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1 引言
傳統(tǒng)的包裝機(jī)械多通過(guò)復(fù)雜的齒輪、聯(lián)桿傳動(dòng)。存在機(jī)械加工復(fù)雜、精度要求高，安裝調(diào)試繁瑣，機(jī)構(gòu)耦合誤差大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)等的明顯缺點(diǎn)。其控制的速度和精度都受到一定條件的制約。
針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)總線型DVP-10MC運(yùn)動(dòng)控制器，使用電子凸輪等先進(jìn)工藝，保證整機(jī)的同步協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)精確、高速控制。DVP-10MC運(yùn)動(dòng)控制器在此方面表現(xiàn)了良好的性能。
2 系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介
臥式包裝機(jī)是物料充填與袋子成型沿水平方向進(jìn)行，由于水平式制袋、充填和封口，各個(gè)工位均可以方便地進(jìn)行調(diào)整，并可以針對(duì)不同的物料情況作許多復(fù)雜的配置變化。
圖1 臥式包裝機(jī)
圖2 工藝流程圖
臥式包裝機(jī)的工藝為：從卷筒1拉出的包裝材料由導(dǎo)輥2導(dǎo)引，經(jīng)三角成型器3和U形桿4而折合成U形膜；光電檢測(cè)裝置5對(duì)包裝材料上印刷的色標(biāo)拉距進(jìn)行檢測(cè)和送進(jìn)控制，然后由制袋熱封裝置6對(duì)U型折合膜實(shí)施熱熔封接，封接兩側(cè)面完成制袋。牽引送進(jìn)裝置7作間斷啟停旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將成袋及包裝材料牽引送進(jìn)，每次送一個(gè)袋寬的距離，由切斷裝置8裁切成單個(gè)包裝袋，然后由袋夾送進(jìn)裝置作夾持送進(jìn)；在開(kāi)袋口工位由開(kāi)袋口裝置將袋口吸開(kāi)，并往袋內(nèi)噴吹壓力空氣，使袋口擴(kuò)開(kāi)，并由夾持包裝袋的夾手保持張開(kāi)的袋口，以使充填物料順利充填。當(dāng)袋子送到充填工位時(shí)，通過(guò)充填漏斗往包裝袋內(nèi)裝入物料，再在整形工位由整形裝置對(duì)袋中松散物料實(shí)施整形處理，使其袋形便于封口操作，且?jiàn)A袋的夾手向外運(yùn)動(dòng)，使袋口處于平直閉合狀態(tài)，在封口工位完成袋口封接，得到的包裝產(chǎn)品從機(jī)器后端輸出。
3 方案介紹
DVP10MC是臺(tái)達(dá)推出的一款總線型多軸運(yùn)動(dòng)控制器，專(zhuān)門(mén)用于控制臺(tái)達(dá)A2伺服驅(qū)動(dòng)器。DVP10MC與A2伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通訊，最高通訊速率達(dá)到1M bps。它除了能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制以外，還可以實(shí)現(xiàn)PLC的邏輯控制，溫度控制。DVP10MC通訊接口豐富，提供有Ethernet、CAN (Motion Bus)、RS232、RS485及編碼器接口，同時(shí)具有與SV相同的左右擴(kuò)展接口，共享SV所有擴(kuò)展模塊，很適合包裝機(jī)械的多軸控制。
圖3 系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)中DVP10MC采用CANMotion控制6軸伺服裝置，實(shí)現(xiàn)多軸同步控制。兩臺(tái)變頻器通過(guò)左側(cè)的CANopen主站模塊控制，實(shí)現(xiàn)速度控制。HMI采用XBTGT系列觸摸屏，通過(guò)MODBUS/TCP協(xié)議與運(yùn)動(dòng)控制器通訊；現(xiàn)場(chǎng)溫度采用PID控制，溫度控制精確。
表1 系統(tǒng)配置
4 控制工藝
夾手裝置由三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成袋子的移送，其電子凸輪曲線如下圖示：
圖4 夾手裝置凸輪曲線
制袋工位由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其凸輪曲線如圖5所示。
圖5 熱封裝置凸輪曲線
拉模裝置由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其凸輪曲線如圖6所示。
圖6 拉膜裝置凸輪曲線
主軸變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)上帶一個(gè)編碼器，在正常運(yùn)行時(shí)，其他軸根據(jù)自己所處的位置相應(yīng)做跟隨運(yùn)動(dòng)。放膜部分采用張力控制，使放膜輥在放膜過(guò)程中，均勻放膜。
拉膜軸通過(guò)速度控制進(jìn)給包裝膜，在每送一個(gè)袋子時(shí)，通過(guò)色標(biāo)作為前一次袋長(zhǎng)檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，直接接入到運(yùn)動(dòng)控制器高速信號(hào)接口，然后通過(guò)外部編碼器讀取實(shí)際膜長(zhǎng)，與存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度進(jìn)行比較，如果有偏差的話，就在下一包進(jìn)行調(diào)整。
拉膜的寬帶通過(guò)電子凸輪實(shí)現(xiàn)，可以保證到整機(jī)的速度一致性，但是凸輪的曲線不能在線修改，但可使用虛軸的功能：即使用MC-VirtualAxis指令構(gòu)建一個(gè)虛擬軸。虛軸是運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部可以創(chuàng)建的一個(gè)假想軸，專(zhuān)門(mén)用于位移量疊加計(jì)算進(jìn)行使用，由于是理想軸，所以不會(huì)出現(xiàn)任何偏差，并且可以自己定義任何軌跡。這里將虛軸和實(shí)軸的凸輪曲線用電子齒輪方式嚙合，做同步，運(yùn)行過(guò)程中可以修改電子齒輪的齒輪比，即可達(dá)到在線調(diào)節(jié)凸輪曲線的目的。
在停機(jī)時(shí)，拉膜裝置在完成本次拉送袋子后，立即停止。制袋裝置在拉膜裝置停止后，也立即停止，并且運(yùn)動(dòng)到安全位置，等待下次工作。再次運(yùn)行前，制袋裝置需運(yùn)行到同步的位置后，開(kāi)始運(yùn)行主機(jī)。
圖7 拉膜裝置曲線控制
5 系統(tǒng)通訊
5.1 變頻部分
變頻器和運(yùn)動(dòng)控制器通訊時(shí)需要在CANopen Builder軟件中導(dǎo)入ATV312的EDS文件。
DVPCOPM-SL模塊是運(yùn)行于DVP10MC左側(cè)的CANopen主站模塊，當(dāng)DVP10MC通過(guò)DVPCOPM-SL模塊與CANopen網(wǎng)絡(luò)相連時(shí)，DVPCOPM-SL模塊負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制器與總線上其它從站的數(shù)據(jù)交換接口。DVPCOPM-SL模塊既可以在總線中做主站，也可以通過(guò)設(shè)置使其在總線中做從站。模塊映像地址：輸入：D6000-D6226，輸出D6250-D6476。
DVPCOPM-SL在設(shè)置地址時(shí)，只有在模塊斷電情況下設(shè)置才有效，完成設(shè)置后，再將模塊上電。如果接線與節(jié)點(diǎn)地址均設(shè)置正確，模塊上面的LED會(huì)顯示當(dāng)前站號(hào)地址，如果為紅色代碼閃爍，請(qǐng)檢查通訊速率不要太高，或選用標(biāo)準(zhǔn)的CAN電纜。
圖8 變頻總線圖
5.2 伺服部分
圖9 伺服總線圖
伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置如下：
P1-01=B（伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為CANOpen模式）；
P3-00=2（伺服驅(qū)動(dòng)器的CANOpen站號(hào)設(shè)置為“2”）；
P3-01=403（伺服驅(qū)動(dòng)器在CANOpen中通訊速率設(shè)置為1Mbit/s）；
P2-15=122（伺服驅(qū)動(dòng)器的逆向極限開(kāi)關(guān)設(shè)為常開(kāi)）；
P2-16=123（伺服驅(qū)動(dòng)器的正向極限開(kāi)關(guān)設(shè)為常開(kāi)）；
P2-17=121（伺服驅(qū)動(dòng)器的急停開(kāi)關(guān)設(shè)為常開(kāi)）。
其他伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置只有站號(hào)設(shè)置不同，設(shè)置完畢后伺服驅(qū)動(dòng)器須重新上電。DVP10MC遵循CANopen（DSP402）協(xié)議，采用同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)多軸同步，多軸系統(tǒng)支持十六個(gè)實(shí)軸，外加兩個(gè)虛軸。在網(wǎng)絡(luò)通訊方面，可支持DeviceNet主從站、CANopen主從站、Profibus-DP從站，可組建功能復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
5.3 以太網(wǎng)部分
DVP10MC11T提供一個(gè)以太網(wǎng)接口，此接口為運(yùn)動(dòng)控制模塊所有，支持ModbusTCP
協(xié)議，PC端軟件CANopenBuilder通過(guò)此接口可用于下載CANopen運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)配置、運(yùn)動(dòng)程序、G代碼，監(jiān)控裝置等功能。DVP10MC11T在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中只能做從，同時(shí)可接受最多4個(gè)主站的訪問(wèn)。此接口還支持自動(dòng)跳線功能，當(dāng)與計(jì)算機(jī)或交換機(jī)連接時(shí)，不需要特別作跳線處理。接口上的LED可以顯示以太網(wǎng)當(dāng)前的連接狀態(tài)，方便用戶(hù)查詢(xún)。
DVP10MC11T的以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置通過(guò)CANopenBuilder軟件設(shè)置。DVP10MC11T支持的Modbus功能碼和對(duì)應(yīng)的地址元件如下表所示：
表2 Modbus功能碼
施耐得XBTGT5330觸摸屏集成有以太網(wǎng)接口，支持ModbusTCP，故可以方面的連接。觸摸屏在驅(qū)動(dòng)設(shè)置時(shí)，需要設(shè)置成低字節(jié)優(yōu)先。
6 溫度控制
在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本系統(tǒng)中有八通道溫度采用PID控制溫度，使用DVP04TC-S作為溫度數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過(guò)PLC程序中的專(zhuān)用溫度控制指令，用PLC輸出點(diǎn)控制固態(tài)繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫度的加熱控制。
DVP04TC-S模塊是運(yùn)行與DVP10MC右側(cè)的溫度控制模塊，具有專(zhuān)用的PID溫度自動(dòng)調(diào)整功能，可以實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，控制溫度精度達(dá)到±1度。
當(dāng)PID指令的動(dòng)作方向功能選擇為K3或K4 時(shí)，其中PID指令內(nèi)部使用的運(yùn)算公式是
其中偏差量固定為：E (t) = SV − PV
由于此功能是專(zhuān)為溫度控制而設(shè)計(jì)的功能，因此當(dāng)取樣時(shí)間(Ts)設(shè)置為4秒(K400)時(shí)，則表示輸出值(MV)的輸出范圍為K0~K4，000之間，并且搭配的GPWM指令的周期時(shí)間設(shè)置值也需設(shè)為4秒(K4，000)。
圖10 PID指令的動(dòng)作方向?yàn)?K3~K4 的控制方塊
圖10中的1/KI及1/KP的符號(hào)分別表示除以KI及除以KP的功能，由于此控制方塊為溫度控制專(zhuān)用的PID指令，因此需搭配GPWM指令一起使用。
當(dāng)使用者在控制溫度的環(huán)境下不知如何調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，可先選擇K3這項(xiàng)自動(dòng)調(diào)整功能，等到指令內(nèi)部調(diào)整完畢后(功能選擇自動(dòng)會(huì)設(shè)置為 K4)，使用者可再依控制結(jié)果修改成更佳的參數(shù)。
圖11 PID控制程序
7 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，系統(tǒng)最大速度可以穩(wěn)定達(dá)到70包/分鐘，這套設(shè)備成功開(kāi)發(fā)標(biāo)志著包裝機(jī)設(shè)備已經(jīng)從簡(jiǎn)單的半機(jī)械化雙變頻升級(jí)到全伺服系統(tǒng)。
全自動(dòng)包裝機(jī)采用臺(tái)達(dá)總線型運(yùn)動(dòng)控制器，該產(chǎn)品良好的兼容性以及優(yōu)異的性能使控制變得簡(jiǎn)易、高效和穩(wěn)定。電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高穩(wěn)定性為用戶(hù)創(chuàng)造了價(jià)值。
作者簡(jiǎn)介
劉勝戌（1981-）男 工程部主管，任職于怡和包裝系統(tǒng)有限公司，主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。
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