摘要：近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的手工牙簽包裝已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，本文基于四方CA100伺服系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的牙簽全自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)，自動(dòng)完成送膜、包裝、封膜及切割，運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。
關(guān)鍵詞：牙簽包裝機(jī) 伺服 控制系統(tǒng)

1 引言
        包裝機(jī)械大致可以分為立式包裝機(jī)與枕式包裝機(jī)。牙簽包裝機(jī)屬于立式包裝，它主要依靠自身重力，必要時(shí)輔以一定的機(jī)械作用便可完成包裝，而且立式包裝機(jī)一般都具有兩種包裝功能，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用哪種包裝方式取決于包裝膜上分是有光標(biāo)還是沒(méi)有光標(biāo)的。沒(méi)有光標(biāo)的包裝膜只需滿足所有機(jī)構(gòu)線速度相同即可，而采用光標(biāo)裁切，則需通過(guò)光標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)包裝。近日，采一套基于四方CA100伺服驅(qū)動(dòng)器及觸摸屏所設(shè)計(jì)的牙簽全自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于浙江某機(jī)械廠，運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。

2 工藝分析
        牙簽包裝機(jī)主要由送膜裝置、送料裝置、封膜裝置以及切割裝置構(gòu)成。其中送膜在設(shè)備的前后各有一部分，由送膜輥和送膜軸組成，主要負(fù)責(zé)把上下兩層包裝膜平整、均勻地送至封膜處，并與送料裝置送來(lái)的牙簽一起橫向封合。隨后在送至切割裝置進(jìn)行分包切割最后送至成品區(qū)。整個(gè)包裝的工藝流程如圖1所示。
 
圖1 工藝流程
        牙簽包裝機(jī)實(shí)物如圖2所示。膜通過(guò)送膜軸帶動(dòng)送膜輥旋轉(zhuǎn)送入封膜輥中，在初始位置有一個(gè)色標(biāo)傳感器，它通過(guò)與非色標(biāo)區(qū)相比較來(lái)檢測(cè)特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)。色標(biāo)傳感器實(shí)際是一種反向裝置，光源垂直于目標(biāo)物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。其中，送膜輥和拉膜輥是同步相連，封膜輥和切刀輥是同步相連，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程。
 
圖2 牙簽包裝機(jī)

3 控制系統(tǒng)原理及架構(gòu)
        牙簽自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 
圖3 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)由傳統(tǒng)上下位機(jī)結(jié)構(gòu)組成，上位機(jī)由EM1-070E系列觸摸屏作為人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)備操作、參數(shù)設(shè)定及顯示等功能。下位機(jī)是一臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器，完成自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中送膜軸和封膜軸的定位控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由CA100系列伺服系統(tǒng)完成。
        包裝機(jī)有兩種工作模式：即膜有光標(biāo)和無(wú)光標(biāo)。無(wú)光標(biāo)情況下，兩個(gè)伺服間只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的速度同步，使得送膜輥和封膜輥在線速度上一致，保證整個(gè)膜在運(yùn)行過(guò)程中各部分速度相同即可。而有光標(biāo)模式下，封膜的位置必須嚴(yán)格與色標(biāo)的位置重合，這就需要送膜軸和封膜軸二者之間建立位置凸輪關(guān)系，在送膜軸將色標(biāo)送到封膜輥處，封膜的封口也需要同一時(shí)間到達(dá)相同的位置，二者之間類似一個(gè)飛剪機(jī)構(gòu)，整個(gè)過(guò)程由運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服完成。

4 系統(tǒng)硬件及調(diào)試
        牙簽自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括伺服系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制器，觸摸屏這幾部分，其中在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中最重要的還是伺服系統(tǒng)，它決定了控制系統(tǒng)的整體定位精度以及響應(yīng)性。
4.1 伺服系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置 
        伺服系統(tǒng)主要包含了送膜伺服和封膜伺服，本次設(shè)計(jì)中送膜伺服選用了CA100-T3R0AP系列，封膜伺服為CA100-T4R5AP，主要參數(shù)如下表所示：


4.2 整機(jī)調(diào)試
        整機(jī)調(diào)試為測(cè)試系統(tǒng)的整體性能是否能滿足實(shí)際生產(chǎn)的各項(xiàng)要求。整機(jī)調(diào)試需要注意以下問(wèn)題：
（1）有光標(biāo)模式下，設(shè)備啟動(dòng)前必須回零。
（2） 由于是面板電位計(jì)進(jìn)行自動(dòng)時(shí)速度調(diào)節(jié)，調(diào)試時(shí)開機(jī)前請(qǐng)確認(rèn)速度是合理。
4.3 系統(tǒng)電氣圖
牙簽自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的電氣圖如圖4所示。
 
圖4 系統(tǒng)電氣圖紙

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
5.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
        HMI主界面如圖5所示，可進(jìn)行產(chǎn)量的設(shè)定，并顯示設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行的速度、產(chǎn)能、產(chǎn)量、機(jī)械和報(bào)警狀態(tài)等信息。整個(gè)人機(jī)界面分配了兩級(jí)用戶，分別提供給終端用戶和設(shè)備廠家，二者各自有各自的登陸ID及密碼，在特定的界面中，不同級(jí)別的用戶享有不同權(quán)限的參數(shù)設(shè)置。
        如圖6所示參數(shù)設(shè)定界面，所有用戶均可對(duì)機(jī)械及包裝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，滿足更多包裝的場(chǎng)合。設(shè)備的運(yùn)行方式及界面的語(yǔ)言均可以在此界面中進(jìn)行修改。
 
圖5 HMI主界面

 
圖6 參數(shù)設(shè)置界面

5.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
        下位機(jī)軟件主要是運(yùn)動(dòng)控制器的程序設(shè)計(jì)。主要包括色標(biāo)檢測(cè)糾偏、色標(biāo)遮沒(méi)及偏離、送膜和封膜兩軸的電子凸輪控制三大部分。
        由于機(jī)械以及色標(biāo)噴涂的誤差，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中色標(biāo)與封膜位置會(huì)出現(xiàn)偏差，為了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須進(jìn)行糾偏。本此設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)利用在送膜初始端的色標(biāo)傳感器檢測(cè)的色標(biāo)個(gè)數(shù)計(jì)算出膜所行走的距離，與封膜電機(jī)編碼器反饋回的脈沖所折算的距離進(jìn)行比較，得出的偏差在凸輪控制中進(jìn)行補(bǔ)償，使得色標(biāo)與封膜位置始終保持在同一位置合理誤差范圍之內(nèi)，保證了成品的質(zhì)量。
        程序內(nèi)色標(biāo)內(nèi)遮沒(méi)功能，可有效避免包裝膜污染，色標(biāo)錯(cuò)印所引起的光電誤動(dòng)作，增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且在色標(biāo)偏離色標(biāo)傳感器檢測(cè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警告知操作員。

6 結(jié)束語(yǔ)
        本文基于四方電氣機(jī)電產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的牙簽自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)，較好的解決了傳統(tǒng)的手工牙簽包裝的效率低、成本高的問(wèn)題。程序內(nèi)部采用色標(biāo)糾偏算法及凸輪控制，解決了生產(chǎn)過(guò)程中色標(biāo)偏離、位置不準(zhǔn)的問(wèn)題。采用四方CA100系列伺服及EM1系列觸摸屏，性能穩(wěn)定、兼容性好、操作簡(jiǎn)便。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求并得到了最終客戶的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)
1、 深圳市四方電氣EM1系列觸摸屏編程手冊(cè). 深圳：深圳市四方電氣技術(shù)有限公司. 2016
2、 深圳市四方電氣CA100系列伺服驅(qū)動(dòng)器使用說(shuō)明書. 深圳：深圳市四方電氣技術(shù)有限公司. 2016

關(guān)于四方電氣
        深圳市四方電氣技術(shù)有限公司是深圳市民營(yíng)高科技企業(yè)，是經(jīng)國(guó)家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè)、深圳市科技和信息局認(rèn)定的軟件企業(yè)。公司成立于2004年，專業(yè)從事工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售與服務(wù)。主要產(chǎn)品有伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、永磁同步電機(jī)、PLC、HMI等。目前，四方電氣擁有員工300余人，營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)遍布國(guó)內(nèi)及海外60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

        四方電氣以成為“卓越的自動(dòng)化產(chǎn)品和解決方案提供商”為企業(yè)愿景，為保證專業(yè)技術(shù)的領(lǐng)先性和創(chuàng)新性，通過(guò)持續(xù)投入和優(yōu)化研發(fā)布局不斷提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。公司以擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)技術(shù)為依托，緊密貼近客戶，持續(xù)為客戶提供滿意產(chǎn)品和解決方案，以及主動(dòng)的增值性服務(wù)，力促產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)。目前，公司的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)床、塑膠、起重、建筑、紡織、電線電纜、空壓機(jī)、供水、暖通空調(diào)、食品、印刷包裝等多個(gè)領(lǐng)域。