热收缩膜包装机的工作原理及软件设计方案

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摘要：本文介绍了贝加莱伺服控制系统电子凸轮原理，并结合实际热收缩薄膜包装机的工作原理，描述了系统软件设计方案，分析了柔性加工的特点。

1．前言

　　随着国家对安全环保的要求提高，禁止对啤酒瓶等玻璃制品采用编织带捆扎包装运输，以降低对接触人员的伤害，同时以往饮料行业的包装采用纸箱或周转箱的方式，成本较高，回收困难，于是新型的热收缩薄膜包装机成为理想的选择。

　　目前，市场上的热收缩薄膜包装机主要有进口和国产两大类型，从控制电机上可分为七轴，五轴，四轴（伺服电机）方式。由于多数饮料啤酒厂家要求生产多种规格产品，瓶子的圆径有64，66，68，75mm之多，高度从168，210，240，290mm不等，包装数目有3X3，3X4，6X3，6X4…等各种排列方式。如何使用一台设备满足多个品种不同批量柔性化包装的需求，成为生产厂商最关心的问题。针对以上实际要求，控制技术上现多采用CAM（电子凸轮）来实现。本文就以宝鸡新科机械制造有限公司XKBS-70C机器为例介绍贝加莱伺服产品CAM技术的应用特点。

2.控制原理

　　包装机器的电气控制全套采用了贝加莱控制器PP41，伺服驱动电机ACOPOS，结合编程软件Automaton Studio，设计上以推瓶电机作为传动主驱动电机，分瓶电机和送切膜电机作为跟随从电机。在每个包装过程中，推瓶杆推出一组瓶子完成一次包装，推瓶电机的位置反映出包装周期的位置数据。在每个包装周期内，送切膜电机，分瓶电机1，2同推瓶电机的位置有一一对应的数据关系，根据对应的数据对机器的动作进行控制。应用CAM电子凸轮技术实现多轴同步运行，从轴耦合主轴位置运动，从而达到包装的目的。
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8 e( M2 u; i7 b  i" v: |2.1 分瓶电机设计要求
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　　在热缩膜包装机中，包装段的瓶传送通过主驱动电机传送，两个分瓶电机的传送链上，分别装有等距离的两组挡瓶爪，两个电机快慢交替运行，将排列整齐的瓶子分成预定的瓶组，通过主驱动电机传送到下一个工位。根据主驱动电机（推瓶电机）的运动位置，分瓶电机按照运动曲线与推瓶电机同步运行，作为推瓶电机的从机，有规律交替快慢运行，进行主从同步运行，在一个推瓶周期内，实现一次分瓶过程。
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2.2 送切膜电机设计要求

　　根据推瓶电机每推出的一组瓶子，送切膜电机实现对该瓶组的裹膜包装，通常情况下，可以用曲线的三段变化实现，A段为瓶底下后半部压膜的长度，B段为裹膜和瓶底下前半部压膜的长度，C段为将膜切断后，将膜送到膜出口的长度，保证下次膜顺利导出。A段运行的位置要求为送切膜电机运动位置和推瓶电机运动位置相等，即主电机与送切膜电机的运动距离一致，保证送出的膜与瓶组移动位置的1：1绝对关系。B段中送膜速度比较快，保证导膜杆顺利地把膜裹在包装产品上。C段为低速出膜结束过程。http://www.98jx.com/UploadPic/200786/200786212821123.gif
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% j, ?  Z1 R7 b3 O  {　　CAM同步控制是热缩膜包装机的控制系统特点，伺服电机之间的主从同步数据通过现场总线传输，多个从轴耦合一个主轴的位置实现相互联动，提高了控制速度和控制精度。同步运动控制不需要PP41实时控制。

( c8 `$ j) T1 Z# }操作员在PP41上可以方便地编制凸轮曲线，通过现场总线下载到伺服驱动器中，同时修改系统参数，传送伺服电机的开关命令，显示主从轴位置速度，对驱动器内部的扭矩电流温度等状态进行监测。
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2 S' v/ t. p1 J$ O- D) F4 n* b: e, a3.贝加莱CAM电子凸轮原理
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$ H. _: U# {! U' o( e　　通常情况下，多轴运动的位置关系选定其中的某个轴作为主轴，其他的轴作为从轴，在一定的周期内，根据主轴运动的位置，从轴的位置实现相应的变化，可以是直线关系，也可以是曲线关系。
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　　图示中，主轴因子为主轴在一个周期内运动的位置，从轴因子为从轴在相应的周期内耦合主轴位置相应运动的曲线位置。可以是直线y=k*x，也可以是各种曲线关系。复杂关系曲线根据实际需要可以做到最多6次方变化的关系
y = a + b x + c x2 + d x3 + e x4 + f x5 + g x6。
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. J$ s. g  O# c1 _3.1 电子凸轮的控制流程

电子凸轮的控制流程由状态和事件两部分组成。

# `7 r6 [% N* Z* A( d（1）状态

状态0 (基本)

8 q9 o4 K, d, X: ^* \# z　　在开始CAM曲线流程后，通常进入状态0，该状态仅执行一些曲线过渡的位置处理，可以进行各种转化到其他状态中。
' }4 F# a1 [" g9 I一般情况下，可以在主轴运动到某个特定的位置后启动CAM曲线进行多轴同步运行。

状态 1...11（耦合）
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. N3 k1 c5 ?! i3 \# X/ J　　在一个CAM流程里，最多可以有11个状态，每个状态都可以设定一个特殊凸轮曲线。使用状态索引号1…11选择进入相应的状态中去，如果使用一个1:1的CAM直线，输入0XFFFF状态索引号即可。

　　从一个状态跳转到别的状态中时，可根据需要对过渡的拐点进行补偿曲线设定，实现软转化，避免刚性冲击。补偿曲线的计算在不同的状态中是可以不一样的。
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　　要从CAM流程的一个状态中跳转到别的状态中，需要一个特殊事件的触发来激活，如果主轴达到设定的CAM曲线相应的主周期终点位置后，仍然没有任何事件来进行触发，CAM曲线将自动在本状态内重复运行。
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（2）事件

　　每个状态最多支持四个不同的事件，如果在同一时刻，有多个事件进行触发，事件的索引号决定相应的优先级别。（事件0级别高于事件1,依次类推E0>E1>E2>E3）
对于每个事件，在不同的状态中可以定义为不同情况。
8 S& ~* y+ _' p* d# [事件类型
" y) y2 y6 S7 ~8 L! H; p& I0 L! g类型 说明
! V) m: I5 b3 ?, {5 [NcOFF 无事件
" `! S: n5 w) [. f- G6 H) ZncS_START 在主轴运动到指定位置后执行
ncST_END 在设定的主轴达到正向终点位置后执行
- g4 X& V% c8 |, Y$ TncST_END + ncNEGATIVE 在设定的主轴达到负向终点位置后执行
NcCOUNT 达到状态循环的次数后执行.
NcSIGNAL1,2,3,4 软件信号1，2，3，4来触发
NcTRIGGER1,2 + ncP_EDGE or ncN_EDGE 硬件信号1，2加上升下降沿电平来触发
事件属性
需要指定每个事件的属性，具体说明每个事件触发后执行的时间。
/ J0 Y) p, Y  I+ m
0 i! s: b0 o8 ^! F/ i属性 说明
8 j7 O  C8 O# k; h5 \5 CncAT_ONCE 转换立即执行
' _3 X% d$ ~* q) k8 Y  y1 pncST_END 转换在状态结束后执行

3．2系统控制方案
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(1)热收缩薄膜包装机分瓶电机的运动，可以用以下三个状态来实现其控制。
, ^9 X% b$ R* t& n# D9 M

http://www.98jx.com/UploadPic/200786/200786212821518.gif 　　在更换包装产品的种类时，仅需要改变状态1和状态2之间的位置差，即分瓶位置发生变化，主轴无须任何变动，实际上改变从轴因子，即可方便地实现。两段直线之间的拐点过渡可以设置补偿区间来缓和. (2)热收缩薄膜包装机送切膜电机的运动，可以用以下两个状态来实现其控制。 曲线的生成可以使用贝加莱Automation Studio专用软件实现，可以输入坐标值自动生成，也可人为手动修改曲线。 http://www.98jx.com/UploadPic/200786/200786212821897.gif , O! l, I  ~, j　　在更换包装产品的种类时，仅需要改变包装膜的长度，即送切膜的运动距离发生变化，实际上改变从轴因子，即可方便地实现。包装的快慢通过改动主轴因子实现. ; a+ u# S* l) C5 U http://www.98jx.com/UploadPic/200786/200786212821289.gif 3．3系统优点 + c& t0 t/ b- t" F （1）CAM凸轮设计容易应用，直线曲线实现简单灵活； （2）生成CAM曲线保存在PP41控制器上，更换伺服驱动器不受影响； （3）生产中在线更换包装曲线迅速方便； ! A0 }" s1 N" @2 O2 v' o( d（4）用户拥有高度的系统集成主动权； （5）提高了系统的准确性与可靠性； （6）设计简单，易于扩展升级。 / H2 Q  Q. u, W8 u ! M# r0 |' w* C' E4．结束语 ! H. \5 r/ f  F 　　以贝加莱CAM电子凸轮技术为基础的热收缩薄膜包装机已在国内多个厂家得到广泛应用，包装速度实现了无级调整，包装规格可以实时在线修改。实际生产中取得了良好的经济效果，得到了用户的广泛好评。

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好文章值得学习参考。谢谢楼主！