基于GSK98A伺服系統(tǒng)和PLC器件實(shí)現(xiàn)塑料包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

塑料包裝行業(yè)是隨著機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步和塑料加工工藝的發(fā)展而發(fā)展起來的，并逐步形成為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)部門。上世紀(jì)六七十年代后，許多塑料原料已能大規(guī)模生產(chǎn)，塑料制品代替金屬、木材、玻璃、紙、纖維等材料制成的產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)各部門和人們生活各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。需求的不斷增加使得中國塑料包裝機(jī)械發(fā)展很快、生產(chǎn)出來的品種也越來越多，大多已能供應(yīng)國內(nèi)塑料制品加工裝備的需要，隨著技術(shù)的不斷更新，近年來以伺服系統(tǒng)為主要執(zhí)行元件的塑料機(jī)械，以其速度快、效率高、能耗低、控制水平完善、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)迅速成為市場主流機(jī)型，并加快國產(chǎn)塑機(jī)自動(dòng)化水平的進(jìn)程。

塑料機(jī)械控制流程及電氣原理

國產(chǎn)塑料制袋機(jī)如圖1所示。從圖1中可見，塑料制袋機(jī)是由：熱封切刀，伺服裝置，變頻裝置、牽引皮輥、承切皮輥、熱封切刀及控制器組成。主要技術(shù)特征在于熱封切刀安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上設(shè)有齒輪，齒輪與設(shè)在機(jī)架上的主電機(jī)主軸上的齒輪相互嚙合，主電機(jī)上設(shè)有皮輥運(yùn)動(dòng)傳感器，熱封切刀的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上設(shè)有切刀位置傳感器。這種熱封切刀伺服裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，大大減少了制袋機(jī)的整體體積，并且由于牽引皮輥的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，不存在受力距大小的影響，而智能控制器能準(zhǔn)確地控制薄膜的設(shè)置長度。

該類設(shè)備主要用于加工塑料包裝袋及各種規(guī)格的生活塑料袋，早期的設(shè)備采取的是剎車離合器等控制機(jī)構(gòu)，后來改進(jìn)為步進(jìn)系統(tǒng)控制裝置，現(xiàn)在，又發(fā)展成為PLC及伺服電機(jī)加變頻調(diào)速為主的控制機(jī)構(gòu)。隨著技術(shù)的更新進(jìn)步，更高的定位精度和更好的穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致所制膠袋的質(zhì)量和效率也不斷提升。

系統(tǒng)整體控制原理，如圖2所示：

人機(jī)界面，采用觸摸屏，便于操作人員設(shè)置參數(shù)及對整臺設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的了解，負(fù)責(zé)人機(jī)對話交流。界面上可設(shè)定定長封切或追色封切、切袋長度、追色長度、預(yù)警個(gè)數(shù)、送袋速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間，當(dāng)選擇為定長封切時(shí)，追色感應(yīng)器無作用。

PLC做為核心程序的載體，負(fù)責(zé)脈沖信號的發(fā)送及各種控制信號轉(zhuǎn)化與流通，最終控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)與協(xié)調(diào)。PLC程序根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)比、伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比、伺服電機(jī)變碼器的線數(shù)以及出料輥的周長，計(jì)算出伺服驅(qū)動(dòng)器接收一定數(shù)量的脈沖，伺服電機(jī)就驅(qū)動(dòng)出料輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶出一定長度的膠袋，實(shí)現(xiàn)定長控制。

色標(biāo)、溫控、到位信號，做為傳感元?dú)饧?，?fù)責(zé)時(shí)間的判斷與控制信號的發(fā)出，使個(gè)執(zhí)行件之間確立邏輯關(guān)系。

溫控器的溫度，應(yīng)根據(jù)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低進(jìn)行設(shè)定，以膠袋封口處結(jié)實(shí)耐拉為準(zhǔn)。封刀溫度偏低，會導(dǎo)致膠袋封口處不牢。若封刀溫度偏高，會導(dǎo)致膠袋封口處燙穿，因此，應(yīng)根據(jù)主電機(jī)轉(zhuǎn)速及封口時(shí)間長短進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常，溫度都設(shè)定在180℃左右。

主變頻裝置，負(fù)責(zé)熱封刀與切刀的連續(xù)上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制出袋速度與效率。

送料變頻裝置，負(fù)責(zé)整卷物料的第一級輸送。

伺服驅(qū)動(dòng)裝置，由驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)，碼盤反饋信號構(gòu)成，作為主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要任務(wù)是完成定位精度的控制，嚴(yán)格執(zhí)行來自PLC的脈沖指令控制，同時(shí)，保證在頻繁啟動(dòng)負(fù)載下自身運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與快速響應(yīng)性，使伺服電機(jī)的一次送料轉(zhuǎn)速滿足切刀上下運(yùn)行的時(shí)間要求。并使伺服電機(jī)與送料變頻電機(jī)之間不發(fā)生相對滑動(dòng)。伺服性能直接反映了這臺設(shè)備的整機(jī)性能與質(zhì)量。

設(shè)備的工作流程如圖3所示：

（1）設(shè)備上電后，溫控器控制封刀處加熱器進(jìn)行加熱。（2）自動(dòng)起動(dòng)后，送料變頻器驅(qū)動(dòng)送料電機(jī)以設(shè)定的速度輸送塑料薄膜，送料感應(yīng)器檢測到送料端放卷的塑料薄膜足夠時(shí)，送料電機(jī)停止送料。（3）溫度到達(dá)，溫度信號導(dǎo)通，主變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置控制切刀和封刀的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（4）切刀每向上運(yùn)動(dòng)一次，伺服信號導(dǎo)通一次，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)出料輥夾著塑料薄膜帶轉(zhuǎn)動(dòng)一次，切刀和封刀下切，膠袋形成。（5）設(shè)定個(gè)數(shù)到達(dá)或按停止鍵時(shí)，當(dāng)前膠袋形成后停機(jī)，切刀和封刀停在高位停車處。

伺服系統(tǒng)應(yīng)用與控制原理

本機(jī)采用的伺服系統(tǒng)為GSK98A系列伺服，驅(qū)動(dòng)單元采用美國TI公司最新數(shù)字信號處理器DSP為核心、大規(guī)?？?a target="_blank">編程門陣列（CPLD）和MITSUBISHI智能化功率模塊（IPM），集成度高、體積小、保護(hù)完善、可靠性好。采用最優(yōu)PID算法完成PWM。驅(qū)動(dòng)單元具備標(biāo)準(zhǔn)位置控制與速度控制，可接收脈沖信號及模擬信號，脈沖信號兼容脈沖方向信號與正反脈沖信號兩種。由于采用成熟智能功率模塊，驅(qū)動(dòng)單元具備了控制超速、主電源過壓欠壓、過流、過載、制動(dòng)異常、編碼器異常、控制電源異常、位置超差等多項(xiàng)在線檢測與診斷，使控制過程一目了然。

所采用伺服電機(jī)為SJT系列的三相永磁同步伺服電機(jī)，寬調(diào)速比，恒轉(zhuǎn)矩輸出，三倍過載能力，具有3000rpm的額定轉(zhuǎn)速，2500p/r的碼盤反饋脈沖精度。

本機(jī)只需使用一套伺服系統(tǒng)就能完成其主要功能，伺 服的控制性能反映了該類產(chǎn)品的控制質(zhì)量。伺服系統(tǒng)與主變頻裝置的關(guān)系，如圖4所示：

由以上分析可知，該機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，主電機(jī)傳動(dòng)比要滿足主變頻器頻率工作在60Hz的頻率上，這時(shí)切刀與封刀來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)將達(dá)120次/分鐘甚至更高要求。在滿足伺服電機(jī)的實(shí)際連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速要小于或等于其額定轉(zhuǎn)速及其它特性的要求下，伺服機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比及出料輥的外徑的合理設(shè)計(jì)是滿足該機(jī)工藝要求的關(guān)鍵。由圖4可見，PLC的信號邏輯順序?yàn)橄犬a(chǎn)生（1），即變頻器先驅(qū)使電機(jī)將刀抬起，在抬刀與下刀之間的時(shí)間t2內(nèi)，動(dòng)作（2）必須完成。因此，需滿足關(guān)系t1 轉(zhuǎn)速要求：此機(jī)送料輥直徑r=36mm，圓周長為L=2πr=36×3.14=113mm，若以500mm長的袋子為準(zhǔn)，則一次制袋成型需轉(zhuǎn)動(dòng)周數(shù)：n總=500/2πr=500/113=4.425圈，以每分鐘120個(gè)袋的制袋標(biāo)準(zhǔn)，則每分鐘送料輥需轉(zhuǎn)動(dòng)：n輥=120n=531轉(zhuǎn)，同時(shí)，送料輥與伺服電機(jī)存在1:4的減速比，故最終要求伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速：n需=531×4=2124轉(zhuǎn)。

精度要求：袋長精度小于0.5mm，伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用同步帶傳動(dòng)，伺服編碼器脈沖數(shù)為2500P/R，通過四倍頻轉(zhuǎn)換后，分辨精度達(dá)到10000p/r，即v伺=360°/10000=0.036°，電機(jī)輸出到出料輥有4:1的減速比，實(shí)際檢測精度達(dá)到：

v輥=360°/（10000×4）=0.009°，對應(yīng)的長度分辯精度為：

vl輥=2πr×（0.009°/360°）

=113×0.000025=0.002825mm。

故其本身誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5mm，引起定位誤差較大的真正原因是由于伺服電機(jī)起停不夠平滑，或者由于送料端的送料速度小于出料輥的出料速度，造成出料輥與塑料薄膜之間的相對滑動(dòng)，故要根據(jù)伺服電機(jī)的起停速度調(diào)整合適的加減速時(shí)間，調(diào)整送料變頻器頻率使其送料速度要大于出料輥的出料速度，調(diào)整結(jié)果要以出料輥與塑料薄膜之間不發(fā)生相對滑動(dòng)為準(zhǔn)。

新型制袋機(jī)均帶有兩種封切方式：一種為空白袋封切方式，即伺服系統(tǒng)控制電機(jī)以PLC預(yù)先設(shè)置的脈沖數(shù)進(jìn)行動(dòng)作，直到脈沖數(shù)運(yùn)行完為止，作為一個(gè)制袋周期，此種方式為非追色運(yùn)行方式，也稱為定長運(yùn)行方式。另一種為追色封切方式，當(dāng)選擇追色封切時(shí)，其過程如下，伺服啟動(dòng)信號導(dǎo)通，伺服電機(jī)按照PLC程序預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)、恒速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)、低速追色，如圖5所示，PLC接收到追色信號時(shí)，通過中斷方式立即停止伺服電機(jī)。一般追色長度為10mm，并且要求追色信號只能在追色范圍內(nèi)起作用，其它范圍內(nèi)需屏蔽掉其干擾信號。追色封切調(diào)試時(shí)，在人機(jī)界面上設(shè)定好伺服電機(jī)的恒速速度，先將加速時(shí)間、減速時(shí)間設(shè)長，再調(diào)低速追色速度，盡可能提高低速追色速度，以追色平穩(wěn)、準(zhǔn)確為準(zhǔn)。調(diào)整好追色速度后，再調(diào)加速時(shí)間、減速時(shí)間，盡可能調(diào)短加減速時(shí)間，以膠袋與出料輥不發(fā)生相對滑動(dòng)及追色平穩(wěn)為準(zhǔn)。PLC程序在追色封切時(shí)，對追色信號記數(shù)，連續(xù)三次檢測不到時(shí)，PLC停止各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。同時(shí)PLC程序?qū)ε坑洈?shù)，當(dāng)批量達(dá)到預(yù)警值時(shí)，PLC驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警提示。

操作面板上設(shè)置了變頻器的調(diào)速旋鈕，通過該組旋鈕調(diào)位器可對主電機(jī)和送料電機(jī)調(diào)速，從而改變機(jī)器的加工效率，同時(shí)，改變?nèi)藱C(jī)界面上PLC的脈沖頻率設(shè)定值可對伺服電機(jī)調(diào)速。

PLC內(nèi)編寫自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)調(diào)試程序，自動(dòng)運(yùn)行程序?yàn)樯a(chǎn)程序，手動(dòng)調(diào)試程序?yàn)檎{(diào)機(jī)或維修時(shí)使用。

該類機(jī)械配套伺服系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了以下功能：效率提高;良品率提高;封切精度提高;調(diào)試機(jī)械方便快捷;運(yùn)行過程平穩(wěn)。200-800mm長膠袋，生產(chǎn)約160-50個(gè)/分鐘;長度誤差在0.5mm內(nèi);膠袋封口處溫度線，結(jié)實(shí)耐拉;既可定長封切，又可追色封切;追色封切時(shí)，連續(xù)三次檢測不到色標(biāo)信號，能自動(dòng)停機(jī)報(bào)警;有預(yù)警功能，生產(chǎn)到設(shè)定批量時(shí)，會自動(dòng)提示;主電機(jī)調(diào)速，送料電機(jī)調(diào)速，伺服電機(jī)調(diào)速;設(shè)有自動(dòng)運(yùn)行方式和手動(dòng)調(diào)試方式。

結(jié)語

隨著市場競爭的日趨激烈，用戶對所需產(chǎn)品提出了更高的技術(shù)和更合理的性能價(jià)格比的要求。伺服系統(tǒng)以其出色的性能完成了對產(chǎn)品的加工過程、加工工藝和綜合性能的改造，并在工業(yè)領(lǐng)域中得到了非常廣泛應(yīng)用。

責(zé)任編輯：gt