàn)直連通訊，大大增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性，減少了設(shè)備調(diào)試所需的時(shí)間。

2. 基于脈沖的傳統(tǒng)系統(tǒng)和智能伺服系統(tǒng)的比較

圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)的PLC+伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案以及采用智能伺服控制器的iPack2000系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)對(duì)比。

從圖1和圖2的對(duì)比可以看出，智能伺服的控制方案采用了內(nèi)置控制器替代PLC，在一個(gè)雙軸iDrive智能驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)兩軸（切刀軸和送膜軸）的同步以及電子凸輪關(guān)系，色標(biāo)補(bǔ)償也在同一智能伺服控制器內(nèi)部完成，系統(tǒng)響應(yīng)大大提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成本也顯著降低。同時(shí)，由于采用了總線型的結(jié)構(gòu)，采用智能伺服的系統(tǒng)方案更加靈活，可以非常容易地變化為雙軸系統(tǒng)或者四軸乃至多軸系統(tǒng)。

3. 內(nèi)置電子凸輪的智能伺服系統(tǒng)的枕式包裝解決方案

下面以圖2所示的三軸伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)為例對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行說(shuō)明，該枕式包裝機(jī)橫向封切方式為熱封冷切，即先進(jìn)行熱封，再進(jìn)行橫切。系統(tǒng)也能方便地通過(guò)設(shè)置，兼容常見(jiàn)的熱封熱切工藝。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，橫封橫切刀的運(yùn)行速度保持勻速（以下簡(jiǎn)稱主動(dòng)軸），送膜軸（以下簡(jiǎn)稱從動(dòng)軸）的速度以凸輪關(guān)系運(yùn)行，并引入色標(biāo)補(bǔ)償。凸輪的功能是并保證在橫封和橫切時(shí)，送膜軸的運(yùn)動(dòng)和橫封刀以及橫切刀的在切割點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)保持嚴(yán)格同步。送料軸以送膜軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度和位置，與之保持嚴(yán)格同步。切刀近點(diǎn)傳感器信號(hào)的引入是應(yīng)某枕式包裝機(jī)制造商的要求而設(shè)置的，目的是為了防止色標(biāo)信號(hào)的誤檢測(cè)。此功能也可以不用引入傳感器信號(hào)，而在系統(tǒng)內(nèi)部以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。

3.1 工藝流程

包裝物經(jīng)過(guò)送料機(jī)構(gòu)被送進(jìn)包裝膜內(nèi)，先完成縱封作業(yè);之后裝物在縱封后的包裝膜內(nèi)繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入橫封橫切工藝，完成進(jìn)行橫封和橫切，最終成為成品。

3.2系統(tǒng)框圖

如圖3所示系統(tǒng)共有三個(gè)伺服軸，由一臺(tái)雙軸iDrive智能伺服和一臺(tái)單軸智能伺服以RS485總線方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，由雙軸iDrive作為主控制器。雙軸iDrive內(nèi)置的兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)模塊分別用于控制橫封（橫切）刀軸和送膜軸，單軸iDrive控制送料軸。其中從動(dòng)軸（即送膜軸）以設(shè)定的電子凸輪跟隨主動(dòng)軸（橫封橫切軸）運(yùn)動(dòng)，保證橫封橫切的嚴(yán)格同步，同時(shí)從動(dòng)軸根據(jù)由色標(biāo)信號(hào)檢測(cè)得到的位置補(bǔ)償信號(hào)對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行位置補(bǔ)償，送料軸則根據(jù)從動(dòng)軸的實(shí)際位置與之保持完全同步跟隨運(yùn)動(dòng)。I/O信號(hào)中的切刀信號(hào)和色標(biāo)信號(hào)直接連接到雙軸iDrive的I/O接口中。Jog運(yùn)動(dòng)模式的控制信號(hào)也接入雙軸iDrive的I/O口，包括用于調(diào)試的從動(dòng)軸的向前運(yùn)動(dòng)和向后運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方式控制開(kāi)關(guān)。圖4顯示了伺服系統(tǒng)的接口以及主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的分配。

3.3 系統(tǒng)設(shè)定以及電子凸輪

1） 圖5、圖6和圖7顯示了本系統(tǒng)的調(diào)試界面，此調(diào)試界面主要提供給機(jī)器制造商使用，參數(shù)的調(diào)試可以在PC上實(shí)現(xiàn)，也可以在通用的HMI上完成，也可以根據(jù)客戶的具體要求來(lái)進(jìn)行軟件定制。

圖6和圖7顯示了iPack2000電子凸輪的計(jì)算，圖6顯示的是主動(dòng)軸位置和從動(dòng)軸位置值的對(duì)比曲線，其中橫坐標(biāo)是主動(dòng)軸位置值，縱坐標(biāo)是從動(dòng)軸的位置值。圖7顯示的是在一個(gè)包裝區(qū)間內(nèi)從動(dòng)軸的速度曲線，從中可以看出有兩個(gè)速度同步區(qū)，分別是橫封同步區(qū)和橫切同步區(qū)。對(duì)于常見(jiàn)的熱封熱切工藝，則只需要設(shè)置一個(gè)同步區(qū)即可。

3.4 色標(biāo)補(bǔ)償量的計(jì)算

* 補(bǔ)償量計(jì)算

補(bǔ)償量的計(jì)算主要依靠色標(biāo)信號(hào)和切刀近點(diǎn)信號(hào)，如圖8所示。補(bǔ)償測(cè)量值為 L=L1+L2/2，即補(bǔ)償測(cè)量值為切刀近點(diǎn)信號(hào)到色標(biāo)信號(hào)之間的電機(jī)編碼器脈沖數(shù)加上色標(biāo)寬度的一半。

取得補(bǔ)償測(cè)量值以后，系統(tǒng)再進(jìn)行凈補(bǔ)償值的計(jì)算，其方法是：

凈補(bǔ)償值=補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)值-補(bǔ)償測(cè)量值;

*補(bǔ)償區(qū)域

得到凈補(bǔ)償值以后就需要對(duì)從動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行補(bǔ)償，為了保證橫封橫切時(shí)包裝物輸送速度的平穩(wěn)性，需要避開(kāi)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的同步區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償工作。補(bǔ)償區(qū)域的設(shè)置如圖9所示

3.5 采用切刀近點(diǎn)信號(hào)或軟件方法避免誤色標(biāo)信號(hào)誤檢測(cè)

從上面的系統(tǒng)工作流程中可以看出，系統(tǒng)將不斷檢測(cè)色標(biāo)，并根據(jù)檢測(cè)到的誤差，對(duì)送膜軸的運(yùn)行進(jìn)行補(bǔ)償，確保橫封橫切的位置準(zhǔn)確。但包裝膜上也有可能存在污染或其他印刷圖案，容易引起色標(biāo)檢測(cè)的誤檢測(cè)。為解決此問(wèn)題，在系統(tǒng)中引入切刀近點(diǎn)信號(hào)，以此信號(hào)作為色標(biāo)檢測(cè)的起始信號(hào)，在此范圍以外的區(qū)域?qū)⒉贿M(jìn)行色標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)，如圖10所示。

需要說(shuō)明的是，這種通過(guò)對(duì)色標(biāo)信號(hào)的屏蔽來(lái)限定色標(biāo)檢測(cè)區(qū)域的功能也可以通過(guò)純軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。即以切刀傳感器信號(hào)為基準(zhǔn)（不是切刀近點(diǎn)信號(hào)），設(shè)定發(fā)生切刀動(dòng)作后一定長(zhǎng)度才啟動(dòng)色標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)，從而達(dá)到屏蔽色標(biāo)檢測(cè)干擾的效果。具體的設(shè)定位置長(zhǎng)度可根據(jù)包裝物的長(zhǎng)度以及設(shè)備的相關(guān)尺寸來(lái)計(jì)算，并通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)完成。

4. 結(jié)束語(yǔ)

利用iPack2000組建多軸枕式包裝控制系統(tǒng)，有如下的優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊。

由于iPack2000內(nèi)建了電子凸輪和車標(biāo)抓取和補(bǔ)償功能，而且智能驅(qū)動(dòng)器可以直接和HMI連接，使得系統(tǒng)的組建顯得更為簡(jiǎn)潔和方便。

（2 顯著價(jià)格優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)

由于電子凸輪、同步、跟隨功能內(nèi)置于iDrive內(nèi)部，系統(tǒng)的凸*能無(wú)需通過(guò)上位PLC來(lái)進(jìn)行，直接在驅(qū)動(dòng)器級(jí)就實(shí)現(xiàn)了同步和跟隨的功能，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度都有了顯著的提升。而原先的PLC可以直接省略或選擇功能更小的PLC，從而達(dá)到了節(jié)省投資的目的。

基于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)智能伺服技術(shù)的多軸伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)iPack2000采用總線型控制架構(gòu)，內(nèi)置運(yùn)動(dòng)控制器，內(nèi)建電子凸輪、多軸同步飛剪、多軸跟隨，高速色標(biāo)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，內(nèi)置PLC完成I/O功能，全部運(yùn)動(dòng)控制均在伺服驅(qū)動(dòng)器級(jí)別完成，系統(tǒng)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于各種多軸枕式包裝機(jī)，造價(jià)低廉，比進(jìn)口產(chǎn)品節(jié)省成本超過(guò)50%，將逐步成為枕式包裝行業(yè)控制系統(tǒng)的主流方案。

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