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1 引言
傳統的包裝機械多通過複雜的齒輪、聯杆傳動。存在機械加工複雜、精度要求高，安裝調試繁瑣，機構耦合誤差大，生產周期長等的明顯缺點。其控製的速度和精度都受到一定條件的製約。
針對傳統機械係統的缺點，采用開放式的運動總線型DVP-10MC運動控製器，使用電子凸輪等先進工藝，保證整機的同步協調工作，實現精確、高速控製。DVP-10MC運動控製器在此方麵表現了良好的性能。
2 係統工藝簡介
臥式包裝機是物料充填與袋子成型沿水平方向進行，由於水平式製袋、充填和封口，各個工位均可以方便地進行調整，並可以針對不同的物料情況作許多複雜的配置變化。
圖1 臥式包裝機
圖2 工藝流程圖
臥式包裝機的工藝為：從卷筒1拉出的包裝材料由導輥2導引，經三角成型器3和U形杆4而折合成U形膜；光電檢測裝置5對包裝材料上印刷的色標拉距進行檢測和送進控製，然後由製袋熱封裝置6對U型折合膜實施熱熔封接，封接兩側麵完成製袋。牽引送進裝置7作間斷啟停旋轉運動將成袋及包裝材料牽引送進，每次送一個袋寬的距離，由切斷裝置8裁切成單個包裝袋，然後由袋夾送進裝置作夾持送進；在zai開kai袋dai口kou工gong位wei由you開kai袋dai口kou裝zhuang置zhi將jiang袋dai口kou吸xi開kai，並bing往wang袋dai內nei噴pen吹chui壓ya力li空kong氣qi，使shi袋dai口kou擴kuo開kai，並bing由you夾jia持chi包bao裝zhuang袋dai的de夾jia手shou保bao持chi張zhang開kai的de袋dai口kou，以yi使shi充chong填tian物wu料liao順shun利li充chong填tian。當dang袋dai子zi送song到dao充chong填tian工gong位wei時shi，通tong過guo充chong填tian漏lou鬥dou往wang包bao裝zhuang袋dai內nei裝zhuang入ru物wu料liao，再zai在zai整zheng形xing工gong位wei由you整zheng形xing裝zhuang置zhi對dui袋dai中zhong鬆song散san物wu料liao實shi施shi整zheng形xing處chu理li，使shi其qi袋dai形xing便bian於yu封feng口kou操cao作zuo，且qie夾jia袋dai的de夾jia手shou向xiang外wai運yun動dong，使shi袋dai口kou處chu於yu平ping直zhi閉bi合he狀zhuang態tai，在zai封feng口kou工gong位wei完wan成cheng袋dai口kou封feng接jie，得de到dao的de包bao裝zhuang產chan品pin從cong機ji器qi後hou端duan輸shu出chu。
3 方案介紹
DVP10MC是台達推出的一款總線型多軸運動控製器，專門用於控製台達A2伺服驅動器。DVP10MC與A2伺服驅動器之間采用CANopen現場總線技術通訊，最高通訊速率達到1M bps。它除了能實現複雜的運動控製以外，還可以實現PLC的邏輯控製，溫度控製。DVP10MC通訊接口豐富，提供有Ethernet、CAN (Motion Bus)、RS232、RS485及編碼器接口，同時具有與SV相同的左右擴展接口，共享SV所有擴展模塊，很適合包裝機械的多軸控製。
圖3 係統架構
本係統中DVP10MC采用CANMotion控製6軸伺服裝置，實現多軸同步控製。兩台變頻器通過左側的CANopen主站模塊控製，實現速度控製。HMI采用XBTGT係列觸摸屏，通過MODBUS/TCP協議與運動控製器通訊；現場溫度采用PID控製，溫度控製精確。
表1 係統配置
4 控製工藝
夾手裝置由三個伺服電機驅動，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
製袋工位由一個伺服電機驅動，其凸輪曲線如圖5所示。
圖5 熱封裝置凸輪曲線
拉模裝置由兩個伺服電機驅動，其凸輪曲線如圖6所示。
圖6 拉膜裝置凸輪曲線
主(zhu)軸(zhou)變(bian)頻(pin)器(qi)驅(qu)動(dong)的(de)電(dian)機(ji)上(shang)帶(dai)一(yi)個(ge)編(bian)碼(ma)器(qi)，在(zai)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)時(shi)，其(qi)他(ta)軸(zhou)根(gen)據(ju)自(zi)己(ji)所(suo)處(chu)的(de)位(wei)置(zhi)相(xiang)應(ying)做(zuo)跟(gen)隨(sui)運(yun)動(dong)。放(fang)膜(mo)部(bu)分(fen)采(cai)用(yong)張(zhang)力(li)控(kong)製(zhi)，使(shi)放(fang)膜(mo)輥(gun)在(zai)放(fang)膜(mo)過(guo)程(cheng)中(zhong)，均(jun)勻(yun)放(fang)膜(mo)。
拉(la)膜(mo)軸(zhou)通(tong)過(guo)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)進(jin)給(gei)包(bao)裝(zhuang)膜(mo)，在(zai)每(mei)送(song)一(yi)個(ge)袋(dai)子(zi)時(shi)，通(tong)過(guo)色(se)標(biao)作(zuo)為(wei)前(qian)一(yi)次(ci)袋(dai)長(chang)檢(jian)測(ce)觸(chu)發(fa)信(xin)號(hao)，直(zhi)接(jie)接(jie)入(ru)到(dao)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)高(gao)速(su)信(xin)號(hao)接(jie)口(kou)，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)外(wai)部(bu)編(bian)碼(ma)器(qi)讀(du)取(qu)實(shi)際(ji)膜(mo)長(chang)，與(yu)存(cun)儲(chu)的(de)標(biao)準(zhun)長(chang)度(du)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，如(ru)果(guo)有(you)偏(pian)差(cha)的(de)話(hua)，就(jiu)在(zai)下(xia)一(yi)包(bao)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)。
拉膜的寬帶通過電子凸輪實現，可以保證到整機的速度一致性，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(zhi)令(ling)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)虛(xu)擬(ni)軸(zhou)。虛(xu)軸(zhou)是(shi)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)內(nei)部(bu)可(ke)以(yi)創(chuang)建(jian)的(de)一(yi)個(ge)假(jia)想(xiang)軸(zhou)，專(zhuan)門(men)用(yong)於(yu)位(wei)移(yi)量(liang)疊(die)加(jia)計(ji)算(suan)進(jin)行(xing)使(shi)用(yong)，由(you)於(yu)是(shi)理(li)想(xiang)軸(zhou)，所(suo)以(yi)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)任(ren)何(he)偏(pian)差(cha)，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)自(zi)己(ji)定(ding)義(yi)任(ren)何(he)軌(gui)跡(ji)。這(zhe)裏(li)將(jiang)虛(xu)軸(zhou)和(he)實(shi)軸(zhou)的(de)凸(tu)輪(lun)曲(qu)線(xian)用(yong)電(dian)子(zi)齒(chi)輪(lun)方(fang)式(shi)齧(nie)合(he)，做(zuo)同(tong)步(bu)，運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)以(yi)修(xiu)改(gai)電(dian)子(zi)齒(chi)輪(lun)的(de)齒(chi)輪(lun)比(bi)，即(ji)可(ke)達(da)到(dao)在(zai)線(xian)調(tiao)節(jie)凸(tu)輪(lun)曲(qu)線(xian)的(de)目(mu)的(de)。
在(zai)停(ting)機(ji)時(shi)，拉(la)膜(mo)裝(zhuang)置(zhi)在(zai)完(wan)成(cheng)本(ben)次(ci)拉(la)送(song)袋(dai)子(zi)後(hou)，立(li)即(ji)停(ting)止(zhi)。製(zhi)袋(dai)裝(zhuang)置(zhi)在(zai)拉(la)膜(mo)裝(zhuang)置(zhi)停(ting)止(zhi)後(hou)，也(ye)立(li)即(ji)停(ting)止(zhi)，並(bing)且(qie)運(yun)動(dong)到(dao)安(an)全(quan)位(wei)置(zhi)，等(deng)待(dai)下(xia)次(ci)工(gong)作(zuo)。再(zai)次(ci)運(yun)行(xing)前(qian)，製(zhi)袋(dai)裝(zhuang)置(zhi)需(xu)運(yun)行(xing)到(dao)同(tong)步(bu)的(de)位(wei)置(zhi)後(hou)，開(kai)始(shi)運(yun)行(xing)主(zhu)機(ji)。
圖7 拉膜裝置曲線控製
5 係統通訊
5.1 變頻部分
變頻器和運動控製器通訊時需要在CANopen Builder軟件中導入ATV312的EDS文件。
DVPCOPM-SL模塊是運行於DVP10MC左側的CANopen主站模塊，當DVP10MC通過DVPCOPM-SL模塊與CANopen網絡相連時，DVPCOPM-SL模塊負責運動控製器與總線上其它從站的數據交換接口。DVPCOPM-SL模塊既可以在總線中做主站，也可以通過設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在設置地址時，隻有在模塊斷電情況下設置才有效，完成設置後，再將模塊上電。如果接線與節點地址均設置正確，模塊上麵的LED會顯示當前站號地址，如果為紅色代碼閃爍，請檢查通訊速率不要太高，或選用標準的CAN電纜。
圖8 變頻總線圖
5.2 伺服部分
圖9 伺服總線圖
伺服驅動器的參數設置如下：
P1-01=B（伺服驅動器設置為CANOpen模式）；
P3-00=2（伺服驅動器的CANOpen站號設置為“2”）；
P3-01=403（伺服驅動器在CANOpen中通訊速率設置為1Mbit/s）；
P2-15=122（伺服驅動器的逆向極限開關設為常開）；
P2-16=123（伺服驅動器的正向極限開關設為常開）；
P2-17=121（伺服驅動器的急停開關設為常開）。
其他伺服驅動器的參數設置隻有站號設置不同，設置完畢後伺服驅動器須重新上電。DVP10MC遵循CANopen（DSP402）協議，采用同步信號實現多軸同步，多軸係統支持十六個實軸，外加兩個虛軸。在網絡通訊方麵，可支持DeviceNet主從站、CANopen主從站、Profibus-DP從站，可組建功能複雜的控製係統。
5.3 以太網部分
DVP10MC11T提供一個以太網接口，此接口為運動控製模塊所有，支持ModbusTCP
協議，PC端軟件CANopenBuilder通過此接口可用於下載CANopen運動控製網絡配置、運動程序、G代碼，監控裝置等功能。DVP10MC11T在以太網網絡中隻能做從，同時可接受最多4個主站的訪問。此接口還支持自動跳線功能，當與計算機或交換機連接時，不需要特別作跳線處理。接口上的LED可以顯示以太網當前的連接狀態，方便用戶查詢。
DVP10MC11T的以太網參數設置通過CANopenBuilder軟件設置。DVP10MC11T支持的Modbus功能碼和對應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接口，支持ModbusTCP，故可以方麵的連接。觸摸屏在驅動設置時，需要設置成低字節優先。
6 溫度控製
在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控製規律為比例、積分、微分控製，簡稱PID控製，又稱PID調節。PID控製器問世至今已有近70年曆史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控製的主要技術之一。本係統中有八通道溫度采用PID控製溫度，使用DVP04TC-S作為溫度數據采集模塊，經過PLC程序中的專用溫度控製指令，用PLC輸出點控製固態繼電器動作，實現溫度的加熱控製。
DVP04TC-S模塊是運行與DVP10MC右側的溫度控製模塊，具有專用的PID溫度自動調整功能，可以實現PID控製參數的自動計算，控製溫度精度達到±1度。
當PID指令的動作方向功能選擇為K3或K4 時，其中PID指令內部使用的運算公式是
其中偏差量固定為：E (t) = SV − PV
由於此功能是專為溫度控製而設計的功能，因此當取樣時間(Ts)設置為4秒(K400)時，則表示輸出值(MV)的輸出範圍為K0~K4，000之間，並且搭配的GPWM指令的周期時間設置值也需設為4秒(K4，000)。
圖10 PID指令的動作方向為 K3~K4 的控製方塊
圖10中的1/KI及1/KP的符號分別表示除以KI及除以KP的功能，由於此控製方塊為溫度控製專用的PID指令，因此需搭配GPWM指令一起使用。
當使用者在控製溫度的環境下不知如何調整各項參數時，可先選擇K3這項自動調整功能，等到指令內部調整完畢後(功能選擇自動會設置為 K4)，使用者可再依控製結果修改成更佳的參數。
圖11 PID控製程序
7 結束語
經過現場測試後，係統最大速度可以穩定達到70包/分鍾，這套設備成功開發標誌著包裝機設備已經從簡單的半機械化雙變頻升級到全伺服係統。
全自動包裝機采用台達總線型運動控製器，該產品良好的兼容性以及優異的性能使控製變得簡易、高效和穩定。電氣結構簡單和高穩定性為用戶創造了價值。
作者簡介
劉勝戌（1981-）男 工程部主管，任職於怡和包裝係統有限公司，主要從事自動化控製係統的設計和開發工作。
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