摘要：近年來，隨著國民經濟的不斷發展，傳統的手工牙簽包裝已經無法滿足市場的需求。為了提高生產效率，降低生產成本，本文基于四方CA100伺服系統所設計的牙簽全自動包裝機控制系統，自動完成送膜、包裝、封膜及切割，運行穩定、生產效率高。
關鍵詞：牙簽包裝機 伺服 控制系統

1 引言
        包裝機械大致可以分為立式包裝機與枕式包裝機。牙簽包裝機屬于立式包裝，它主要依靠自身重力，必要時輔以一定的機械作用便可完成包裝，而且立式包裝機一般都具有兩種包裝功能，機器運轉時采用哪種包裝方式取決于包裝膜上分是有光標還是沒有光標的。沒有光標的包裝膜只需滿足所有機構線速度相同即可，而采用光標裁切，則需通過光標定位實現包裝。近日，采一套基于四方CA100伺服驅動器及觸摸屏所設計的牙簽全自動包裝機控制系統成功應用于浙江某機械廠，運行穩定、生產效率高。

2 工藝分析
        牙簽包裝機主要由送膜裝置、送料裝置、封膜裝置以及切割裝置構成。其中送膜在設備的前后各有一部分，由送膜輥和送膜軸組成，主要負責把上下兩層包裝膜平整、均勻地送至封膜處，并與送料裝置送來的牙簽一起橫向封合。隨后在送至切割裝置進行分包切割最后送至成品區。整個包裝的工藝流程如圖1所示。
 
圖1 工藝流程
        牙簽包裝機實物如圖2所示。膜通過送膜軸帶動送膜輥旋轉送入封膜輥中，在初始位置有一個色標傳感器，它通過與非色標區相比較來檢測特定色標或物體上的斑點。色標傳感器實際是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標物體的散射光，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，從而簡化了整個設備運行的過程。
 
圖2 牙簽包裝機

3 控制系統原理及架構
        牙簽自動包裝機控制系統整體結構如圖3所示。
 
圖3 控制系統整體結構

        系統由傳統上下位機結構組成，上位機由EM1-070E系列觸摸屏作為人機界面進行設備操作、參數設定及顯示等功能。下位機是一臺運動控制器，完成自動運行過程中送膜軸和封膜軸的定位控制。執行機構由CA100系列伺服系統完成。
        包裝機有兩種工作模式：即膜有光標和無光標。無光標情況下，兩個伺服間只需要進行簡單的速度同步，使得送膜輥和封膜輥在線速度上一致，保證整個膜在運行過程中各部分速度相同即可。而有光標模式下，封膜的位置必須嚴格與色標的位置重合，這就需要送膜軸和封膜軸二者之間建立位置凸輪關系，在送膜軸將色標送到封膜輥處，封膜的封口也需要同一時間到達相同的位置，二者之間類似一個飛剪機構，整個過程由運動控制器控制伺服完成。

4 系統硬件及調試
        牙簽自動包裝機控制系統的硬件部分主要包括伺服系統，運動控制器，觸摸屏這幾部分，其中在整個設備運行過程中最重要的還是伺服系統，它決定了控制系統的整體定位精度以及響應性。
4.1 伺服系統及參數設置 
        伺服系統主要包含了送膜伺服和封膜伺服，本次設計中送膜伺服選用了CA100-T3R0AP系列，封膜伺服為CA100-T4R5AP，主要參數如下表所示：


4.2 整機調試
        整機調試為測試系統的整體性能是否能滿足實際生產的各項要求。整機調試需要注意以下問題：
（1）有光標模式下，設備啟動前必須回零。
（2） 由于是面板電位計進行自動時速度調節，調試時開機前請確認速度是合理。
4.3 系統電氣圖
牙簽自動包裝機控制系統的電氣圖如圖4所示。
 
圖4 系統電氣圖紙

5 系統軟件設計
5.1 上位機軟件設計
        HMI主界面如圖5所示，可進行產量的設定，并顯示設備的當前運行的速度、產能、產量、機械和報警狀態等信息。整個人機界面分配了兩級用戶，分別提供給終端用戶和設備廠家，二者各自有各自的登陸ID及密碼，在特定的界面中，不同級別的用戶享有不同權限的參數設置。
        如圖6所示參數設定界面，所有用戶均可對機械及包裝參數進行設定，滿足更多包裝的場合。設備的運行方式及界面的語言均可以在此界面中進行修改。
 
圖5 HMI主界面

 
圖6 參數設置界面

5.2 下位機軟件設計
        下位機軟件主要是運動控制器的程序設計。主要包括色標檢測糾偏、色標遮沒及偏離、送膜和封膜兩軸的電子凸輪控制三大部分。
        由于機械以及色標噴涂的誤差，設備運行過程中色標與封膜位置會出現偏差，為了產品的質量，因此必須進行糾偏。本此設計的控制系統利用在送膜初始端的色標傳感器檢測的色標個數計算出膜所行走的距離，與封膜電機編碼器反饋回的脈沖所折算的距離進行比較，得出的偏差在凸輪控制中進行補償，使得色標與封膜位置始終保持在同一位置合理誤差范圍之內，保證了成品的質量。
        程序內色標內遮沒功能，可有效避免包裝膜污染，色標錯印所引起的光電誤動作，增加了整個系統的穩定性。并且在色標偏離色標傳感器檢測范圍時，系統會自動停機并報警告知操作員。

6 結束語
        本文基于四方電氣機電產品所設計的牙簽自動包裝機控制系統，較好的解決了傳統的手工牙簽包裝的效率低、成本高的問題。程序內部采用色標糾偏算法及凸輪控制，解決了生產過程中色標偏離、位置不準的問題。采用四方CA100系列伺服及EM1系列觸摸屏，性能穩定、兼容性好、操作簡便。系統穩定可靠，生產效率高，滿足實際生產需求并得到了最終客戶的認可。

參考文獻
1、 深圳市四方電氣EM1系列觸摸屏編程手冊. 深圳：深圳市四方電氣技術有限公司. 2016
2、 深圳市四方電氣CA100系列伺服驅動器使用說明書. 深圳：深圳市四方電氣技術有限公司. 2016

關于四方電氣
        深圳市四方電氣技術有限公司是深圳市民營高科技企業，是經國家認定的高新技術企業、深圳市科技和信息局認定的軟件企業。公司成立于2004年，專業從事工業自動化產品的開發、生產、銷售與服務。主要產品有伺服驅動器、變頻器、永磁同步電機、PLC、HMI等。目前，四方電氣擁有員工300余人，營銷網絡遍布國內及海外60多個國家和地區。

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