基于iDrive智能伺服控制器和iPack2000的多軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)

1. 概述

枕式包裝機是應(yīng)用廣泛的一種包裝機械，大量應(yīng)用于食品包裝機械、藥品包裝機械、日用品包裝機械等眾多領(lǐng)域。我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降拇蠖鄶?shù)的食品均是由枕式包裝機封裝而成。隨著機械制造業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，為枕式包裝機行業(yè)帶來了良好的發(fā)展機遇，同時對枕式包裝機的品質(zhì)和生產(chǎn)效率也提出了更高的要求。

智能伺服技術(shù)是近年來新興的一種機電一體化技術(shù)。它是在傳統(tǒng)伺服驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了運動控制技術(shù)、DSP技術(shù)、PLC技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等多種現(xiàn)代控制技術(shù)而形成。智能伺服產(chǎn)品具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、數(shù)字化等特征，是未來伺服技術(shù)發(fā)展的方向。

傳統(tǒng)的三軸枕式包裝機的臥式三面封口加工工藝要求送料軸、送膜軸以及橫封（橫切）軸之間以凸輪關(guān)系運動，在封切過程需要送膜軸與橫封軸（橫切軸）保持嚴格同步，傳統(tǒng)技術(shù)采用機械凸輪實現(xiàn)，機械加工、安裝復(fù)雜，運行噪音大，對包裝物的適應(yīng)性能力差，包裝速度也相應(yīng)受到限制。

隨著行業(yè)競爭的日益激烈，以及我國人工成本的逐年上升，枕式包裝機械廠商要求采用更新的技術(shù)來提高設(shè)備的自動化水平、提高生產(chǎn)效率、降低設(shè)備成本，達到提高枕式包裝機產(chǎn)品市場競爭力的目的。

本文介紹的 iPack2000多軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)基于我國自主研發(fā)的iDrive 智能伺服，以一體化高集成度的智能伺服解決方案，替代傳統(tǒng)的PLC+伺服驅(qū)動器的方案。iDrive智能伺服控制器內(nèi)建電子凸輪和色標抓取和補償功能，兼容熱切和冷切工藝，通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)底層實現(xiàn)雙軸同步，系統(tǒng)響應(yīng)快，同步精度高，電控設(shè)備成本較傳統(tǒng)脈沖伺服方案降低40%。驅(qū)動器可以和HMI實現(xiàn)直連通訊，大大增強了控制系統(tǒng)的簡潔性，減少了設(shè)備調(diào)試所需的時間。

2. 基于脈沖的傳統(tǒng)系統(tǒng)和智能伺服系統(tǒng)的比較

圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)的PLC+伺服驅(qū)動系統(tǒng)方案以及采用智能伺服控制器的iPack2000系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)對比。

從圖1和圖2的對比可以看出，智能伺服的控制方案采用了內(nèi)置控制器替代PLC，在一個雙軸iDrive智能驅(qū)動器內(nèi)部實現(xiàn)兩軸（切刀軸和送膜軸）的同步以及電子凸輪關(guān)系，色標補償也在同一智能伺服控制器內(nèi)部完成，系統(tǒng)響應(yīng)大大提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，成本也顯著降低。同時，由于采用了總線型的結(jié)構(gòu)，采用智能伺服的系統(tǒng)方案更加靈活，可以非常容易地變化為雙軸系統(tǒng)或者四軸乃至多軸系統(tǒng)。

3. 內(nèi)置電子凸輪的智能伺服系統(tǒng)的枕式包裝解決方案

下面以圖2所示的三軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)為例對系統(tǒng)各部分進行說明，該枕式包裝機橫向封切方式為熱封冷切，即先進行熱封，再進行橫切。系統(tǒng)也能方便地通過設(shè)置，兼容常見的熱封熱切工藝。設(shè)備運行過程中，橫封橫切刀的運行速度保持勻速（以下簡稱主動軸），送膜軸（以下簡稱從動軸）的速度以凸輪關(guān)系運行，并引入色標補償。凸輪的功能是并保證在橫封和橫切時，送膜軸的運動和橫封刀以及橫切刀的在切割點的運動保持嚴格同步。送料軸以送膜軸的實際運動速度和位置，與之保持嚴格同步。切刀近點傳感器信號的引入是應(yīng)某枕式包裝機制造商的要求而設(shè)置的，目的是為了防止色標信號的誤檢測。此功能也可以不用引入傳感器信號，而在系統(tǒng)內(nèi)部以軟件的方式實現(xiàn)。

3.1 工藝流程

包裝物經(jīng)過送料機構(gòu)被送進包裝膜內(nèi)，先完成縱封作業(yè);之后裝物在縱封后的包裝膜內(nèi)繼續(xù)前進，進入橫封橫切工藝，完成進行橫封和橫切，最終成為成品。

3.2系統(tǒng)框圖

如圖3所示系統(tǒng)共有三個伺服軸，由一臺雙軸iDrive智能伺服和一臺單軸智能伺服以RS485總線方式實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，由雙軸iDrive作為主控制器。雙軸iDrive內(nèi)置的兩個伺服驅(qū)動模塊分別用于控制橫封（橫切）刀軸和送膜軸，單軸iDrive控制送料軸。其中從動軸（即送膜軸）以設(shè)定的電子凸輪跟隨主動軸（橫封橫切軸）運動，保證橫封橫切的嚴格同步，同時從動軸根據(jù)由色標信號檢測得到的位置補償信號對從動軸進行位置補償，送料軸則根據(jù)從動軸的實際位置與之保持完全同步跟隨運動。I/O信號中的切刀信號和色標信號直接連接到雙軸iDrive的I/O接口中。Jog運動模式的控制信號也接入雙軸iDrive的I/O口，包括用于調(diào)試的從動軸的向前運動和向后運動兩個運動方式控制開關(guān)。圖4顯示了伺服系統(tǒng)的接口以及主動軸和從動軸的分配。

3.3 系統(tǒng)設(shè)定以及電子凸輪

1） 圖5、圖6和圖7顯示了本系統(tǒng)的調(diào)試界面，此調(diào)試界面主要提供給機器制造商使用，參數(shù)的調(diào)試可以在PC上實現(xiàn)，也可以在通用的HMI上完成，也可以根據(jù)客戶的具體要求來進行軟件定制。

圖6和圖7顯示了iPack2000電子凸輪的計算，圖6顯示的是主動軸位置和從動軸位置值的對比曲線，其中橫坐標是主動軸位置值，縱坐標是從動軸的位置值。圖7顯示的是在一個包裝區(qū)間內(nèi)從動軸的速度曲線，從中可以看出有兩個速度同步區(qū)，分別是橫封同步區(qū)和橫切同步區(qū)。對于常見的熱封熱切工藝，則只需要設(shè)置一個同步區(qū)即可。

3.4 色標補償量的計算

* 補償量計算

補償量的計算主要依靠色標信號和切刀近點信號，如圖8所示。補償測量值為 L=L1+L2/2，即補償測量值為切刀近點信號到色標信號之間的電機編碼器脈沖數(shù)加上色標寬度的一半。

取得補償測量值以后，系統(tǒng)再進行凈補償值的計算，其方法是：

凈補償值=補償標準值-補償測量值;

*補償區(qū)域

得到凈補償值以后就需要對從動軸的運動速度進行補償，為了保證橫封橫切時包裝物輸送速度的平穩(wěn)性，需要避開主動軸和從動軸的同步區(qū)域進行補償工作。補償區(qū)域的設(shè)置如圖9所示

3.5 采用切刀近點信號或軟件方法避免誤色標信號誤檢測

從上面的系統(tǒng)工作流程中可以看出，系統(tǒng)將不斷檢測色標，并根據(jù)檢測到的誤差，對送膜軸的運行進行補償，確保橫封橫切的位置準確。但包裝膜上也有可能存在污染或其他印刷圖案，容易引起色標檢測的誤檢測。為解決此問題，在系統(tǒng)中引入切刀近點信號，以此信號作為色標檢測的起始信號，在此范圍以外的區(qū)域?qū)⒉贿M行色標信號的檢測，如圖10所示。

需要說明的是，這種通過對色標信號的屏蔽來限定色標檢測區(qū)域的功能也可以通過純軟件的方式來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)更加簡潔。即以切刀傳感器信號為基準（不是切刀近點信號），設(shè)定發(fā)生切刀動作后一定長度才啟動色標信號的檢測，從而達到屏蔽色標檢測干擾的效果。具體的設(shè)定位置長度可根據(jù)包裝物的長度以及設(shè)備的相關(guān)尺寸來計算，并通過設(shè)定相關(guān)參數(shù)完成。

4. 結(jié)束語

利用iPack2000組建多軸枕式包裝控制系統(tǒng)，有如下的優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊。

由于iPack2000內(nèi)建了電子凸輪和車標抓取和補償功能，而且智能驅(qū)動器可以直接和HMI連接，使得系統(tǒng)的組建顯得更為簡潔和方便。

（2 顯著價格優(yōu)勢和性能優(yōu)勢

由于電子凸輪、同步、跟隨功能內(nèi)置于iDrive內(nèi)部，系統(tǒng)的凸*能無需通過上位PLC來進行，直接在驅(qū)動器級就實現(xiàn)了同步和跟隨的功能，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度都有了顯著的提升。而原先的PLC可以直接省略或選擇功能更小的PLC，從而達到了節(jié)省投資的目的。

基于我國自主知識產(chǎn)權(quán)智能伺服技術(shù)的多軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)iPack2000采用總線型控制架構(gòu)，內(nèi)置運動控制器，內(nèi)建電子凸輪、多軸同步飛剪、多軸跟隨，高速色標實時補償，內(nèi)置PLC完成I/O功能，全部運動控制均在伺服驅(qū)動器級別完成，系統(tǒng)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，擴展性強，可廣泛應(yīng)用于各種多軸枕式包裝機，造價低廉，比進口產(chǎn)品節(jié)省成本超過50%，將逐步成為枕式包裝行業(yè)控制系統(tǒng)的主流方案。

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