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0. 引言

枕式包裝機(jī)是一種臥式三面封口，自動(dòng)完成制袋、填充、封口、切斷、成品排除等工序的包裝設(shè)備，主要應(yīng)用于食品、日用化工、醫(yī)藥等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的流水包裝。隨著包裝行業(yè)的快速發(fā)展， 高速、高精度和柔性化是其發(fā)展的趨勢(shì)。但是傳統(tǒng)的以電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者變頻控制的枕式包裝機(jī)在控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性、產(chǎn)品適應(yīng)性、調(diào)試維修以及運(yùn)行噪音等方面存在一些很難克服的弊端［1］。

如今，電子凸輪技術(shù)隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展而得到廣泛的應(yīng)用，它是利用構(gòu)造的電子凸輪曲線來(lái)模擬機(jī)械凸輪，以達(dá)到與機(jī)械凸輪系統(tǒng)相同的凸輪軸與主軸之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軟件系統(tǒng)。它主要有以下的優(yōu)點(diǎn)［2-3］：（1） 精度高。電子凸輪采用數(shù)字控制技術(shù)，既不需要很高的機(jī)械凸輪制造精度，也不會(huì)有機(jī)械磨損，凸輪曲線形狀一旦確定便不會(huì)隨時(shí)間改變，因而從軸重復(fù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的精度高。（2）速度高，穩(wěn)定性好。電子凸輪由于采用伺服控制，不但沒(méi)有機(jī)械凸輪的慣性，而且控制器運(yùn)算速度快，故系統(tǒng)響應(yīng)快，能適合高速運(yùn)動(dòng)。（3）操作靈活，更柔性化。電子凸輪只要更改相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即可以實(shí)現(xiàn)多種凸輪軌跡的運(yùn)動(dòng)控制，快速簡(jiǎn)單，避免了機(jī)械加工的麻煩， 降低了裝配和調(diào)試的成本。（4）噪音低。電子凸輪沒(méi)有多余的機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)和摩擦小，噪音更低。因此，目前使用電子凸輪控制的伺服型枕式包裝機(jī)是行業(yè)發(fā)展的必然方向。

0. 枕式包裝機(jī)的控制原理

由送膜、進(jìn)料、橫封以及縱封等機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí)送膜和進(jìn)料是同步進(jìn)行的，由色標(biāo)檢測(cè)和接近開(kāi)關(guān)分別對(duì)送膜和送料的位置進(jìn)行檢測(cè)，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材ぃ⑦M(jìn)行縱向熱封，同時(shí)物料被送進(jìn)筒膜內(nèi)，一起向前經(jīng)過(guò)橫封橫切部位，由回轉(zhuǎn)式的橫封滾切刀對(duì)筒膜進(jìn)行橫向封切，最后輸出包裝成品。為了完成整個(gè)流程，其控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于物料輸送軸、送膜軸和橫封軸，三軸的位置、速度同步以及電子凸輪運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)［4-7］。

1. 1. 位置同步

需要保證物料輸送軸將被包裝物在合適的位置推入筒膜中，否則橫封軸壓合時(shí)會(huì)壓住產(chǎn)品；而且同時(shí)橫封軸也必須切割在薄膜的色標(biāo)點(diǎn)上，這樣才能保證包裝膜圖案的完整性。當(dāng)調(diào)整完畢， 三軸在運(yùn)行中需要一直保持該位置關(guān)系。

1. 2. 速度同步

一方面是要求橫封軸旋轉(zhuǎn)一周包裝出一個(gè)成品，同時(shí)物料輸送軸送入一個(gè)產(chǎn)品，送膜軸也送進(jìn)一個(gè)袋長(zhǎng)的薄膜。另一方面是橫封軸壓合時(shí)，送膜和壓合需要速度同步，即橫封刀切割時(shí)的線速度與此時(shí)薄膜的線速度要相等，否則會(huì)造成薄膜堆積或者拉扯，影響包裝質(zhì)量。

1. 3. 電子凸輪運(yùn)動(dòng)

當(dāng)包裝袋長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，由于橫封刀的周長(zhǎng)是一定的。如果橫封軸作勻速運(yùn)動(dòng)，勢(shì)必造成它和物料輸送軸，送膜軸之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，影響包裝質(zhì)量。因此，橫封軸必須以凸輪方式和送膜軸，物料輸送軸配合。

1. 橫封軸滾切電子凸輪曲線的設(shè)計(jì)
2. 1. 橫封滾切電子凸輪的參數(shù)及計(jì)算

在枕式包裝機(jī)中，橫封裝置由橫封伺服控制，它產(chǎn)生的滾切凸輪運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)最重要兩個(gè)功能：封合和切斷［8］。

當(dāng)枕式包裝機(jī)工作時(shí)，橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到橫封過(guò)程的角度時(shí)，橫封軸必須與送膜軸保持線速度同步，我們將進(jìn)行橫封過(guò)程的角度稱為同步角，同步角的大小根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝而定，目前使用最多的角度是 60°左右。橫封軸轉(zhuǎn)到同步角時(shí)，必須與送膜軸保持速度同步，而脫離同步角度后，需要加速還是減速，取決于橫封軸固有長(zhǎng)度與包裝袋長(zhǎng)度之間的大小關(guān)系。橫封軸固有長(zhǎng)度 G 的定義如圖 3 所示。而且橫封的周期時(shí)間與物料輸送軸送入一個(gè)物品的時(shí)間必須相同。當(dāng)停機(jī)時(shí)，橫封刀需要停止在指定的角度上，該角度稱為等待位置 hs。

1. 1. 橫封軸電子凸輪曲線設(shè)計(jì)分析

在橫封電子凸輪曲線設(shè)計(jì)中，主要是要確定橫封軸和虛擬主軸的位置關(guān)系。虛擬主軸是隨著伺服控制技術(shù)出現(xiàn)而提出的概念，它只是用來(lái)接收速度、位置和加速度指令，沒(méi)有真實(shí)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在主從軸同步控制的基礎(chǔ)上，從軸按一定關(guān)系跟隨該虛擬主軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主從軸特定曲線地嚙合。下面主要對(duì)橫封軸和主軸位置關(guān)系進(jìn)行闡述。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，枕式包裝機(jī)為了適應(yīng)客戶對(duì)包裝不同袋長(zhǎng)的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)的滾切電子凸輪曲線需要考慮如下 4 種情況。

0. 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了枕式包裝機(jī)橫封軸的電子凸輪曲線設(shè)計(jì)方法，并以伺服軸枕式包裝機(jī)為例說(shuō)明了其軟硬件具體實(shí)現(xiàn)。使用本電子凸輪伺服控制算法，解決了傳統(tǒng)枕式包裝機(jī)，機(jī)械安裝維護(hù)麻煩，噪音大，精度低，尺寸規(guī)格調(diào)整復(fù)雜等缺點(diǎn)，并極大地提高了枕式包裝機(jī)的運(yùn)行速度和精度，操作更方便，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該方法同樣對(duì)其他包裝機(jī)械的電子凸輪控制研究，也有一定的借鑒意義。

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