CAM技術(shù)在柔性熱收縮薄膜包裝機(jī)上的應(yīng)用

來源： 2007年02月06日 09:14

摘要：本文介紹了貝加萊伺服控制系統(tǒng)電子凸輪原理，并結(jié)合實(shí)際熱收縮薄膜包裝機(jī)的工作原理，描述了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案，分析了柔性加工的特點(diǎn)。

1．前言
　　隨著國(guó)家對(duì)安全環(huán)保的要求提高，禁止對(duì)啤酒瓶等玻璃制品采用編織帶捆扎包裝運(yùn)輸，以降低對(duì)接觸人員的傷害，同時(shí)以往飲料行業(yè)的包裝采用紙箱或周轉(zhuǎn)箱的方式，成本較高，回收困難，于是新型的熱收縮薄膜包裝機(jī)成為理想的選擇。
　　目前，市場(chǎng)上的熱收縮薄膜包裝機(jī)主要有進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)兩大類型，從控制電機(jī)上可分為七軸，五軸，四軸（伺服電機(jī)）方式。由于多數(shù)飲料啤酒廠家要求生產(chǎn)多種規(guī)格產(chǎn)品，瓶子的圓徑有64，66，68，75mm之多，高度從168，210，240，290mm不等，包裝數(shù)目有3X3，3X4，6X3，6X4…等各種排列方式。如何使用一臺(tái)設(shè)備滿足多個(gè)品種不同批量柔性化包裝的需求，成為生產(chǎn)廠商zui關(guān)心的問題。針對(duì)以上實(shí)際要求，控制技術(shù)上現(xiàn)多采用CAM（電子凸輪）來實(shí)現(xiàn)。本文就以寶雞新科機(jī)械制造有限公司XKBS-70C機(jī)器為例介紹貝加萊伺服產(chǎn)品CAM技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。

2.控制原理
　　包裝機(jī)器的電氣控制全套采用了貝加萊控制器PP41，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)ACOPOS，結(jié)合編程軟件Automaton Studio，設(shè)計(jì)上以推瓶電機(jī)作為傳動(dòng)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分瓶電機(jī)和送切膜電機(jī)作為跟隨從電機(jī)。在每個(gè)包裝過程中，推瓶桿推出一組瓶子完成一次包裝，推瓶電機(jī)的位置反映出包裝周期的位置數(shù)據(jù)。在每個(gè)包裝周期內(nèi)，送切膜電機(jī)，分瓶電機(jī)1，2同推瓶電機(jī)的位置有一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系，根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器的動(dòng)作進(jìn)行控制。應(yīng)用CAM電子凸輪技術(shù)實(shí)現(xiàn)多軸同步運(yùn)行，從軸耦合主軸位置運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到包裝的目的。

2.1 分瓶電機(jī)設(shè)計(jì)要求
　　在熱縮膜包裝機(jī)中，包裝段的瓶傳送通過主驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳送，兩個(gè)分瓶電機(jī)的傳送鏈上，分別裝有等距離的兩組擋瓶爪，兩個(gè)電機(jī)快慢交替運(yùn)行，將排列整齊的瓶子分成預(yù)定的瓶組，通過主驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳送到下一個(gè)工位。根據(jù)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)（推瓶電機(jī)）的運(yùn)動(dòng)位置，分瓶電機(jī)按照運(yùn)動(dòng)曲線與推瓶電機(jī)同步運(yùn)行，作為推瓶電機(jī)的從機(jī)，有規(guī)律交替快慢運(yùn)行，進(jìn)行主從同步運(yùn)行，在一個(gè)推瓶周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一次分瓶過程。

2.2 送切膜電機(jī)設(shè)計(jì)要求
　　根據(jù)推瓶電機(jī)每推出的一組瓶子，送切膜電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)該瓶組的裹膜包裝，通常情況下，可以用曲線的三段變化實(shí)現(xiàn)，A段為瓶底下后半部壓膜的長(zhǎng)度，B段為裹膜和瓶底下前半部壓膜的長(zhǎng)度，C段為將膜切斷后，將膜送到膜出口的長(zhǎng)度，保證下次膜順利導(dǎo)出。A段運(yùn)行的位置要求為送切膜電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置和推瓶電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置相等，即主電機(jī)與送切膜電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離一致，保證送出的膜與瓶組移動(dòng)位置的1：1關(guān)系。B段中送膜速度比較快，保證導(dǎo)膜桿順利地把膜裹在包裝產(chǎn)品上。C段為低速出膜結(jié)束過程。

　　CAM同步控制是熱縮膜包裝機(jī)的控制系統(tǒng)特點(diǎn)，伺服電機(jī)之間的主從同步數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸，多個(gè)從軸耦合一個(gè)主軸的位置實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)動(dòng)，提高了控制速度和控制精度。同步運(yùn)動(dòng)控制不需要PP41實(shí)時(shí)控制。
操作員在PP41上可以方便地編制凸輪曲線，通過現(xiàn)場(chǎng)總線下載到伺服驅(qū)動(dòng)器中，同時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)，傳送伺服電機(jī)的開關(guān)命令，顯示主從軸位置速度，對(duì)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的扭矩電流溫度等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.貝加萊CAM電子凸輪原理

　　通常情況下，多軸運(yùn)動(dòng)的位置關(guān)系選定其中的某個(gè)軸作為主軸，其他的軸作為從軸，在一定的周期內(nèi)，根據(jù)主軸運(yùn)動(dòng)的位置，從軸的位置實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的變化，可以是直線關(guān)系，也可以是曲線關(guān)系。
　　圖示中，主軸因子為主軸在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位置，從軸因子為從軸在相應(yīng)的周期內(nèi)耦合主軸位置相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的曲線位置。可以是直線y=k*x，也可以是各種曲線關(guān)系。復(fù)雜關(guān)系曲線根據(jù)實(shí)際需要可以做到zui多6次方變化的關(guān)系
y = a + b x + c x2 + d x3 + e x4 + f x5 + g x6。

3.1 電子凸輪的控制流程
電子凸輪的控制流程由狀態(tài)和事件兩部分組成。
（1）狀態(tài)
狀態(tài)0 （基本）
　　在開始CAM曲線流程后，通常進(jìn)入狀態(tài)0，該狀態(tài)僅執(zhí)行一些曲線過渡的位置處理，可以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)化到其他狀態(tài)中。
一般情況下，可以在主軸運(yùn)動(dòng)到某個(gè)特定的位置后啟動(dòng)CAM曲線進(jìn)行多軸同步運(yùn)行。
狀態(tài) 1...11（耦合）

　　在一個(gè)CAM流程里，zui多可以有11個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都可以設(shè)定一個(gè)特殊凸輪曲線。使用狀態(tài)索引號(hào)1…11選擇進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)中去，如果使用一個(gè)1:1的CAM直線，輸入0XFFFF狀態(tài)索引號(hào)即可。
　　從一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到別的狀態(tài)中時(shí)，可根據(jù)需要對(duì)過渡的拐點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償曲線設(shè)定，實(shí)現(xiàn)軟轉(zhuǎn)化，避免剛性沖擊。補(bǔ)償曲線的計(jì)算在不同的狀態(tài)中是可以不一樣的。
　　要從CAM流程的一個(gè)狀態(tài)中跳轉(zhuǎn)到別的狀態(tài)中，需要一個(gè)特殊事件的觸發(fā)來激活，如果主軸達(dá)到設(shè)定的CAM曲線相應(yīng)的主周期終點(diǎn)位置后，仍然沒有任何事件來進(jìn)行觸發(fā)，CAM曲線將自動(dòng)在本狀態(tài)內(nèi)重復(fù)運(yùn)行。
（2）事件
　　每個(gè)狀態(tài)zui多支持四個(gè)不同的事件，如果在同一時(shí)刻，有多個(gè)事件進(jìn)行觸發(fā)，事件的索引號(hào)決定相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)別。（事件0級(jí)別高于事件1,依次類推E0>E1>E2>E3）
對(duì)于每個(gè)事件，在不同的狀態(tài)中可以定義為不同情況。
事件類型
類型說明
NcOFF 無事件
ncS_START 在主軸運(yùn)動(dòng)到位置后執(zhí)行
ncST_END 在設(shè)定的主軸達(dá)到正向終點(diǎn)位置后執(zhí)行
ncST_END + ncNEGATIVE 在設(shè)定的主軸達(dá)到負(fù)向終點(diǎn)位置后執(zhí)行
NcCOUNT 達(dá)到狀態(tài)循環(huán)的次數(shù)后執(zhí)行.
NcSIGNAL1,2,3,4 軟件信號(hào)1，2，3，4來觸發(fā)
NcTRIGGER1,2 + ncP_EDGE or ncN_EDGE 硬件信號(hào)1，2加上升下降沿電平來觸發(fā)
事件屬性
需要每個(gè)事件的屬性，具體說明每個(gè)事件觸發(fā)后執(zhí)行的時(shí)間。

屬性說明
ncAT_ONCE 轉(zhuǎn)換立即執(zhí)行
ncST_END 轉(zhuǎn)換在狀態(tài)結(jié)束后執(zhí)行

3．2系統(tǒng)控制方案
（1）熱收縮薄膜包裝機(jī)分瓶電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可以用以下三個(gè)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)其控制。

　　在更換包裝產(chǎn)品的種類時(shí)，僅需要改變狀態(tài)1和狀態(tài)2之間的位置差，即分瓶位置發(fā)生變化，主軸無須任何變動(dòng)，實(shí)際上改變從軸因子，即可方便地實(shí)現(xiàn)。兩段直線之間的拐點(diǎn)過渡可以設(shè)置補(bǔ)償區(qū)間來緩和.
（2）熱收縮薄膜包裝機(jī)送切膜電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可以用以下兩個(gè)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)其控制。
曲線的生成可以使用貝加萊Automation Studio軟件實(shí)現(xiàn)，可以輸入坐標(biāo)值自動(dòng)生成，也可人為手動(dòng)修改曲線。

　　在更換包裝產(chǎn)品的種類時(shí)，僅需要改變包裝膜的長(zhǎng)度，即送切膜的運(yùn)動(dòng)距離發(fā)生變化，實(shí)際上改變從軸因子，即可方便地實(shí)現(xiàn)。包裝的快慢通過改動(dòng)主軸因子實(shí)現(xiàn).

3．3系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
（1）CAM凸輪設(shè)計(jì)容易應(yīng)用，直線曲線實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活；
（2）生成CAM曲線保存在PP41控制器上，更換伺服驅(qū)動(dòng)器不受影響；
（3）生產(chǎn)中在線更換包裝曲線迅速方便；
（4）用戶擁有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)；
（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性；
（6）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展升級(jí)。

4．結(jié)束語
　　以貝加萊CAM電子凸輪技術(shù)為基礎(chǔ)的熱收縮薄膜包裝機(jī)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家得到廣泛應(yīng)用，包裝速度實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)整，包裝規(guī)格可以實(shí)時(shí)在線修改。實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果，得到了用戶的廣泛好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：
[1]張有良熱收縮膜包裝機(jī)的電氣控制 <包裝和食品機(jī)械> 2003.2
[2]張奔 ACOPOS在熱收鎖薄膜包裝機(jī)的應(yīng)用 <制造業(yè)自動(dòng)化> 2003.8

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