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同時鉤爪輸送鏈將待包裝物傳送到套筒中；最后，由橫封裝置完成橫向封合切斷并輸出成品。電機轉(zhuǎn)速。定義伺服電機分辨率即其旋轉(zhuǎn) 1 圈所需脈沖個數(shù)為 K，那么對應(yīng)脈沖頻率 f 可表示為：

圖 1 枕式包裝機結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of pillow packaging machine

主電機一般選用三相電機，經(jīng)中間機構(gòu)將動力傳送至橫封裝置。為滿足包裝工藝要求，橫封裝置通常作凸輪運動，即空轉(zhuǎn)情況下速度比較快；在封切區(qū)間內(nèi)其速度比較慢，這樣就可以保證包裝膜進(jìn)給速度和封切線速度相匹配，進(jìn)而提高包裝封切質(zhì)量。一旦設(shè)定包裝機械的生產(chǎn)率，就可根據(jù)包裝袋長或色標(biāo)間距，以橫封速度為基準(zhǔn)，調(diào)整縱封伺服電機的轉(zhuǎn)速。通過控制縱封速度以調(diào)節(jié)包裝薄膜的速度。

2. 色標(biāo)定位方法

包裝薄膜輸送過程見圖 2。色標(biāo)傳感器安裝在成型器前端并選用漫反射式光電傳感器，主要用于檢測包裝薄膜上的色標(biāo)位置。色標(biāo)傳感器具體型號應(yīng)根據(jù)包裝薄膜顏色來選擇。為便于色標(biāo)補償，通常要求橫封

通過觸摸屏設(shè)置包裝袋長 l，由 PLC 控制器根據(jù)上式求解出對應(yīng)的脈沖頻率 f 和脈沖數(shù)目 k，并將這2 個參數(shù)傳送至伺服驅(qū)動器，進(jìn)而驅(qū)動伺服電機按設(shè)定參數(shù)運行。雖然 PLC 可以保證伺服電機按設(shè)定參數(shù)精確運行，但是在實際生產(chǎn)過程中，包裝薄膜所受張緊力往往不均衡，同時受機械振動、印刷誤差等外在因素影響，難免出現(xiàn)色標(biāo)超前或滯后的情況。為解決此問題，可采用如下方法(見圖 3)：系統(tǒng)運行過程中包裝薄膜沿成型器方向以特定速度前進(jìn)；色標(biāo)傳感器下有薄膜印刷色標(biāo)經(jīng)過時，其都會產(chǎn)生一個電信號M；同樣，橫封裝置封切筒狀且內(nèi)含包裝物料的包裝袋時，凸輪開關(guān)會產(chǎn)生一個電信號 N。

圖 3 傳感器檢測信號

Fig.3 Sensor detection signal

定義電信號 M 和 N 的周期為 T₁ 和 T₂，理想情況 率、脈沖數(shù)目應(yīng)根據(jù)式(5)和式(6)進(jìn)行調(diào)整下，滿足 T₁=T₂，為了便于研究與分析，可近似認(rèn)為電信號 M 和 N 的周期相等，均用 T 表示。若以橫封切斷信號 N 作為基準(zhǔn)，那么包裝過程中電信號 M 和

N 之間存在 3 種時序關(guān)系，見圖 4。圖 4a 表示信號 M和 N  同時發(fā)生，即最優(yōu)狀況。不過在實際運行過程中，信號 M 和 N 只需部分重合就沒有必要進(jìn)行補償。圖 4b 表示信號 M 滯后于信號 N，即縱向封合平均速度小于橫向封切平均速度，切口位置超前，此時縱封機構(gòu)伺服電機需要加速。圖 4c 表示信號 M 超前于信號 N，即縱向封合平均速度大于橫向封切速度，切口位置滯后，此時縱封機構(gòu)伺服電機需要減速。

圖 4 時序關(guān)系

Fig.4 The sequence diagram

3. 控制系統(tǒng)設(shè)計
   1. 硬件配置

根據(jù)包裝機械工藝要求和控制需求，基于 PLC 控制器搭建其控制系統(tǒng)，PLC 端口分配見表 1，總共需要 11 個輸出接口以及 13 個輸入接口。

表 1 PLC 端口配置

Tab.1 PLC port configuration

三菱 FX2N 系列 PLC 具有比較豐富的指令控制系統(tǒng)，如運動控制、通訊控制以及十分靈活的擴(kuò)展功能。擴(kuò)展后可保證控制系統(tǒng)具備多路 A/D 和 D/A 通道，以滿足多點速度檢測、控制的要求，有利于實現(xiàn)包裝機械色標(biāo)的準(zhǔn)確定位。PLC 溫控模塊FX2N-4AD-TC 實現(xiàn)縱封機構(gòu)和橫封機構(gòu)的溫度采集，并將模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將其傳送至  PLC  內(nèi)進(jìn)行處理。當(dāng)出現(xiàn)色標(biāo)和刀位信號時，會觸發(fā)光電開關(guān)并向  PLC  發(fā)送一個脈沖。如上所述，結(jié)合控制程序進(jìn)行速度匹配和位置當(dāng)縱封超前時，其伺服電機控制參數(shù)包括運行頻匹配，從而提高了包裝精度。PLC 接線見圖 5。

圖 5 PLC 接線

Fig.5 PLC wiring diagram

伺服電機選用通用 HF-KN73(B)系列，與其配套的伺服驅(qū)動器為 MR-E 系列的 MR-E-70A。電機相關(guān)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速為 3000 r/min；額定輸出功率為 750

W；最大轉(zhuǎn)速為 4500 r/min；最大輸出轉(zhuǎn)矩為 7.2 N·m；瞬間最大轉(zhuǎn)速為 5175 r/min。另外，選用  F930GOT 系列觸摸屏作為人機交互界面。其不僅可以作為控制參數(shù)，如包裝袋長、速度、熱封溫度輸入以及包裝機械運行情況實時顯示等。

1. 2. 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括觸摸屏程序設(shè)計、PLC 控制程序設(shè)計等。此處重點介紹 PLC  控制程序設(shè)計方法， 例如伺服驅(qū)動控制、色標(biāo)自動定位、串行通訊等。

控制器主要用于處理各種反饋信號并根據(jù)處理結(jié)果控制伺服驅(qū)動器，以協(xié)調(diào)包裝機械各執(zhí)行機構(gòu)動作。伺服驅(qū)動器為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過內(nèi)置編碼器檢測位置和速度等信號，將其反饋到  PLC  以保證電機運動的精確性。伺服驅(qū)動器接收控制器所傳送脈沖信號，其中脈沖頻率用于控制器電機轉(zhuǎn)速、脈沖數(shù)目用于控制電機旋轉(zhuǎn)角度。另外，控制器還可根據(jù)色標(biāo)、刀位檢測信號判斷封切位置是否在誤差允許范圍內(nèi)。枕式包裝機色標(biāo)定位控制流程見圖 6。首先，進(jìn)行故障檢測，判斷系統(tǒng)是否存在嚴(yán)重故障，如果存在故障，則進(jìn)行排除；如果沒有故障，則按下啟動按鈕。系統(tǒng)運行前先判斷系統(tǒng)是否有故障，如無故障則按下啟動按鈕；橫封、縱封電機轉(zhuǎn)動；在包裝過程中，實時檢測色標(biāo)和刀位信號，判斷橫封與縱封是否同步；如果不同步，則具體情況（滯后或超前）做相應(yīng)的補償。若按下停止按鈕，系統(tǒng)完成當(dāng)前包裝周期后停止運行。

圖 6 枕式包裝機色標(biāo)定位流程

4. 實驗研究

為驗證所述枕式包裝機自動定位方法的可行性和有效性，選用上述的 FX2N 系列 PLC 和伺服系統(tǒng)Fig.6 Color positioning process of pillow packaging machine搭建控制平臺，并進(jìn)行相關(guān)實驗研究。

首先，進(jìn)行實驗 1，包裝誤差實驗，以排除其對色標(biāo)定位的影響。設(shè)定包裝速度為 80 包/min，包裝長度在 100~300 mm 內(nèi)隨機選取，實測包裝誤差見表2。由實驗結(jié)果可知：包裝誤差非常小，可以忽略不計。伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制能夠保證電機運動十分精確， 再加上電機軸和橫向封切軸為剛性連接，電機運動誤差很小，故可不考慮其對色標(biāo)定位精度的影響，因此， 實驗中應(yīng)重點考慮張緊力失衡、振動等因素。然后， 進(jìn)行實驗 2，色標(biāo)定位誤差實驗。設(shè)定包裝速度為 80

包/min、包裝長度為 100 mm、色標(biāo)寬度為 5 mm，測量切點和色標(biāo)中心點之間的距離，實驗結(jié)果同樣見表2。由實驗結(jié)果可知：最大誤差只有 1 mm，小于色標(biāo)寬度的一半，即切點仍位于色標(biāo)點上。表明文中所述色標(biāo)自動定位方法可以滿足包裝機械對色標(biāo)定位精度的要求。