張軍明　孫小杰　姚興圣

摘要：為了滿足現(xiàn)今自動包裝行業(yè)高生產(chǎn)效率的要求，研究并設(shè)計(jì)了輔助包裝機(jī)工作的整理機(jī)系統(tǒng)。本研究采用飛思卡爾DSP56F8037處理器為控制器，通過光電傳感器檢測物料狀態(tài)，進(jìn)而控制變頻器以及伺服電機(jī)的動作，使物料可以均勻、高效地進(jìn)入包裝機(jī)完成包裝。通過測試，驗(yàn)證了該方案的有效性，極大提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：整理機(jī)；數(shù)字信號處理器；光電傳感器；伺服電機(jī)

中圖分類號：TP278文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to satisfy todays high efficiency requirements in automatic packaging industry，this paper designed a finishing machine system to assist the work of packaging machines.This design used a Freescale DSP as a controller，used photoelectric sensors to detect the state of material.By the single，DSP controls the frequency converter and servo motors movements to make sure the material can be evenly and efficiently into the packaging machine to complete the package.Through the test，the validity of the design is possible and it can improve the production efficiency greatly.

Key words：finishing machine；DSP；photoelectric sensor；servo motor

1引言

整理機(jī)是一種輔助包裝機(jī)工作的配套設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，正在廣泛應(yīng)用于機(jī)械、礦業(yè)、印刷以及制造業(yè)等各行各業(yè)中[1-2]，但是在各個行業(yè)中均不同程度的存在生產(chǎn)工藝落后、生產(chǎn)效率低下的問題[3]。

現(xiàn)階段，物料進(jìn)入包裝機(jī)之前的整理過程大部分是由人手工完成。手工作業(yè)，一方面無法達(dá)到較快的速度，另一方面包裝產(chǎn)品存在空包、漏包的現(xiàn)象，同時(shí)由于包裝機(jī)的撥叉機(jī)構(gòu)為機(jī)械構(gòu)件，很容易造成人員打傷[4]?，F(xiàn)有的自動整理機(jī)一般功能為把包裝好的或未包裝的產(chǎn)品進(jìn)行排序、列隊(duì)，僅僅是把物料進(jìn)行簡單排列，方便人工裝箱、裝袋，無法實(shí)現(xiàn)定間距排列，從而無法實(shí)現(xiàn)后期的自動化處理[5]。本設(shè)計(jì)根據(jù)用戶對自動包裝機(jī)高生產(chǎn)效率的要求，將微機(jī)編程、變頻調(diào)速等技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)中[6]，同時(shí)應(yīng)用了光電傳感技術(shù)，本系統(tǒng)可對包裝材料在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的誤差及時(shí)發(fā)現(xiàn)同時(shí)準(zhǔn)確的給予補(bǔ)償和糾正，避免了包裝材料的浪費(fèi)。開發(fā)了自動整理機(jī)專用運(yùn)動控制程序，實(shí)現(xiàn)了物料整理的自動化、定間距、高效率。通過實(shí)際運(yùn)行測試，該系統(tǒng)極大地提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了最大利潤[7]。

2整理機(jī)的基本原理

21整理機(jī)基本組成

整理機(jī)由控制單元、光電檢測單元和電機(jī)傳動單元三部分組成，組成如圖1所示。主控部分主要由DSP56F8037控制[8]，光電檢測部分由光電傳感器組成，電機(jī)傳動部分主要由xilin EH600A變頻器和兩個OMRON R88D-G系列伺服電機(jī)控制系統(tǒng)組成[9]。

22整理機(jī)的工作原理

系統(tǒng)啟動后，當(dāng)沒有物料時(shí)，光電傳感器信號處于低電平，當(dāng)有物料觸發(fā)光電傳感器時(shí)，信號由低電平變換為高電平。當(dāng)有物料進(jìn)入第一級并觸發(fā)光電傳感器1時(shí)，DSP接收并處理電平變化信號，計(jì)算出物料之間的間距，并控制軸3變頻器PWM模值輸出，調(diào)節(jié)第一級的速度。當(dāng)物料觸發(fā)傳感器2時(shí)，DSP控制軸2伺服電機(jī)加速，使物料緊密的排列在第三級的傳動帶上。第三級與第四級由同一個伺服電機(jī)控制，但是機(jī)械傳動比不同，從而可以使物料在第四級上具有相等的間距。光電傳感器3觸發(fā)，說明物料即將進(jìn)入包裝機(jī)撥叉。光電傳感器4可以檢測包裝機(jī)撥叉運(yùn)行位置及速度，并將檢測到的信號與DSP通訊。DSP進(jìn)而控制軸1加速、減速或者勻速，從而使物料到達(dá)撥叉時(shí)恰好處于兩撥叉之間，實(shí)現(xiàn)整理機(jī)的作用。

3整理機(jī)的軟件系統(tǒng)

31軟件設(shè)計(jì)原理

包裝機(jī)的撥叉長度一般可進(jìn)行調(diào)節(jié)。但在包裝一種物品時(shí)其長度 lab為一定值。同一種商品的外觀尺寸也是一定的，即物料長度lw也為一定值。

另外，光電傳感器3距離光電傳感器4的距離根據(jù)包裝機(jī)的要求，距離與撥叉距離lab相同。為第四級調(diào)速留下空間。

為了使物料CD進(jìn)入撥叉時(shí)不被撥叉碰到，必須使物料前端C在到達(dá)撥叉時(shí)，距離撥叉腳A的距離（CA）為0～（lab-lw）之間。

設(shè)備初始化完成后，開機(jī)運(yùn)行，在無物料的情況下（即不需要調(diào)速），系統(tǒng)通過檢測光電傳感器4連續(xù)兩次被觸發(fā)的時(shí)間間隔T，計(jì)算出撥叉的速度Vb，假設(shè)整理機(jī)第四級速度為V4，所以存在等式：

V4=Vb=labT（1）

調(diào)速過程類似于同向追擊運(yùn)動。從物料前端觸發(fā)傳感器3的一刻開始，到撥叉與物料最后同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)位置即AC之間任意一點(diǎn)截止。

當(dāng)傳感器3被觸發(fā)的時(shí)刻，距離下一次光電傳感器4被觸發(fā)還要經(jīng)過時(shí)間為t的一段時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)，撥叉運(yùn)行的距離Lab為：

Lab=Vb*t（2）

當(dāng)Lab≥lw時(shí)，第四級速度不變。

當(dāng)0

當(dāng)0.5lw

減速、加速過程是一個加速度不變的勻加速或勻減速過程。

當(dāng)減速時(shí)：物料運(yùn)行的距離不變?yōu)閘ab，時(shí)間增加t，所以存在等式：

lab=V4*（T+t）+12a（T+t）2（3）

當(dāng)加速時(shí)：物料運(yùn)行的距離不變?yōu)閘ab，時(shí)間減少t，所以存在等式：

lab=V4*（T-t）+12a（T-t）2 （4）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的變化，經(jīng)過DSP處理，發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)軸1的PWM輸出來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)第四級的變速功能，使物料能夠順利進(jìn)入包裝機(jī)撥叉，實(shí)現(xiàn)整理機(jī)的作用和功能。

32軟件系統(tǒng)環(huán)境

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在Freescale 56F800/E系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境——Metrowerks Codewarrior軟件中開發(fā)的。采用C語言編寫，包括系統(tǒng)初始化、錯誤檢測、處理和接收串口命令、DSP控制電機(jī)動作部分等幾部分。

33軟件系統(tǒng)組成

331系統(tǒng)初始化

程序啟動時(shí)，首先進(jìn)行內(nèi)核初始化，內(nèi)核初始化完成并無誤后進(jìn)行硬件的初始化和系統(tǒng)參數(shù)初始化。硬件初始化包括初始化：GPIO口初始化，編碼器清零；定時(shí)器TA0初始化；軸1、軸2、軸3的初始化。系統(tǒng)參數(shù)初始化包括：物料長度的初始化、計(jì)時(shí)器的初始化、連接軸1、2的伺服電機(jī)的開啟等。

332錯誤檢測

完成之前的初始化，如果有錯誤則系統(tǒng)報(bào)警，排除錯誤后，系統(tǒng)處理來自串口的命令，得到系統(tǒng)開車、停車以及包裝速度等的指令，然后經(jīng)串口SCI0發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)的電機(jī)工作，控制電機(jī)部分動作，完成整理機(jī)的工作。

333處理和接受串口命令

本部分DSP通過對信號的檢測和處理，為DSP控制電機(jī)的運(yùn)行提供必要的支持。

334DSP控制電機(jī)動作

采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，DSP控制軸系統(tǒng)的速度變化，進(jìn)而完成物料均勻進(jìn)入撥叉的目的。

（1）初始化APP_INIT（0x01）狀態(tài)

初始化APP_INIT（0x01）狀態(tài)是在接收到串口發(fā)送的開始命令后，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行初始化計(jì)算，計(jì)算三個軸的速度。當(dāng)傳感器處有物料時(shí)，電機(jī)直接進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)傳感器處沒有物料時(shí)，DSP計(jì)算完電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速后切換到等待狀態(tài)，等待新命令的輸入啟動相應(yīng)的電機(jī)。

（2）等待APP_WAITING（0x02）狀態(tài)

根據(jù)接收到的串口命令，系統(tǒng)初始化完成后，如果串口命令是使系統(tǒng)進(jìn)入Waiting狀態(tài)，則將新的初始化參數(shù)寫入到FLASH中。

（4）RUN_RUN狀態(tài)流程圖

系統(tǒng)啟動后，當(dāng)有物料進(jìn)入第一級并觸發(fā)光電傳感器1時(shí)，DSP接收并處理電平變化信號，計(jì)算出物料之間的間距，并控制軸3變頻器PWM模值輸出，調(diào)節(jié)第一級的速度。當(dāng)物料觸發(fā)傳感器2時(shí)，DSP控制軸2伺服電機(jī)加速，使物料緊密的排列在一起。第三級與第四級由同一個伺服電機(jī)控制，但是機(jī)械傳動比不同，從而可以使物料在第四級上具有相等的間距。當(dāng)物料到達(dá)并觸發(fā)光電傳感器3時(shí)，DSP與包裝機(jī)通訊，獲取撥叉的位置，并調(diào)節(jié)軸1加速、減速或者勻速，從而使物料到達(dá)撥叉時(shí)恰好處于兩撥叉之間，實(shí)現(xiàn)整理機(jī)的作用。

在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收DSP發(fā)出的位置指令信號（脈沖和方向），送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機(jī)實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同。比較后的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。位置控制精度由光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。

4結(jié)論

本研究給出的整理機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，極大提高了自動化生產(chǎn)前期的準(zhǔn)備工作效率，同時(shí)，利用變頻器和伺服電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了無極變速。同時(shí)可滿足各種長度，各種形狀的物品包裝需求，對物料進(jìn)行了初級等間距、高速度預(yù)整理，在食品包裝方面，例如袋裝方便面的包裝，有極大作用。

通過整理機(jī)的實(shí)際運(yùn)行，整理速度可穩(wěn)定在200件/分鐘左右，相比人工或現(xiàn)有自動整理機(jī)效率有極大提高。

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[8]Data Sheet of Freescale DSP56F8037[OL].http：//www.freescale.com/.

[9]EH600A系列中英文手冊[OL].http：//www.dlsanji.com.endprint