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摘要：本文以熱收縮薄膜包裝機(jī)為對(duì)象，介紹了作為運(yùn)動(dòng)控制部分的貝加萊伺服控制系統(tǒng)（B&RACOPOSSERVO），對(duì)其在熱收縮薄膜包裝機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了描述，并在彩膜的送切問題上作了一點(diǎn)探討。


目前，各種品牌的啤酒爭先涌入市場，而各個(gè)啤酒生產(chǎn)廠家為了搶占商機(jī)，也在不斷的提高啤酒的質(zhì)量與產(chǎn)量。因此，更新原有舊的啤酒生產(chǎn)設(shè)備已成為啤酒生產(chǎn)廠家必須要考慮的因素。生產(chǎn)啤酒時(shí)，從開始的釀造、灌裝、殺菌到zui后的貼標(biāo)、包裝，每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都關(guān)系著zui后啤酒的產(chǎn)量。自動(dòng)化程度要求較高使得包裝長久以來都是整個(gè)啤酒生產(chǎn)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

國外的熱收縮薄膜包裝機(jī)（以下簡稱膜包機(jī)）已經(jīng)能夠很好的完成zui后的啤酒包裝，如意大利DYMAC、SMI、OCME，德國的KRONES。由于國外的膜包機(jī)價(jià)格昂貴，國內(nèi)的許多啤酒生產(chǎn)廠商都改用成本較為低廉的集體手工捆扎或者是簡單的機(jī)械手搬移作為啤酒裝箱方式，尤其以集體手工捆扎形式較多。這樣，前幾個(gè)環(huán)節(jié)生產(chǎn)出的瓶裝啤酒會(huì)大量擁積到zui后，使得前幾個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)常常因zui后遲緩的手工捆扎而減慢速度。

此外，瓶裝啤酒的偶爾爆裂時(shí)常會(huì)傷及正在進(jìn)行捆扎操作的工作人員。2002年6月我國在頒布的GB4927－2001啤酒新標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，全面取締手工捆扎式包裝。在借鑒了國外膜包機(jī)的*理念后，國內(nèi)的幾個(gè)輕工機(jī)械廠家和其他的啤酒生產(chǎn)設(shè)備制造廠家也都根據(jù)市場的需求，陸續(xù)推出了國產(chǎn)的膜包機(jī)。

系統(tǒng)的配置與方案

一般的，膜包機(jī)可以由主驅(qū)動(dòng)、進(jìn)瓶、分瓶、送紙板、送切膜和熱通道六個(gè)部分組成。按照不同的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)廠家生產(chǎn)的膜包機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不盡相同，所選擇的可編程控制系統(tǒng)以及伺服控制系統(tǒng)也不一樣。以科時(shí)敏公司的膜包機(jī)為例，本文將介紹作為控制部分的貝加萊可編程控制（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)。
膜包機(jī)的硬件機(jī)構(gòu)

擁有同步電子齒輪、電子凸輪的伺服控制系統(tǒng)早已經(jīng)取代繁瑣的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，可以比較容易的按照設(shè)計(jì)者的要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)象之間的同步關(guān)系。膜包機(jī)的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是使用了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)軸，完成了從進(jìn)瓶、送紙板到送切膜的任務(wù)。使用一臺(tái)伺服電機(jī)的主驅(qū)動(dòng)會(huì)作為其他幾根軸的同步對(duì)象，所有的角度相位關(guān)系也都根據(jù)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)而定。

控制系統(tǒng)

使用貝加萊的伺服控制系統(tǒng)完夠滿足膜包機(jī)所有電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)控制和它們之間的同步運(yùn)動(dòng)控制。集成了包裝過程中的邏輯控制并帶有顯示功能的人機(jī)面板PP41，一方面可以通過參數(shù)的輸入給運(yùn)動(dòng)控制部分傳達(dá)命令以及運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，另一方面可以及時(shí)反饋前機(jī)器的運(yùn)行狀況和報(bào)警狀態(tài)。

現(xiàn)場總線（CANBUS）

CAN總線具有強(qiáng)有力的錯(cuò)誤檢測能力及差分驅(qū)動(dòng)功能，在強(qiáng)噪聲十分苛刻的環(huán)境中仍運(yùn)行良好，因此，在傳媒傳輸和線路設(shè)計(jì)方面，CAN總線可以很容易的適合大多數(shù)應(yīng)用場合[1]。

通過現(xiàn)場總線（CANBUS），人機(jī)面板（PP41）和各個(gè)伺服控制器之間的通訊變得十分可靠，尤其為伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的在線修改同步特征參數(shù)提供了保證。

基本運(yùn)動(dòng)控制

貝加萊的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（ACOPOSSERVO）采用了面向?qū)ο笮偷目刂品绞健Ｊ褂谜Z言（Basic或者C），在針對(duì)一個(gè)伺服控制器創(chuàng)建了一個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象（AxisObject）后，就可以利用創(chuàng)建的指針完成對(duì)電機(jī)不同的運(yùn)動(dòng)控制。

Status=ncaction(AxisBUR->Object,ncPOS_MOVE,ncSTART);程序1

函數(shù)ncaction()會(huì)執(zhí)行所有對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的基本操作命令。參數(shù)1是運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象的指針，參數(shù)2是動(dòng)對(duì)象的控制方式，參數(shù)3是正對(duì)控制方式的動(dòng)作行為。如上這個(gè)語句的意義是：讓運(yùn)動(dòng)對(duì)象AxisBUR->Object，以正方向運(yùn)動(dòng)ncPOS_MOVE，ncSTART啟動(dòng)。

膜包機(jī)的各個(gè)電機(jī)的單獨(dú)調(diào)試與尋參、主驅(qū)動(dòng)的啟停、以及分瓶電機(jī)的配合都會(huì)用到基本運(yùn)動(dòng)控制。這樣的控制方式目標(biāo)明確，便于控制程序的寫。

同步運(yùn)動(dòng)控制

同步運(yùn)動(dòng)控制是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，一個(gè)伺服電機(jī)相對(duì)于另一個(gè)伺服電機(jī)要完成一定的運(yùn)動(dòng)軌跡所作的控制，也就是通常所說的電子齒輪和電子凸輪的概念。

對(duì)于ACOPOSSERVO來說，參與同步的兩臺(tái)伺服電機(jī)具有主從關(guān)系。膜包機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)控制一般是在位置上的同步。在CAN總線上，主軸會(huì)把當(dāng)前的位置信息以一定的微小間隔時(shí)間傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)上，而參與同步的從軸也會(huì)實(shí)時(shí)的取得這些信息，再實(shí)時(shí)的根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前從軸要走到位置，并且運(yùn)行當(dāng)前的軌跡。

通過數(shù)學(xué)模型，我們可以得到從軸相對(duì)于主軸的輪廓關(guān)系（Profiler）。這些輪廓的特征參數(shù)在電機(jī)參與同步之前要下載到伺服控制器中。PP41會(huì)利用CAN總線完成參數(shù)的下載任務(wù)。ACOPOSSERVO可以一次設(shè)定11組輪廓關(guān)系，使用事件（Event）的方式，使從軸可以在設(shè)定的輪廓關(guān)系組中按照運(yùn)動(dòng)的需要方便的跳轉(zhuǎn)。事件的觸發(fā)可以有很多種，可以使用PP41向下發(fā)送4個(gè)SIGNAL信息（ncSIGNAL1.2.3.4），也可以是伺服控制器上的2個(gè)觸發(fā)信息（ncTRIGGER1.2）。因此，我們可以把主從的輪廓關(guān)系按照一定的要求分解成幾個(gè)階段（State），通過階段之間的跳轉(zhuǎn)，可以完成不同階段的同步要求。

程序2這段代碼是一個(gè)輪廓關(guān)系中的*個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的1:2的主從位置同步。在這個(gè)階段主軸在完成10000個(gè)unit的同時(shí)從軸要走完20000個(gè)unit。在完成后有兩個(gè)跳轉(zhuǎn)事件，事件1：如果之前有ncSIGNAL1信息發(fā)生，跳轉(zhuǎn)至第2階段；事件2：結(jié)束后沒有前面的事件發(fā)生將繼續(xù)重復(fù)*個(gè)階段的同步軌跡。

m=2;

camdata->State[m].CamDataIndex=0xFFFF;

camdata->State[m].CompensationMode=ncOFF;

camdata->State[m].MaCompDistance=0;

camdata->State[m].SlCompDistance=0;

camdata->State[m].MaFactor=10000;

camdata->State[m].SlFactor=20000;

camdata->State[m].MaMinCompDistance=1;

{

n=0;

camdata->State[m].Event[n].Type=ncSIGNAL1;

camdata->State[m].Event[n].Attribute=ncST_END;

camdata->State[m].Event[n].NextState=2;

n=1;

camdata->State[m].Event[n].Type=ncST_END;

camdata->State[m].Event[n].Attribute=ncST_END;

camdata->State[m].Event[n].NextState＝1;

}

程序2

在膜包機(jī)中，上膜電機(jī)在接收到上膜信號(hào)后，當(dāng)主電機(jī)再運(yùn)行到一定相位時(shí)開始同步運(yùn)動(dòng)，直至主電機(jī)完成一個(gè)周期，上膜電機(jī)也完成一次上膜任務(wù)。我們可以分成3個(gè)階段，即上膜電機(jī)等待上膜信號(hào)、主電機(jī)到達(dá)上膜起始相位，以及跟著主電機(jī)完成一次上膜任務(wù)。上膜時(shí)，要根據(jù)先慢后快的原則，zui后一個(gè)階段還可以再次細(xì)分成幾個(gè)階段。

虛軸概念

在ACOPOSSERVO中，針對(duì)每一個(gè)伺服電機(jī)而創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)對(duì)象都具有一個(gè)假象的軸，也就是虛軸。這個(gè)虛軸和實(shí)軸一樣，一方面能夠作為從軸，跟著主軸完成同步軌跡，另一方面還能夠作為主軸，讓其他從軸參與同步。由于虛軸概念的引入，使得一個(gè)伺服電機(jī)也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關(guān)系。

如果在上膜電機(jī)和主電機(jī)之間加一個(gè)主虛軸，那么可以把等待上膜信號(hào)、等待主電機(jī)的起始相位、與主電機(jī)完成一個(gè)周期這3個(gè)階段的輪廓關(guān)系加在主虛軸上。上膜電機(jī)可以與主虛軸同步，完成先慢后快的幾個(gè)階段的同步任務(wù)。這樣，可以在主電機(jī)不運(yùn)動(dòng)的情況下，讓虛軸走一個(gè)周期，上膜電機(jī)就能夠完成一次上膜任務(wù)，也就是手動(dòng)上膜一次，便于一開始上膜位置的前后調(diào)整。

控制過程中的功能實(shí)現(xiàn)

ACOPOSSERVO在膜包機(jī)中要完成的任務(wù)是：驅(qū)動(dòng)推瓶桿和挑膜桿、送紙板、送切膜和分瓶。其中發(fā)生同步關(guān)系的任務(wù)有送紙板、送膜和切膜。送瓶電機(jī)雖然沒有參與同步，但是在分瓶過程中，它和壓板、擋板都是以主電機(jī)的相位角度作為依據(jù)，執(zhí)行著相互關(guān)聯(lián)的啟停，共同完成分瓶任務(wù)。

白膜的送切

送膜和切膜是膜包機(jī)中zui重要的環(huán)節(jié)，也是控制過程中zui困難的部分，尤其是送膜。

根據(jù)工藝的要求，當(dāng)送膜啟動(dòng)后的開始階段，出膜的速度應(yīng)該和待包的一組瓶的速度保持一致，壓在紙板下膜的部分應(yīng)該是預(yù)先設(shè)定的長度，而且不能夠發(fā)生卷曲。剩下的幾個(gè)階段要快速出膜，以保證挑膜桿能夠不受阻礙的將后面的薄膜挑出。挑膜的這幾個(gè)階段的速度一定也要控制的適當(dāng)，過快會(huì)導(dǎo)致薄膜曲皺，過慢會(huì)引起挑膜桿受阻。無論是幾個(gè)階段，也不管中間出膜的速度快慢，zui終一定要保證主電機(jī)在執(zhí)行一個(gè)周期后，送膜電機(jī)也要正好完成一次送膜。也就是送膜電機(jī)和主電機(jī)的一次同步。

在切膜機(jī)構(gòu)上，不同的廠家設(shè)計(jì)的也不一樣。目前有兩種機(jī)構(gòu)采用的較多，一種是在送膜電機(jī)軸上采用電磁離合器吸合一個(gè)切刀綁定后旋轉(zhuǎn)一圈；另外一種是把切刀作為一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)軸和送膜電機(jī)軸保持同步。切膜值得重視的是切刀旋轉(zhuǎn)切膜的瞬間線速度應(yīng)該大于薄膜被切點(diǎn)的線速度，否則薄膜可能會(huì)刮壞、切不斷，甚至造成切刀齒崩壞。科時(shí)敏公司的膜包機(jī)采用獨(dú)立的切刀電機(jī)軸，和送膜電機(jī)參與同步的切刀可以更直接的調(diào)整同步時(shí)幾個(gè)同步階段的快慢，保證了每次切膜的位置精度，同時(shí)還可以參與彩膜控制。

白膜的送切還應(yīng)該注意一個(gè)很重要的問題：不同裹包速度下的膜長控制。為了保證上膜后膜輥筒不再因?yàn)閼T性而繼續(xù)出膜，都會(huì)在膜輥筒旁邊加上剎車裝置。受了剎車裝置的拉拽因素的影響，再加上上膜輥筒的摩擦因素，使得實(shí)際的膜長在不同的裹包速度下會(huì)有變化。換句話說就是如果上膜電機(jī)的一次上膜量不變，那么，隨著裹包速度的增加，實(shí)際的上膜長度會(huì)越來越短。因此，我們需要增加一個(gè)不同裹包速度的上膜補(bǔ)償量。

分瓶

分瓶控制在膜包機(jī)中，一直都是一個(gè)不可忽視的問題，分瓶裝置的分瓶好壞直接會(huì)影響后面的裹包速度，從而影響整個(gè)生產(chǎn)線的速度。目前，分瓶裝置也有兩種機(jī)構(gòu)采用的較多，一種是使用兩個(gè)電機(jī)軸，與主電機(jī)保持一快一慢的同步關(guān)系；另外一種是使用壓板、擋板和進(jìn)瓶電機(jī)軸根據(jù)主電機(jī)的相位相互配合的啟停。第二種方式的分瓶裝置阻止了倒瓶現(xiàn)象，提高了分瓶速度。

入口進(jìn)瓶與熱通道出瓶

除了送切膜和分瓶，入口進(jìn)瓶與熱通道出瓶也不能降低控制要求。入口和熱通道分別都應(yīng)該配置一個(gè)變頻器，平穩(wěn)的控制進(jìn)出瓶的輸送。根據(jù)工藝的要求，入口輸送帶與熱通道輸送帶的速度應(yīng)該和主電機(jī)保持一個(gè)比例關(guān)系。這樣可以保證主電機(jī)、入口輸送、分瓶、熱通道輸送作到一個(gè)基本同步。入口輸送的快慢控制著瓶之間的松緊，從而對(duì)分瓶的好壞產(chǎn)生影響。熱通道輸送的快慢加上溫度的高低也會(huì)使裹包后的膜收縮程度不同。因此，前后輸送的同步配合也是一個(gè)需要考慮的因素。

彩膜送切的探討

白膜沒有位置的限制，可以從任何一個(gè)位置開始，只要保證每次送切的膜長一致就可以。相比之下，彩膜送切的位置與膜長所要求的精度高很多。除了薄膜長度以外，送切后彩膜的圖案對(duì)稱度也是一個(gè)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。一般地，印制出來的彩膜都會(huì)在兩段對(duì)稱圖案的后面留有一個(gè)空白段，是待切部分。每一個(gè)空白待切部分的薄膜邊緣都會(huì)有一個(gè)黑色的一小塊色標(biāo)印記（Print）。利用一個(gè)光電傳感器可以在送膜過程中捕獲這一個(gè)印記，從而讓伺服控制器得到這個(gè)信息。工藝上要求，印記一旦被檢測到，上膜電機(jī)會(huì)完成一段位移，然后開始切膜。如果上膜電機(jī)一直以一定的速度運(yùn)動(dòng)，那么，切膜電機(jī)從檢測到印記與上膜電機(jī)同步到zui后完成切膜應(yīng)該是容易控制的。但是，上膜電機(jī)仍然需要和主電機(jī)保持同步，完成先慢后快的軌跡。當(dāng)然，勻速送切彩膜方式可以用作*次的手動(dòng)校準(zhǔn)。因此，本次在科時(shí)敏的膜包機(jī)中采用了一種動(dòng)態(tài)控制上膜長度的方法來控制彩膜的送切，達(dá)到了一定的工藝要求。其實(shí)，彩膜的送切應(yīng)該還有其他很好的方法值得研究，國外的*經(jīng)驗(yàn)也是值得借鑒的。

結(jié)束語

熱收縮薄膜包裝機(jī)在整個(gè)啤酒生產(chǎn)線中是zui后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是影響zui終啤酒產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。國內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家也是zui近一兩年開始投入使用國產(chǎn)的膜包機(jī)。因此，無論從機(jī)械、電氣，還是到整個(gè)系統(tǒng)的控制，都還有一定的有效完善空間。