歐姆龍伺服控制器在多伺服枕式包裝機(jī)中的應(yīng)用

引言
　　枕式包裝機(jī)又稱接縫式裹包機(jī)，是一種臥式三面封口，自動(dòng)完成制袋、填充、封口、切斷、成品排除等工序的包裝設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用中，與相應(yīng)衍生機(jī)種、輔助機(jī)種相配合，能實(shí)現(xiàn)食品、日用化工、醫(yī)藥等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的流水包裝。適應(yīng)的包裝物為一般塊狀、筒狀規(guī)則物品，無規(guī)則異形物品，如：餅干、蛋糕、化妝品、紙巾等。包裝成品的形式有單件包裝、集合包裝、帶托盤包裝、無托盤集合包裝等。
　　傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)橫封刀的運(yùn)動(dòng)曲線是由機(jī)械的凸輪來實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械加工、安裝復(fù)雜，運(yùn)行噪音大，效率低；如果使用伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電子凸輪功能，對(duì)于機(jī)械安裝、運(yùn)行效率會(huì)有一定的提高。本文詳細(xì)介紹OMRON的控制器FQM1在包裝機(jī)中實(shí)現(xiàn)電子凸輪的應(yīng)用。

1. 枕式包裝機(jī)的工藝簡(jiǎn)介

　　枕式包裝機(jī)的送膜和進(jìn)料是同步進(jìn)行的，由色標(biāo)檢測(cè)和接近開關(guān)分別對(duì)送膜和送料的位置進(jìn)行檢測(cè)，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材?，并進(jìn)行縱向熱封，同時(shí)物料被送進(jìn)筒膜內(nèi)，一起向前經(jīng)過橫封橫切部位，由回轉(zhuǎn)式或往復(fù)式的橫封橫切刀對(duì)筒膜進(jìn)行橫向封切，輸出包裝成品，具體工藝流程圖和工藝結(jié)構(gòu)圖分別參照?qǐng)D1、圖2：

圖1 枕包機(jī)工藝流程圖

圖2 枕包機(jī)工藝結(jié)構(gòu)圖

2. 枕式包裝機(jī)自動(dòng)化程度的發(fā)展

　　隨著食品包裝行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)類似枕包機(jī)這樣的機(jī)械提出的要求是提高包裝速度與精度，全面包裝品規(guī)格，操作趨于人性化以及售后維護(hù)成本降低。根據(jù)枕包機(jī)的工藝不難看出，其控制重點(diǎn)在于送料、送膜以及橫封橫切軸三軸的配合，因此從第一代枕包機(jī)發(fā)展至今，主要就是對(duì)這三軸的控制進(jìn)行改進(jìn)以滿足行業(yè)不斷提升的要求，從低端到高端、從機(jī)械控制為主到電氣控制為主，枕包機(jī)控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
階段一：?jiǎn)巫冾l
　　使用一臺(tái)變頻器加一臺(tái)交流電機(jī)來工作，為了成比例的同時(shí)帶動(dòng)橫封刀（加輸送機(jī)）跟包裝膜，需要一臺(tái)無極變速箱來根據(jù)不同的膜長(zhǎng)調(diào)節(jié)膜軸的速度。從而實(shí)現(xiàn)了兩路速度的輸出，但是無極變速箱會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)磨損影響使用精度，因此有他的局限性。橫封刀的運(yùn)行曲線是由機(jī)械凸輪來實(shí)現(xiàn)的，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多。
階段二：?jiǎn)巫冾l+單伺服
　　使用一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)橫封刀（加輸送機(jī)），一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)包裝膜，取消了無極變速箱。各部分運(yùn)行獨(dú)立，由PLC控制器協(xié)調(diào)兩部分速度。橫封刀運(yùn)動(dòng)軌跡仍有機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)。
階段三：雙伺服
　　原理同單伺服+單變頻，但其控制精度進(jìn)一步提高。
階段四(目前最先進(jìn)的控制方式,本文介紹重點(diǎn))：三伺服
　　三個(gè)伺服分別驅(qū)動(dòng)橫封刀、包裝膜、供料輸送機(jī)，橫封刀的運(yùn)行軌跡完全有伺服來實(shí)現(xiàn)，取消機(jī)械凸輪，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。三部分的運(yùn)行速度需要有高性能的控制器來控制，因此對(duì)于控制器的要求比較高，經(jīng)過試驗(yàn)OMRON的FQM1控制器能完成這項(xiàng)功能，并且能提高包裝速度速度。

3. 三伺服枕式包裝機(jī)的詳細(xì)工藝及控制要求

　　三伺服枕包機(jī)是在雙伺服枕包機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種高端枕式包裝機(jī)，其技術(shù)核心就是用運(yùn)動(dòng)控制器中的電子凸輪功能替代原先的機(jī)械凸輪，完成機(jī)器中橫封橫切與拉膜牽引以及送料的配合，要求橫切的位置能精確地定位在包裝袋的色標(biāo)上，誤差范圍應(yīng)小于±2.5mm(根據(jù)色標(biāo)寬度定)，速度一般能達(dá)到200包/分鐘。

3.1 機(jī)器的啟動(dòng)檢測(cè)定位
　　由于在機(jī)器的整個(gè)運(yùn)行過程中保持送膜、送料、橫封橫切軸的位置準(zhǔn)確非常重要，軸與軸之間按照包裝物規(guī)格的不同有不同的位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因此在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)就因?qū)⑷S的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，找到位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)以便機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)按照對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)糾偏。

三軸的偏差檢測(cè)通過不同的傳感器進(jìn)行：
送膜軸：膜的色標(biāo)位置通過色標(biāo)傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器分頻進(jìn)行檢測(cè)。
送料軸：輸送帶的位置通過安裝在輸送帶的接近開關(guān)和輸送帶伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器分頻信號(hào)位置檢測(cè)。
橫封橫切軸：橫封刀位置的檢測(cè)通過安裝在橫封刀上的接近開關(guān)和設(shè)定的橫封刀每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的檢測(cè)定位流程如圖3：

圖3 機(jī)器啟動(dòng)時(shí)三軸的檢測(cè)定位流程

3.2 機(jī)器運(yùn)行時(shí)的工藝及控制
　　啟動(dòng)檢測(cè)定位完成后，機(jī)器將進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，其控制重點(diǎn)仍在于三軸的配合運(yùn)行，工藝結(jié)構(gòu)及控制圖如圖4：

圖4 三伺服枕式包裝機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及控制圖

圖中所標(biāo)的三軸的功能及控制要求分別為：

橫封橫切軸：
　　切割包裝膜，把每包包裝物分離，并且熱封包裝口， 由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)帶刀導(dǎo)輥旋轉(zhuǎn)對(duì)包裝物進(jìn)行橫封橫切，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到橫封過程的角度時(shí)，橫封軸必須與主軸保持同步，當(dāng)轉(zhuǎn)到其他角度時(shí)，橫封軸的速度需要改變，橫封的周期時(shí)間與主傳送帶送入一個(gè)包裝物品的時(shí)間相同。
　　在這里，我們將進(jìn)行橫封過程的角度稱為同步角，同步角的大小根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)而定，目前使用最多的角度大小是66°左右。橫封軸轉(zhuǎn)到同步角時(shí)，必須與送料軸保持速度同步，而轉(zhuǎn)到其它角度時(shí)，需要加速還是減速，取決于橫封軸固有長(zhǎng)度與產(chǎn)品長(zhǎng)度之間的大小關(guān)系，固有長(zhǎng)度的定義如圖5所示：

圖5 固有長(zhǎng)度的定義

根據(jù)固有長(zhǎng)度與產(chǎn)品長(zhǎng)度之間的關(guān)系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步角以外的角度時(shí)加減速控制要求入圖6所示：

圖6 橫封橫切軸控制速度要求

送膜軸：
　　帶動(dòng)包裝膜，夾運(yùn)，縱封軸，使包裝膜與包裝物同步，當(dāng)包裝薄膜上需要色標(biāo)定位時(shí)，必須在送膜軸的控制中加入糾偏，以防止滑差導(dǎo)致的累計(jì)誤差，保證橫切位置準(zhǔn)確如圖7：

圖7 正確的橫切位置

送膜軸的糾偏流程如圖8所示：

圖8 送膜軸的糾偏流程

送料軸：
　　按照一定的速度帶動(dòng)包裝物，把包裝物送入包裝膜中，物料間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開的，可以保證物料被送入包裝膜時(shí)位置的準(zhǔn)確性。但長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，其運(yùn)動(dòng)控制及糾偏的模式與送膜軸幾乎一致，只是檢測(cè)定位為信號(hào)采用了接近開關(guān)，與主軸同步跟隨的參數(shù)也會(huì)有所不同。

4. OMRON公司FQM1運(yùn)動(dòng)控制器的介紹以及在三伺服枕包機(jī)中的應(yīng)用

4.1 FQM1功能及特點(diǎn)描述
　　FQM1是OMRON的通用運(yùn)動(dòng)控制器，其特點(diǎn)就是可以進(jìn)行靈活、快速的運(yùn)動(dòng)控制，適合需要8軸以下伺服控制且同步協(xié)調(diào)或跟隨要求高的包裝機(jī)械,如：多伺服枕包機(jī)、連續(xù)式立包機(jī)、瓦楞紙生產(chǎn)線的送紙機(jī)構(gòu)、全伺服臥式包裝機(jī)等。
FQM1可實(shí)現(xiàn)的控制功能如表１所示：

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