BWS/博瑋伺服控制系統(tǒng)在多伺服枕式包裝機(jī)中的應(yīng)用

引言
　　枕式包裝機(jī)又稱接縫式裹包機(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，實(shí)際應(yīng)用中，與相應(yīng)衍生機(jī)種、輔助機(jī)種相配合，能實(shí)現(xiàn)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。適應(yīng)的包裝物為一般塊狀、筒狀規(guī)則物品，無規(guī)則異形物品，如：餅干、蛋糕、化妝品、紙巾等。包裝成品的形式有單件包裝、集合包裝、帶托盤包裝、無托盤集合包裝等。
　　傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)橫封刀的運(yùn)動(dòng)曲線是由機(jī)械的凸輪來實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械加工、安裝復(fù)雜，運(yùn)行噪音大，效率低；如果使用伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電子凸輪功能，對(duì)于機(jī)械安裝、運(yùn)行效率會(huì)有一定的提高。本文詳細(xì)介紹BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器，BWS-BH系列異步伺服電機(jī)在包裝機(jī)中實(shí)現(xiàn)電子凸輪的應(yīng)用。

1. 枕式包裝機(jī)的工藝簡介

　　枕式包裝機(jī)的送膜和進(jìn)料是同步進(jìn)行的，由色標(biāo)檢測和接近開關(guān)分別對(duì)送膜和送料的位置進(jìn)行檢測，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)過橫封橫切部位，由回轉(zhuǎn)式或往復(fù)式的橫封橫切刀對(duì)筒膜進(jìn)行橫向封切，輸出包裝成品，具體工藝流程圖和工藝結(jié)構(gòu)圖分別參照?qǐng)D1、圖2：

圖1 枕包機(jī)工藝流程圖

圖2 枕包機(jī)工藝結(jié)構(gòu)圖

2. 枕式包裝機(jī)自動(dòng)化程度的發(fā)展

　　隨著食品包裝行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)類似枕包機(jī)這樣的機(jī)械提出的要求是提高包裝速度與精度，全面包裝品規(guī)格，操作趨于人性化以及售后維護(hù)成本降低。根據(jù)枕包機(jī)的工藝不難看出，其控制重點(diǎn)在于送料、送膜以及橫封橫切軸三軸的配合，因此從第一代枕包機(jī)發(fā)展至今，主要就是對(duì)這三軸的控制進(jìn)行改進(jìn)以滿足行業(yè)不斷提升的要求，從低端到高端、從機(jī)械控制為主到電氣控制為主，枕包機(jī)控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
階段一：單變頻
　　使用一臺(tái)變頻器加一臺(tái)交流電機(jī)來工作，為了成比例的同時(shí)帶動(dòng)橫封刀（加輸送機(jī)）跟包裝膜，需要一臺(tái)無極變速箱來根據(jù)不同的膜長調(diào)節(jié)膜軸的速度。從而實(shí)現(xiàn)了兩路速度的輸出，但是無極變速箱會(huì)隨著使用時(shí)間的增長出現(xiàn)磨損影響使用精度，因此有他的局限性。橫封刀的運(yùn)行曲線是由機(jī)械凸輪來實(shí)現(xiàn)的，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多。
階段二：單變頻+單伺服
　　使用一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)橫封刀（加輸送機(jī)），一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)包裝膜，取消了無極變速箱。各部分運(yùn)行獨(dú)立，由PLC控制器協(xié)調(diào)兩部分速度。橫封刀運(yùn)動(dòng)軌跡仍有機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)。
階段三：雙伺服
　　原理同單伺服+單變頻，但其控制精度進(jìn)一步提高。
階段四(目前最先進(jìn)的控制方式,本文介紹重點(diǎn))：三伺服
　　三個(gè)伺服分別驅(qū)動(dòng)橫封刀、包裝膜、供料輸送機(jī)，橫封刀的運(yùn)行軌跡完全有伺服來實(shí)現(xiàn)，取消機(jī)械凸輪，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。三部分的運(yùn)行速度需要有高性能的控制器來控制，因此對(duì)于控制器的要求比較高，經(jīng)過試驗(yàn)的BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器，BWS-BH系列異步伺服電機(jī)能完成這項(xiàng)功能，并且能提高包裝速度速度。

3. 三伺服枕式包裝機(jī)的詳細(xì)工藝及控制要求

　　三伺服枕包機(jī)是在雙伺服枕包機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種高端枕式包裝機(jī)，其技術(shù)核心就是用運(yùn)動(dòng)控制器中的電子凸輪功能替代原先的機(jī)械凸輪，完成機(jī)器中橫封橫切與拉膜牽引以及送料的配合，要求橫切的位置能精確地定位在包裝袋的色標(biāo)上，誤差范圍應(yīng)小于±2.5mm(根據(jù)色標(biāo)寬度定)，速度一般能達(dá)到200包/分鐘。

3.1 機(jī)器的啟動(dòng)檢測定位
　　由于在機(jī)器的整個(gè)運(yùn)行過程中保持送膜、送料、橫封橫切軸的位置準(zhǔn)確非常重要，軸與軸之間按照包裝物規(guī)格的不同有不同的位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因此在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)就因?qū)⑷S的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，找到位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)以便機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)按照對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行檢測糾偏。

三軸的偏差檢測通過不同的傳感器進(jìn)行：
送膜軸：膜的色標(biāo)位置通過色標(biāo)傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器分頻進(jìn)行檢測。
送料軸：輸送帶的位置通過安裝在輸送帶的接近開關(guān)和輸送帶伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器分頻信號(hào)位置檢測。
橫封橫切軸：橫封刀位置的檢測通過安裝在橫封刀上的接近開關(guān)和設(shè)定的橫封刀每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)進(jìn)行檢測。

機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的檢測定位流程如圖3：

圖3 機(jī)器啟動(dòng)時(shí)三軸的檢測定位流程

3.2 機(jī)器運(yùn)行時(shí)的工藝及控制
　　啟動(dòng)檢測定位完成后，機(jī)器將進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，其控制重點(diǎn)仍在于三軸的配合運(yùn)行，工藝結(jié)構(gòu)及控制圖如圖4：

圖4 三伺服枕式包裝機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及控制圖

圖中所標(biāo)的三軸的功能及控制要求分別為：

橫封橫切軸：
　　切割包裝膜，把每包包裝物分離，并且熱封包裝口， 由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)帶刀導(dǎo)輥旋轉(zhuǎn)對(duì)包裝物進(jìn)行橫封橫切，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到橫封過程的角度時(shí)，橫封軸必須與主軸保持同步，當(dāng)轉(zhuǎn)到其他角度時(shí)，橫封軸的速度需要改變，橫封的周期時(shí)間與主傳送帶送入一個(gè)包裝物品的時(shí)間相同。
　　在這里，我們將進(jìn)行橫封過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)而定，目前使用最多的角度大小是66°左右。橫封軸轉(zhuǎn)到同步角時(shí)，必須與送料軸保持速度同步，而轉(zhuǎn)到其它角度時(shí)，需要加速還是減速，取決于橫封軸固有長度與產(chǎn)品長度之間的大小關(guān)系，固有長度的定義如圖5所示：

圖5 固有長度的定義

根據(jù)固有長度與產(chǎn)品長度之間的關(guān)系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步角以外的角度時(shí)加減速控制要求入圖6所示：

送膜軸：
　　帶動(dòng)包裝膜，夾運(yùn)，縱封軸，使包裝膜與包裝物同步，當(dāng)包裝薄膜上需要色標(biāo)定位時(shí)，必須在送膜軸的控制中加入糾偏，以防止滑差導(dǎo)致的累計(jì)誤差，保證橫切位置準(zhǔn)確如圖7：

圖7 正確的橫切位置

送膜軸的糾偏流程如圖8所示：

送料軸：
　　按照一定的速度帶動(dòng)包裝物，把包裝物送入包裝膜中，物料間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開的，可以保證物料被送入包裝膜時(shí)位置的準(zhǔn)確性。但長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號(hào)檢測進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，其運(yùn)動(dòng)控制及糾偏的模式與送膜軸幾乎一致，只是檢測定位為信號(hào)采用了接近開關(guān)，與主軸同步跟隨的參數(shù)也會(huì)有所不同。

4. BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器，BWS-BH系列異步伺服電機(jī)的介紹以及在三伺服枕包機(jī)中的應(yīng)用

4.1BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器，BWS-BH系列異步伺服電機(jī) 功能及特點(diǎn)描述
　　BWS-BBR系列是BWS伺服的飛剪型運(yùn)動(dòng)控制器，其特點(diǎn)就是可以進(jìn)行靈活、快速的運(yùn)動(dòng)控制，適合需要8軸以下伺服控制且同步協(xié)調(diào)或跟隨要求高的包裝機(jī)械,如：多伺服枕包機(jī)、連續(xù)式立包機(jī)、瓦楞紙生產(chǎn)線的送紙機(jī)構(gòu)、全伺服臥式包裝機(jī)等。
BWS-BBR系列可實(shí)現(xiàn)的控制功能如表１所示：

表１　BWS-BBR的控制功能

BWS-BBR的性能特點(diǎn)有：
——根據(jù)并列分散處理性系統(tǒng)，從2軸到最大8軸穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制周期（例：0.5～2ms）；
——內(nèi)置直接控制脈沖輸入輸出/模擬量輸入輸出的高速周期處理型引擎（例：從輸入信息到控制輸出1個(gè)周期0.5ms～2ms）；
——軸控制間的控制周期的同步化、高速脈沖起動(dòng)（最高25μs～）、高速模擬量輸入輸出（40μs）、高速計(jì)數(shù)器自鎖（30 μs）、高速浮動(dòng)小數(shù)點(diǎn)演算等；
——模塊化構(gòu)造，可將枕包機(jī)中的理料、飛剪等環(huán)節(jié)程序模塊化。

4.2 三伺服枕式包裝機(jī)的BWS伺服系統(tǒng)方案
　　對(duì)于三伺服枕式包裝機(jī)，BWS-BBR是一款非常合適的運(yùn)動(dòng)控制器，配合BWS伺服的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)

4.3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.3.1 主軸
　　如上所述，在三伺服滾刀式枕包機(jī)中，軸和軸之間的動(dòng)作需要保持同步或相互協(xié)調(diào)，因此就需要定義一根軸作為主軸，其余軸都以它為參照，進(jìn)行同步跟隨或凸輪定位。
　　主軸可以用實(shí)際存在的三根軸中的一根來定義，也可以用虛軸來定義，定義成虛軸的優(yōu)勢在于可以省去控制器對(duì)主軸位置的判斷處理時(shí)間。
　　由于BWS-BBR支持虛軸功能，因此在這里我們定義一根虛軸為主軸。
　　本文中的虛軸實(shí)際上使用了一個(gè)MMP模塊的實(shí)際脈沖輸出通道（脈沖輸出2），設(shè)置方式如圖10：

圖10 MMP模塊設(shè)置圖

　　操作模式為絕對(duì)脈沖（環(huán)形模式），循環(huán)最大計(jì)數(shù)：30000。使用SPED指令直接輸出脈沖每到脈沖值到30000時(shí)自動(dòng)清零。也就是每發(fā)送30000個(gè)脈沖相當(dāng)于包裝一個(gè)包裝物，可以根據(jù)包裝速度計(jì)算出發(fā)送的脈沖頻率。

4.3.2 橫封橫切軸的位置控制
　　由于本設(shè)備使用電子凸輪代替了機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，其速度分為兩段速，因此采用APR指令與PULS指令結(jié)合應(yīng)用的方式對(duì)橫封橫切軸進(jìn)行控制。
　　首先計(jì)算出橫封切刀的運(yùn)行曲線跟虛軸脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖11所示：

圖11 橫封橫切軸與虛擬軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　由于BWS-BBR傳承了BWS伺服PLC的功能塊及ST語言編程功能，因此在這里計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)系的算式可以用ST語言執(zhí)行，并組成功能塊如圖12所示：

圖12橫封切刀與虛軸對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算

計(jì)算出對(duì)應(yīng)關(guān)系后，將對(duì)應(yīng)關(guān)系得數(shù)據(jù)輸入APR指令的CAM表如圖13，再由APR指令根據(jù)虛擬軸的實(shí)時(shí)位置信息求出橫封橫切軸的位置，如圖14：

圖13 APR指令表的制作

圖14 APR指令執(zhí)行

　　由于BWS-BBR中的PULS指令經(jīng)過設(shè)置只需要給定絕對(duì)位置值就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出輸出頻率控制伺服系統(tǒng)，因此最后只需將APR指令中橫封橫切刀的位置地址作為PULS指令的目標(biāo)位置，即可完成橫封橫切軸的凸輪控制，如圖15：

圖15 PULS指令執(zhí)行

4.3.3 送膜軸的位置控制
　　送膜軸的位置控制跟橫封刀的方式相同，只是由于包裝膜的張力的變化會(huì)發(fā)生位置的偏差，在工作中必須進(jìn)行修正。
　　首先計(jì)算出送膜軸運(yùn)行給定的袋長需要的脈沖數(shù)，然后與虛軸的脈沖數(shù)進(jìn)行線性對(duì)應(yīng)，隨時(shí)讀取虛軸的脈沖值，然后根據(jù)線性關(guān)系求出膜軸應(yīng)該對(duì)應(yīng)的位置脈沖，通過PULS指令進(jìn)行輸出。
　　如果出現(xiàn)色標(biāo)偏差可以修改袋長對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)的最大值，即修改了線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖16所示，從而在下一周期中改變膜軸的位置，保證色標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。

圖16膜軸與虛軸點(diǎn)數(shù)線性對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

在這里需要注意的是：檢測出偏差后，需要進(jìn)行判斷色標(biāo)是超前還是滯后（可以在功能塊中計(jì)算，ST語言比較合適），但是超前和滯后會(huì)有四種情況，有超前一個(gè)袋長的情況，沒有一個(gè)袋長的情況；滯后一個(gè)袋長的情況，不到一個(gè)袋長的情況，如果不注意處理，就會(huì)發(fā)生誤糾偏的情況。在這里，我們?nèi)杂肧T語言編寫功能塊，對(duì)此情況進(jìn)行處理，功能塊與ST源代碼如圖17、18所示：

圖17 糾偏判斷功能塊

圖18 糾偏判斷的ST源代碼

4.3.4 送料軸的位置控制
　　送料軸的位置控制方式與送膜軸的控制方式相同，只是參數(shù)有所變更，在此不再敘述。

4.3.5 其他注意事項(xiàng)
　　需要注意PULS指令的過零點(diǎn)判斷，如果判斷不好會(huì)出現(xiàn)伺服倒轉(zhuǎn)、突然高速運(yùn)行、抖動(dòng)的情況。
　　另外，如果伺服參數(shù)調(diào)整不對(duì)也就是伺服的相應(yīng)不一樣，在高速時(shí)會(huì)出現(xiàn)色標(biāo)的偏差，此偏差不易在程序中修正。

5. 結(jié)束語
經(jīng)過測試，設(shè)備可按照客戶原先提出的以下要求正常運(yùn)行：
①提高包裝精度，正?？梢赃_(dá)到120～200包/分；
②減少機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，省去機(jī)械凸輪，易于維修，同時(shí)減少工作噪音；
③使用觸摸屏操作使操作方式人性化；
④使用方便，操作簡單，即便出現(xiàn)故障只要簡單處理就可繼續(xù)運(yùn)行。
⑤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別重要。

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，BWS伺服的BWS-BBR系列的電子凸輪功能、同步總線高速運(yùn)算功能起到了關(guān)鍵作用，使得機(jī)器在保證切刀位置精準(zhǔn)的情況下高速穩(wěn)定地運(yùn)行。
　　飛剪、電子凸輪、高速、實(shí)時(shí)糾偏等功能，是目前很多OEM機(jī)械尤其是包裝機(jī)械行業(yè)的高端機(jī)型提出的需求，在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，能夠?qū)⒃鹊纳a(chǎn)效率提高2～3倍甚至更多，在不久的將來會(huì)成為主流趨勢，而BWS-BBR在三伺服枕包機(jī)中的成功應(yīng)用也證明了BWS伺服在遇到此類機(jī)械的開發(fā)時(shí)有很好的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)，在此領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來越多。

參考文獻(xiàn)
[1] BWS伺服BBR系列輪切型伺服編程手冊(cè)
[2] BWS伺服BBR系列輪切型伺服操作手冊(cè)