送料裝置由鏈輪、鏈條和撥叉組成，其中鏈輪由伺服電機(jī)直接驅(qū)動，待包裝物料由撥叉直接送入制袋成型器內(nèi)。橫封橫切裝置大多采用回轉(zhuǎn)式輥形封切的形式，安裝有刀刃和加熱電極。下輥軸由伺服電機(jī)直接驅(qū)動，通過齒輪傳動實(shí)現(xiàn)上、下輥軸的相向運(yùn)動。一般情況下，橫封軸進(jìn)行凸輪運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)包裝膜的橫向封合與切斷?？v封裝置大多采用輥式回轉(zhuǎn)的形式，安裝有加熱電極，通過兩輥筒等速相向回轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)包裝膜的縱向封合。另外，通過齒輪鏈條傳動，縱封器輥筒旋轉(zhuǎn)線速度與包裝膜進(jìn)給速度相同，因此縱封裝置對包裝膜具有一定的牽引作用。制袋成型器可將包裝膜折疊成筒形，便于物料填充、縱向熱封、橫向熱封等。

1. 2. 運(yùn)動分析

包裝工藝流程可以描述為：送膜裝置將包裝薄膜勻速傳送至制袋成型器，經(jīng)制袋成型器處理后，包裝薄膜會變成筒狀；同時送料裝置會將待包裝物料推入筒狀包裝膜內(nèi)；由縱封裝置完成縱向封合，橫封橫切裝置完成橫向封合、切斷等；成品輸出。為保證自動包裝機(jī)的包裝效率和精度，其整個運(yùn)動過程需滿足以下幾個條件：速度匹配，即送膜速度、送料速度、橫封橫切速度三者相同；位置匹配，即物料要處于包裝薄膜的中間位置，橫封切點(diǎn)和色標(biāo)點(diǎn)重合。

橫封軸進(jìn)行凸輪運(yùn)動，主要原因在于相同時間 T（包裝周期）內(nèi)，加工袋長 L 和橫封軸旋轉(zhuǎn)周長 S 不一定相等。同時加工袋長是可以變化的，而橫封軸旋轉(zhuǎn)周長是固定的。如果橫封軸勻速轉(zhuǎn)動，勢必會導(dǎo)致橫封橫切速度與送膜速度存在差異，產(chǎn)生相對運(yùn)動引起“劃膜”，造成比較大的包裝誤差。橫封軸需要做凸輪運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)送膜、送料、橫封橫切之間的速度匹配。橫封軸運(yùn)動循環(huán)過程見圖 2。

在包裝過程中，物料與包裝薄膜之間的位置匹配是否精確是影響包裝質(zhì)量的重要因素。物料應(yīng)處于筒狀包裝膜的特定位置，以印有色標(biāo)的包裝膜為例，物料應(yīng)在相鄰的 2 個色標(biāo)的中間位置，這樣可以最大程度地降低橫封刀具損壞物料的可能性。另外，橫封切點(diǎn)和色標(biāo)點(diǎn)的位置是否匹配也是影響包裝質(zhì)量的重要因素。在橫封切斷工序中，切點(diǎn)和色標(biāo)點(diǎn)的重合可以避免橫封刀具切到物料，可提高包裝精度、降低次品率。

圖 2 橫封運(yùn)動循環(huán)過程

Fig.2 The movement cycle of horizontal sealing

1. 3. 功能簡介
      1. 電子凸輪。由伺服電機(jī)驅(qū)動橫封軸實(shí)現(xiàn)凸輪運(yùn)動以取代傳統(tǒng)機(jī)械凸輪，具有輸出柔性和可控性， 可根據(jù)具體要求實(shí)時更改凸輪運(yùn)動參數(shù)。
      2. 位置跟蹤。理論上，包裝膜進(jìn)給速度和橫封橫切速度是相同的，但是受拉拽、摩擦、振動等因素的影響，兩者之間出現(xiàn)速度差，導(dǎo)致切點(diǎn)和色標(biāo)點(diǎn)無法重合。自動包裝機(jī)的位置跟蹤功能可實(shí)時檢測色標(biāo)點(diǎn)的位置，進(jìn)而保證橫封刀具準(zhǔn)確地切到色標(biāo)點(diǎn)上。3）物料跟隨。保證物料與包裝膜之間的位置匹配，檢測錯位物料。
2. 電子防切。對錯位物料不進(jìn)行包裝，或切到物料后自動恢復(fù)、調(diào)整，可以提高包裝效率，前者還可以避免刀具和物料的損壞。
3. 自動接膜、空槽檢測、恒溫控制、故障報警等?？梢詫?shí)現(xiàn)自動換膜，對空物料位不進(jìn)行包裝，熱封機(jī)構(gòu)溫度相對恒定，故障提示和排除，以提高生產(chǎn)效率、降低廢品率。
4. 硬件系統(tǒng)設(shè)計

自動包裝機(jī)控制系統(tǒng)是基于伺服驅(qū)動控制技術(shù)進(jìn)行搭建的，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 3。人機(jī)界面是開發(fā)人員或操作人員與控制系統(tǒng)聯(lián)系的主要平臺。通過人機(jī)界面可以設(shè)定或修改一些參數(shù)，如包裝長度、包裝速度、凸輪偏心量、熱封溫度等，以及對刀、各軸單獨(dú)控制等操作。另外，包裝過程中的實(shí)時參數(shù)也可以由人機(jī)界面顯示出來，便于相關(guān)人員監(jiān)控包裝過程、 整定參數(shù)等。該運(yùn)動控制系統(tǒng)選用 Eview MT4300C 系列觸摸屏，支持多串口同時通訊、64K 色顯示方式以及 C 語言宏代碼，RISC 處理速度可以達(dá)到 200 MHz，具有靈活、易用等特點(diǎn)。人機(jī)界面見圖 4。

作為自動包裝機(jī)的控制核心，通用運(yùn)動控制器的

作用非常重要，它可以獲取由人機(jī)界面所設(shè)定的參數(shù)，通過分析、計算得到脈沖控制參數(shù)，并將這些參數(shù)傳送至各伺服驅(qū)動器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動包裝機(jī)各機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動。通過光電傳感器和編碼器將色標(biāo)、物料、各軸位置以脈沖個數(shù)的形式反饋給運(yùn)動控制器，分析運(yùn)動誤差并進(jìn)行計算補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖 4 人機(jī)界面

Fig.4 Human-computer interface

考慮到自動包裝機(jī)的運(yùn)動控制需求，基于 DSP 設(shè)計了一種通用多軸運(yùn)動控制器，其結(jié)構(gòu)見圖 5。DSP 芯片選用 Motorola DSP56F807，其內(nèi)核為 16 位可編程數(shù)字信號處理器。外圍功能模塊主要包括：異步串行通信模塊 SCI，用于觸摸屏通信；通用 I/O 模塊

圖 5 通用運(yùn)動控制器

Fig.5 General movement controller

GPIO，用于接收按鈕及檢測傳感器觸發(fā)信號；Counter模塊，用于伺服電機(jī)控制；脈寬調(diào)制模塊 PWM，通過脈寬調(diào)制電路控制加熱裝置；模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC， 采集熱電偶信號；CAN 總線模塊，用于控制電磁閥、信號燈等；相位檢測器，用于檢測編碼器信號；JTAG 接口等。該控制器適用于多種伺服電機(jī)的控制與應(yīng)用，利用 PC 機(jī)編寫應(yīng)用程序，通過 JTAG 接口下載與調(diào)試。

各軸驅(qū)動系統(tǒng)采用伺服電機(jī)及相應(yīng)伺服驅(qū)動器， 伺服驅(qū)動器接收從運(yùn)動控制器發(fā)出的脈沖信號，進(jìn)而控制伺服電機(jī)按設(shè)定的軌跡和速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

3. 軟件設(shè)計

自動包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括電子凸輪控制模塊、三軸同步控制模塊、人機(jī)界面設(shè)計、電子防切控制模塊、恒溫控制模塊、故障報警程序設(shè)計等。

偏心量等；通過通用運(yùn)動控制器獲取參數(shù)，生成電子凸輪速度曲線并進(jìn)行離散化處理得到伺服電機(jī)控制表格；利用查表法實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的升降頻控制，輸出凸輪運(yùn)動[12—13]。人機(jī)界面設(shè)計，包括可視化界面編程、基于MODBUS 協(xié)議的觸摸屏與通用運(yùn)動控制器通訊程序等。自動包裝機(jī)主要功能的實(shí)現(xiàn)，包括電子凸輪、位置跟蹤、物料跟隨、電子防切、自動接膜、空槽檢測、恒溫控制、故障報警等。電子凸輪和三軸同步控制作為核心，是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)和前提，因此文中將重點(diǎn)介紹其軟件設(shè)計方法。

1. 1. 電子凸輪

電子凸輪主要包括凸輪曲線生成、離散化處理和伺服電機(jī)升降速控制等，關(guān)鍵在于電子凸輪加減速曲線設(shè)計。目前，常用的加減速曲線設(shè)計方法包括：直線、指數(shù)、多項(xiàng)式、拋物線和 S 曲線等。其中直線和指數(shù)加減速法的沖擊比較嚴(yán)重；拋物線和 S 曲線加減速法雖然可以減少沖擊，但是控制過程復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)；多項(xiàng)式加減速法不僅可以減小沖擊，而且算法相對簡單。比較常用的柔性多項(xiàng)式加減速法包括三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式，雖然后者柔性更好，但是其加工效率相對較低。綜合考慮，在滿足無沖擊、高效率的前提下，文中采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行凸輪加速、減速曲線設(shè)計，方程為：

v(t)=a0 +a1t+a2t ²+a3t³

式中：a₀，a₁，a₂，a₃ 為待定系數(shù)，可通過邊界條件求得。

針對電子凸輪加減速曲線，采用定步法進(jìn)行離散化處理，得到一個關(guān)于脈沖頻率 f_i 和脈沖個數(shù) k_i 的控制表格。通過查表法，根據(jù)控制表格中的脈沖頻率、脈沖個數(shù)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的升降速控制^[11]。

綜上所述，電子凸輪的實(shí)現(xiàn)過程見圖 6。通過觸摸屏設(shè)置包裝工藝參數(shù)，例如包裝速度、包裝袋長、

圖 6 電子凸輪實(shí)現(xiàn)過程

Fig.6 The realization of electronic CAM

1. 2. 三軸同步控制

三軸同步是指送膜軸、送料軸、橫封橫切軸的速度與位置匹配控制。參考多軸同步控制算法，文中選用“主從同步控制”實(shí)現(xiàn)自動包裝機(jī)的速度、位置同步，以保證包裝質(zhì)量和效率。

三軸同步控制^[14—16]原理見圖 7，定義送膜軸為主動軸，料軸和橫封橫切軸為從動軸。送膜軸跟蹤誤差可表示為 e₁、送料軸和橫封橫切軸的跟蹤誤差可分別表示為 e₂ 和 e₃。根據(jù)主從同步控制原理，送膜軸同步誤差可表示為 ε₁=0；送料軸同步誤差可表示為ε₂=e₂−e₁，若能使 ε₂→0，可實(shí)現(xiàn)送膜軸和送料軸的速度或位置匹配，即物料跟蹤功能；橫封軸同步誤差可描述為 ε₃=e₃−e₁，若能使 ε₃→0，可實(shí)現(xiàn)切點(diǎn)和色標(biāo)點(diǎn)速度或位置匹配，即色標(biāo)自動追蹤功能。

圖 7 三軸同步控制原理

Fig.7 Three-axis synchronous control principle diagram

以某型號的枕式包裝機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺，去掉其復(fù)雜的機(jī)械凸輪和鏈條傳動結(jié)構(gòu)。結(jié)合上述控制系統(tǒng)， 利用伺服電機(jī)直接驅(qū)動各軸。首先，進(jìn)行包裝誤差測試，即設(shè)定包裝速度為每分鐘 50 包，包裝長度在100 ～ 500 mm 內(nèi)隨機(jī)選取， 橫封軸旋轉(zhuǎn)周長為

370 mm，電子凸輪偏心量為 5。橫封軸作電子凸輪運(yùn)動，當(dāng)包裝長度為 100，125，135，150，175，200， 210，220，249，277，300，319，340，353，370，

386，400，435，450，460 mm 時，測得的偏差數(shù)值分別為 0，0.1，0.1，0.1，0.1，0，0.2，0.1，0.3，0.2， 0.1，0.3，0.1，0.2，0.1，0.3，0.1，0.2，0.1，0.1 mm 。

然后，進(jìn)行色標(biāo)跟蹤誤差測試，即設(shè)定包裝速度為每分鐘 50 包，包裝長度為 300 mm，電子凸輪偏心量為5，對送膜軸、送料軸、橫封軸進(jìn)行三軸同步控制， 跟蹤包裝膜色標(biāo)，測得偏差數(shù)值分別為 1.5，1.5，2， 0.5，1，0，0.5，0.5，0.5，0，0，0.5，0，0.5，0，0，

0，0，0，0.5 mm。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于電子凸輪技術(shù)可將包裝誤差控制在 1 mm 以內(nèi)，與傳統(tǒng)枕式包裝機(jī)械相比，其包裝精度大大提高，而且輸出柔性比較理想，凸輪形式的更改也十分方便，只需簡單修改設(shè)定參數(shù)即可。同時，基于三軸同步控制的色標(biāo)跟蹤技術(shù)，其最大誤差僅為 1.5 mm，在偏差允許的范圍內(nèi)。另外，包裝

速度最大可達(dá)每小時 800 包。

5 結(jié)語

在現(xiàn)代工業(yè)中，自動包裝機(jī)械的應(yīng)用十分廣泛。針對枕式包裝機(jī)械的運(yùn)動控制問題，文中設(shè)計了一種運(yùn)動控制系統(tǒng)，在以下幾個方面展開了工作：以三伺服枕式包裝機(jī)為例，介紹了其結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)動特點(diǎn)， 重點(diǎn)介紹了送膜軸、送料軸、橫封橫切軸、縱封裝置和制袋成型器等，以及電子凸輪、位置跟蹤、電子防切、空槽檢測等功能；設(shè)計了一種自動包裝機(jī)控制系統(tǒng)，包括人機(jī)界面、通用運(yùn)動控制器、伺服系統(tǒng)等， 重點(diǎn)介紹了基于 DSP 的通用運(yùn)動控制器結(jié)構(gòu)；給出了軟件設(shè)計方法，主要包括電子凸輪實(shí)現(xiàn)方法和三軸同步控制方法。文中所述控制系統(tǒng)、控制方法具有通用性，它不僅僅適用于枕式包裝機(jī)，對其他形式的包裝機(jī)械同樣具有一定的借鑒意義。

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