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      枕式包裝機(jī)色標(biāo)自動(dòng)定位方法

      發(fā)布時(shí)間:2020-05-19 14:37:29 |來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

      在現(xiàn)代工業(yè)中,包裝機(jī)械的應(yīng)用十分廣泛,例如食品、制藥、化工、電子等行業(yè)。包裝機(jī)械是指完成全部或部分包裝過(guò)程的機(jī)器,包裝過(guò)程包括成型、充填、裹包等主要包裝工序,清洗、干燥、殺菌、貼標(biāo)、捆扎、集裝和拆卸等前后包裝工序,以及轉(zhuǎn)送、選別等其他輔助工序。在某種意義上,包裝機(jī)械在眾多行業(yè)發(fā)展過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用。近些年來(lái)全自動(dòng)包裝機(jī)械的研發(fā)、使用和推廣備受關(guān)注,許多高新技術(shù)和智能控制算法在包裝機(jī)械中得以應(yīng)用,包裝機(jī)械的智能化、自動(dòng)化、多功能化水平不斷提高。雖然包裝機(jī)械自動(dòng)化程度較高,但是受振動(dòng)、拉拽等因素的影響,其定位精度會(huì)有所下降。例如: 包裝材料上定位色標(biāo)的印刷誤差、機(jī)械傳動(dòng)、包裝材料拉伸等容易造成實(shí)際封切位置偏離色標(biāo),進(jìn)而出現(xiàn)誤差。為解決此問(wèn)題以消除誤差實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)封切, 包裝機(jī)械控制系統(tǒng)必須具有色標(biāo)自動(dòng)定位功能。所謂色標(biāo)定位是指利用傳感器、自動(dòng)控制等技術(shù)保證封合切斷裝置能夠適當(dāng)?shù)刈饔迷诎b膜色標(biāo)點(diǎn)處。通常情況下,色標(biāo)定位涉及到速度匹配、位置匹配 2 個(gè)方面。其中速度匹配,即切點(diǎn)處包裝膜進(jìn)給速度和封合切斷裝置線速度相等, 可避免包裝膜的“拉拽”、“堆積”;位置匹配,即切點(diǎn)和色標(biāo)點(diǎn)重合,可避免包裝物料損壞、刀具損傷,同時(shí)可降低次品率。針對(duì)包裝機(jī)械的色標(biāo)定位問(wèn)題,文中以枕式包裝機(jī)為例,詳細(xì)論述色標(biāo)自動(dòng)定位方法。基于PLC 設(shè)計(jì)相關(guān)控制系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以驗(yàn)證所述方法和系統(tǒng)的可行性、有效性。

      1. 枕式包裝機(jī)簡(jiǎn)介和控制方案

      枕式包裝機(jī)結(jié)構(gòu)見圖 1,主要包括輸送機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)送膜機(jī)構(gòu)、光電開關(guān)、制袋器、縱密封器、人機(jī)界面、橫密封器以及產(chǎn)品輸出機(jī)構(gòu)等。包裝機(jī)械工作過(guò)程可描述如下:包裝薄膜以卷筒狀安裝在送膜機(jī)構(gòu)

      包裝薄膜輸送過(guò)程圖

      圖 2 輸送過(guò)

      Fig.2 Packaging film transportation process

       

       

      同時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速。定義伺服電機(jī)分辨率即其旋轉(zhuǎn) 1 圈所需脈沖個(gè)數(shù)為 K,那么對(duì)應(yīng)脈沖頻率 f 可表示為:

       

      枕式包裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

      圖 1 機(jī)結(jié)構(gòu)

      Fig.1 Structure of pillow packaging machine

      主電機(jī)一般選用三相電機(jī),經(jīng)中間機(jī)構(gòu)將動(dòng)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(yùn)動(dòng),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(jī)械的生產(chǎn)率,就可根據(jù)包裝袋長(zhǎng)或色標(biāo)間距,以橫封速度為基準(zhǔn),調(diào)整縱封伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)控制縱封速度以調(diào)節(jié)包裝薄膜的速度。

      1. 色標(biāo)定位方法

      包裝薄膜輸送過(guò)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(cè)包裝薄膜上的色標(biāo)位置。色標(biāo)傳感器具體型號(hào)應(yīng)根據(jù)包裝薄膜顏色來(lái)選擇。為便于色標(biāo)補(bǔ)償,通常要求橫封

      通過(guò)觸摸屏設(shè)置包裝袋長(zhǎng) l,由 PLC 控制器根據(jù)上式求解出對(duì)應(yīng)的脈沖頻率 f 和脈沖數(shù)目 k,并將這2 個(gè)參數(shù)傳送至伺服驅(qū)動(dòng)器,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按設(shè)定參數(shù)運(yùn)行。雖然 PLC 可以保證伺服電機(jī)按設(shè)定參數(shù)精確運(yùn)行,但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,包裝薄膜所受張緊力往往不均衡,同時(shí)受機(jī)械振動(dòng)、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(wèn)題,可采用如下方法(見圖 3):系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(guò)時(shí),其都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)M;同樣,橫封裝置封切筒狀且內(nèi)含包裝物料的包裝袋時(shí),凸輪開關(guān)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào) N。

      傳感器檢測(cè)信號(hào)圖

      圖 3 測(cè)信號(hào)

      Fig.3 Sensor detection signal

       

       

      義電號(hào) M 和 N 為 T1 和 T2,理想、脈數(shù)應(yīng)根據(jù)(5)(6)進(jìn)行調(diào)下,滿足 T1=T2,為了便于研究與分析,可近似認(rèn)為電信號(hào) 的周期相等,均用 T 表示。若以橫封切斷信號(hào) 作為基準(zhǔn),那么包裝過(guò)程中電信號(hào) M 和

      之間存在 種時(shí)序關(guān)系,見圖 4。圖 4a 表示信號(hào) M和 N  同時(shí)發(fā)生,即最優(yōu)狀況。不過(guò)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,信號(hào) M 和 N 只需部分重合就沒(méi)有必要進(jìn)行補(bǔ)償。圖 4b 表示信號(hào) M 滯后于信號(hào) 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(shí)縱封機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)需要加速。圖 4c 表示信號(hào) M 超前于信號(hào) 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(shí)縱封機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)需要減速。

      時(shí)序關(guān)系圖

       

      圖 4 時(shí)關(guān)系

      Fig.4 The sequence diagram

       

      1. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        1. 硬件配置

      根據(jù)包裝機(jī)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(gè)輸出接口以及 13 個(gè)輸入接口。

      表 1 PLC 配置

      Tab.1 PLC port configuration

       

      輸出端口

      輸出設(shè)備

      輸入端口

      輸入設(shè)備

      Y0

      主電機(jī)脈沖

      X0

       

      X1

       

      X2 X3

      X4—X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14

      X15 X16

      X17

      主電機(jī) A 相脈沖 主電機(jī) B 相脈沖 刀位檢測(cè)色標(biāo)檢測(cè)備用

      反追按鈕正追按鈕點(diǎn)動(dòng)按鈕啟動(dòng)按鈕停機(jī)按鈕安全按鈕自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕主電機(jī)

      過(guò)載信號(hào)膜電機(jī)

      過(guò)載信號(hào)

      Y1

      膜電機(jī)脈沖

      Y2

      主電機(jī)啟動(dòng)

      Y3

      膜電機(jī)啟動(dòng)

      Y4

      上封溫控信號(hào)

      Y5

      下封溫控信號(hào)

      Y6

      縱封溫控信號(hào)

      Y7

      備用

      Y10

      膜電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)

      Y11

      正向追蹤指示燈

      Y12

      反向追蹤指示燈

      Y13

      運(yùn)行指示燈

      COM0

      主電機(jī)接地

      COM1

      膜電機(jī)接地

       

      三菱 FX2N 系列 PLC 具有比較豐富的指令控制系統(tǒng),如運(yùn)動(dòng)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(diǎn)速度檢測(cè)、控制的要求,有利于實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械色標(biāo)的準(zhǔn)確定位。PLC 溫控模塊FX2N-4AD-TC 實(shí)現(xiàn)縱封機(jī)構(gòu)和橫封機(jī)構(gòu)的溫度采集,并將模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),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(hào)時(shí),會(huì)觸發(fā)光電開關(guān)并向  PLC  發(fā)送一個(gè)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(shí),其伺服電機(jī)控制參數(shù)包括運(yùn)行頻匹配,從而提高了包裝精度。PLC 接線見圖 5。

       

       

      PLC?接線圖

       

      圖 5 PLC 接線

      Fig.5 PLC wiring diagram

      伺服電機(jī)選用通用 HF-KN73(B)系列,與其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器為 MR-E 系列的 MR-E-70A。電機(jī)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 450r/min;最大輸出轉(zhuǎn)矩為 7.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(jī)交互界面。其不僅可以作為控制參數(shù),如包裝袋長(zhǎng)、速度、熱封溫度輸入以及包裝機(jī)械運(yùn)行情況實(shí)時(shí)顯示等。

        1. 軟件設(shè)計(jì)

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

      控制器主要用于處理各種反饋信號(hào)并根據(jù)處理結(jié)果控制伺服驅(qū)動(dòng)器,以協(xié)調(diào)包裝機(jī)械各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。伺服驅(qū)動(dòng)器為閉環(huán)控制系統(tǒng),通過(guò)內(nèi)置編碼器檢測(cè)位置和速度等信號(hào),將其反饋到  PLC  以保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確性。伺服驅(qū)動(dòng)器接收控制器所傳送脈沖信號(hào),其中脈沖頻率用于控制器電機(jī)轉(zhuǎn)速、脈沖數(shù)目用于控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。另外,控制器還可根據(jù)色標(biāo)、刀位檢測(cè)信號(hào)判斷封切位置是否在誤差允許范圍內(nèi)。枕式包裝機(jī)色標(biāo)定位控制流程見圖 6。首先,進(jìn)行故障檢測(cè),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(méi)有故障,則按下啟動(dòng)按鈕。系統(tǒng)運(yùn)行前先判斷系統(tǒng)是否有故障,如無(wú)故障則按下啟動(dòng)按鈕;橫封、縱封電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);在包裝過(guò)程中,實(shí)時(shí)檢測(cè)色標(biāo)和刀位信號(hào),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(bǔ)償。若按下停止按鈕,系統(tǒng)完成當(dāng)前包裝周期后停止運(yùn)行。

       

       

       


      枕式包裝機(jī)色標(biāo)定位流程圖

       

       

      圖 6 機(jī)色標(biāo)定位

       

      1. 實(shí)驗(yàn)研究

      為驗(yàn)證所述枕式包裝機(jī)自動(dòng)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(tái),并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

      首先,進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 1,包裝誤差實(shí)驗(yàn),以排除其對(duì)色標(biāo)定位的影響。設(shè)定包裝速度為 80 /min,包裝長(zhǎng)度在 100~300 mm 內(nèi)隨機(jī)選取,實(shí)測(cè)包裝誤差見表2。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:包裝誤差非常小,可以忽略不計(jì)。伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制能夠保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)十分精確, 再加上電機(jī)軸和橫向封切軸為剛性連接,電機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差很小,故可不考慮其對(duì)色標(biāo)定位精度的影響,因此, 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)重點(diǎn)考慮張緊力失衡、振動(dòng)等因素。然后, 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 2,色標(biāo)定位誤差實(shí)驗(yàn)。設(shè)定包裝速度為 80

      /min、包裝長(zhǎng)度為 100 mm、色標(biāo)寬度為 5 mm,測(cè)量切點(diǎn)和色標(biāo)中心點(diǎn)之間的距離,實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣見表2。由實(shí)驗(yàn)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(diǎn)仍位于色標(biāo)點(diǎn)上。表明文中所述色標(biāo)自動(dòng)定位方法可以滿足包裝機(jī)械對(duì)色標(biāo)定位精度的要求。

      表 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      Tab.2 The experimental results

       

      實(shí)驗(yàn)

      1

      實(shí)驗(yàn)

      2

      包裝長(zhǎng)度設(shè)定值/mm

      包裝誤差數(shù)值/mm

      序號(hào)

      色標(biāo)跟蹤誤差數(shù)值/mm

      100

      0

      1

      1

      110

      +0.1

      2

      1

      120

      +0.1

      3

      1.5

      130

      −0.1

      4

      0.5

      140

      +0.1

      5

      1

      150

      0

      6

      0

      160

      +0.2

      7

      0.5

      170

      −0.1

      8

      0.5

      180

      −0.2

      9

      0.5

      190

      +0.2

      10

      0

      200

      +0.1

      11

      0

      210

      +0.2

      12

      0.5

      220

      −0.1

      13

      0

      230

      +0.2

      14

      0.5

      240

      −0.1

      15

      0

      250

      −0.2

      16

      0

      260

      +0.1

      17

      0

      270

      −0.2

      18

      0

      280

      +0.1

      19

      0

      300

      −0.1

      20

      0.5

       

      1. 結(jié)語(yǔ)

      包裝機(jī)械在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,高精度色標(biāo)定位是包裝機(jī)械的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。各軸之間張緊力失衡、機(jī)械振動(dòng)、摩擦?xí)蟠蠼档蜕珮?biāo)定位精度。針對(duì)此問(wèn)題,文中提出了一種色標(biāo)自動(dòng)定位方法,基于PLC 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。通過(guò)色標(biāo)、刀位信號(hào)判斷橫封、縱封是否同步,并計(jì)算偏差數(shù)值,以橫封電機(jī)為基準(zhǔn),通過(guò)調(diào)整縱封電機(jī)的脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。文中介紹了基于 FX2N PLC 的控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所述定位方法和控制系統(tǒng)能夠確保切點(diǎn)位于色標(biāo)上,具有一定的可行性和有效性。對(duì)包裝機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及提高色標(biāo)跟蹤精度具有借鑒意義。

       

       

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