賴(lài)國(guó)華

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

由于受到產(chǎn)業(yè)規(guī)模以及技術(shù)水平的限制，國(guó)內(nèi)有關(guān)全自動(dòng)熱收縮膜包裝機(jī)的研究尚處于起步階段，外國(guó)制造商制造的同類(lèi)型設(shè)備占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)此類(lèi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度較慢，精度較低，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。進(jìn)口的全自動(dòng)熱收縮膜包裝機(jī)工作效率可以穩(wěn)定在130包/min，可以連續(xù)工作，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備工作效率僅為60包/min，無(wú)法連續(xù)工作。為了提升國(guó)產(chǎn)包裝機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)人員嘗試開(kāi)發(fā)一款效率高、精度高、可持續(xù)工作的連續(xù)式熱收縮膜邊封包裝設(shè)備。

1 熱收縮膜邊封包裝機(jī)電氣系統(tǒng)配置

研究人員以7臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)裝置作為基礎(chǔ)，選擇一個(gè)搭載PLC集成模塊的運(yùn)動(dòng)控制裝置，作為上位控制器。此外，該設(shè)備還搭載了運(yùn)動(dòng)控制總線(xiàn)，并利用帶有人機(jī)交互界面的HMI作為該裝置的輸入設(shè)備，該設(shè)備中全部IO控制點(diǎn)均布置在內(nèi)嵌PLC芯片的運(yùn)動(dòng)控制裝備上，并沒(méi)有設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程IO控制裝置[1]。

該設(shè)備中，依靠以太網(wǎng)連接運(yùn)動(dòng)控制裝置以及HMI，在提高數(shù)字信息傳播效率的同時(shí)，盡可能避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題，提升信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。7臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)裝置借助SERCOSⅢ總線(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制裝置相連，目前工業(yè)領(lǐng)域中，同步實(shí)時(shí)總線(xiàn)的速度可以得到100M/s，因此在本設(shè)計(jì)中，工作人員選擇速度為100M/s的總線(xiàn)，提升包裝機(jī)的工作效率以及做工精度（如圖1所示）[2]。

圖1 熱收縮膜邊封包裝機(jī)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．1 運(yùn)動(dòng)控制裝置

通常情況下，內(nèi)嵌PLC控制芯片的運(yùn)動(dòng)控制裝置，其內(nèi)部的Motion運(yùn)動(dòng)功能與邏輯算法的控制相互分離。例如很多日系PLC控制模塊，就是采用卡板的方式，根據(jù)實(shí)際需求將對(duì)應(yīng)的PLC卡板插入對(duì)應(yīng)的卡槽，實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備的自動(dòng)化控制。這種設(shè)計(jì)方式的局限性在于不同的PLC模塊之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)與共享，需要在PLC模塊內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與運(yùn)算，效率較低。

因此，工作人員為了提升包裝機(jī)精度，選擇集成運(yùn)動(dòng)控制功能與PLC自動(dòng)化控制功能的運(yùn)動(dòng)控制裝置（如圖2所示）。該裝置搭載SERCOSⅢ型控制總線(xiàn)，同時(shí)搭載以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)與HMI以及上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。在軟件方面，該設(shè)備設(shè)計(jì)了符合CoEdSys標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，方面編程人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行包裝加工程序的編輯工作。此外，該程序兼容SFC時(shí)序圖、ST文本以及LD梯形圖等多種基礎(chǔ)的編程語(yǔ)言，使得工作人員能夠快速上手，選擇自己熟悉的編程方式[3]。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，該運(yùn)動(dòng)控制裝置的Ethenet接口（以太網(wǎng)接口）主要作用是與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并獲得獨(dú)立的IP地址。Sercos同步總線(xiàn)負(fù)責(zé)與處于下位的伺服驅(qū)動(dòng)裝置相連，控制伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。RS232接口負(fù)責(zé)對(duì)包裝機(jī)工作過(guò)程中突然出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)的診斷，并將診斷報(bào)告?zhèn)魉椭辽衔粰C(jī)以及HMI交互界面[4]。Profibus-DP端口主要負(fù)責(zé)連接各種拓展設(shè)備，增加運(yùn)動(dòng)控制裝置的功能。日后在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如果包裝機(jī)需要與其他機(jī)器進(jìn)行連接，可以利用該端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間的快速傳輸。此外，該運(yùn)動(dòng)控制裝置還搭載了一塊液晶屏幕，操作人員可以通過(guò)該屏幕，直觀的了解運(yùn)動(dòng)控制裝置的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，通過(guò)為該裝置綁定IP的方式，使運(yùn)維人員能夠快速鎖定故障部位，提升后期運(yùn)維工作效率。

運(yùn)動(dòng)控制器上搭載的CF卡槽有多種用途，插入CF卡之后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于運(yùn)動(dòng)指令以及設(shè)備運(yùn)行邏輯程序的存儲(chǔ)，并對(duì)控制裝置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行記錄。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置并沒(méi)有搭載CF卡槽，如果在工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)控制裝置突然受損或者失效，其內(nèi)部的邏輯控制程序以及各項(xiàng)工作參數(shù)就會(huì)丟失，無(wú)法及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)。而采用帶有CF卡槽的運(yùn)動(dòng)控制器就可以避免該問(wèn)題，如果控制器受損，只要CF卡未被損壞，只需要更換同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)控制器，插入CF卡之后就可以立刻恢復(fù)生產(chǎn)。

1．2 HMI界面

設(shè)計(jì)熱收縮膜邊封包裝機(jī)的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員為其加裝了一套可觸摸HMI設(shè)備。借助該設(shè)備，工作人員可以直觀讀取包裝機(jī)運(yùn)行參數(shù)，以及各項(xiàng)輔助設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)點(diǎn)擊HMI交互界面上的選擇按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)流程以及設(shè)備參數(shù)的調(diào)控。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①操作簡(jiǎn)便。可視化的操作系統(tǒng)，讓工作人員可以快速讀取有用的信息，節(jié)省人機(jī)交互時(shí)間。②縮小操作臺(tái)體積。采用HMI設(shè)備后，利用虛擬按鍵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)體按鈕，能夠顯著縮小操作臺(tái)的體積，使得該設(shè)備能夠在更為復(fù)雜的生產(chǎn)車(chē)間中得到推廣。③減少編程量。傳統(tǒng)的HMI操作界面要讓屏幕中的虛擬按鍵以及對(duì)話(huà)框起作用，編程人員需要事先對(duì)按鈕以及對(duì)話(huà)框進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如果設(shè)備功能復(fù)雜則需要很多HMI界面，每一個(gè)界面中都包含著大量具有特定功能的按鈕，編程人員需要逐一設(shè)計(jì)程序，工作流程非常繁瑣，且工作量巨大。而采用觸摸屏HMI界面，可以在不借助任何外部輸入設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，省去了大量編程工作[5]。

2 熱收縮膜邊封包裝機(jī)伺服運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

工作人員為包裝機(jī)配備了7臺(tái)伺服電機(jī)以及配套的驅(qū)動(dòng)裝置，每一個(gè)伺服電機(jī)均具有獨(dú)立的動(dòng)作邏輯以及運(yùn)行參數(shù)。在實(shí)際工作中，除了7臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)物，該系統(tǒng)還搭載了4個(gè)虛擬軸，內(nèi)嵌于運(yùn)動(dòng)控制裝置的運(yùn)動(dòng)邏輯框架中，其作用是協(xié)調(diào)軸與軸之間的動(dòng)作，令包裝機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的加工動(dòng)作，提升加工精度（如圖3所示）[6]。

圖3 伺服軸主從結(jié)構(gòu)

2．1 虛擬軸1

對(duì)于整臺(tái)包裝機(jī)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)而言，虛擬軸1是該系統(tǒng)的主軸，其他虛擬抽以及各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，都要與虛擬軸1保持協(xié)調(diào)。與傳統(tǒng)的實(shí)體軸相比，虛擬軸可控制性更高，其原因在于虛擬軸存在于運(yùn)動(dòng)控制裝置內(nèi)部，以虛擬的狀態(tài)存在，實(shí)際工作中不會(huì)受到外界因素的影響，因此可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，能夠有效提升主軸的精度，對(duì)于功能復(fù)雜且擁有眾多從屬軸的設(shè)備而言，主軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)能夠有效減少?gòu)膶佥S工作誤差，提升整臺(tái)設(shè)備的控制精度。

2．2 前端進(jìn)料1

該軸是整套系統(tǒng)中第一個(gè)實(shí)體軸，主要負(fù)責(zé)進(jìn)料工作，通過(guò)進(jìn)料1實(shí)體軸，將前一個(gè)生產(chǎn)模塊產(chǎn)品與物料輸送至包裝機(jī)操作平臺(tái)。同時(shí)，進(jìn)料軸1也是整臺(tái)設(shè)備關(guān)鍵的執(zhí)行軸。進(jìn)料1采用同步行進(jìn)模式，需要與主軸（虛擬軸1）保持同步動(dòng)作[7]。需要注意的是，主軸與進(jìn)料軸在位置關(guān)系上，要根據(jù)產(chǎn)品的尺寸以及規(guī)格進(jìn)行靈活調(diào)整，傳統(tǒng)的包裝操作平臺(tái)，需要通過(guò)人工調(diào)整的方式處理長(zhǎng)度不同的產(chǎn)品、物料，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)包裝。而搭載了電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的包裝機(jī)，借助工業(yè)照相機(jī)確定伺服電機(jī)的位置，同時(shí)計(jì)算相鄰待包裝產(chǎn)品之間的距離，將實(shí)際距離與系統(tǒng)中設(shè)定的距離值進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際距離值與設(shè)定值不符，則自動(dòng)進(jìn)行理料，確保相鄰待包裝產(chǎn)品之間的距離與設(shè)定距離值相等。

2．3 前端進(jìn)料2

前端進(jìn)料2也是實(shí)體軸，但其功能與前端進(jìn)料1存在顯著差異，其主要作用是將虛擬軸1傳送來(lái)的待包裝商品傳遞到下一個(gè)加工步驟。進(jìn)料2也采用同步運(yùn)動(dòng)模式，但其間距設(shè)計(jì)要在進(jìn)料1的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)產(chǎn)品長(zhǎng)度，與伺服軸相連的傳動(dòng)輥周長(zhǎng)，以及產(chǎn)品尺寸，決定了虛擬軸1與進(jìn)料2的位置關(guān)系。由于多出了一個(gè)產(chǎn)品長(zhǎng)度，因此在實(shí)際工作中，進(jìn)料2的轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)度要大于進(jìn)料1，為了保持傳動(dòng)工作平穩(wěn)進(jìn)行，進(jìn)料2實(shí)體軸的轉(zhuǎn)速要快于進(jìn)料1，通過(guò)這種方式將相鄰的待包裝產(chǎn)品分開(kāi)，在不出現(xiàn)打滑或者異常振動(dòng)的情況下，依靠?jī)蓚€(gè)實(shí)體軸的轉(zhuǎn)速差，就可以確保相鄰待打包產(chǎn)品之間的距離等于設(shè)定值，為后期收縮膜切封工作的穩(wěn)定進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

2．4 虛擬軸2

虛擬軸2的主要用途是清除包裝加工生產(chǎn)線(xiàn)上的空包，待包裝產(chǎn)品經(jīng)過(guò)進(jìn)料2運(yùn)送至拉膜工作單元的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)空包問(wèn)題。產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因是兩個(gè)進(jìn)料口不間斷輸送產(chǎn)品至包裝操作平臺(tái)，但是無(wú)法保證上一個(gè)工序生產(chǎn)的產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)缺損，如果不對(duì)空包進(jìn)行及時(shí)處理，會(huì)浪費(fèi)大量的包裝材料。此外，空包一旦被包膜切封，很容易混在商品中被轉(zhuǎn)運(yùn)至庫(kù)房，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)數(shù)量少于合同要求，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益以及聲譽(yù)造成負(fù)面影響，因此需要利用虛擬軸2剔除空包。工作人員在進(jìn)料2與虛擬軸之間安裝工業(yè)照相機(jī)，采用凸輪同步的方式運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整凸輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，確保凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與主軸保持一致[8]。

該系統(tǒng)配備了兩種不同的凸輪曲線(xiàn)，第一種凸輪曲線(xiàn)是按照1:1的比例設(shè)定虛擬軸1與虛擬軸2的位置，將凸輪曲線(xiàn)的斜率調(diào)整為1，確保在正常狀態(tài)下，待包裝貨物能夠順利從主軸傳遞至從屬軸。第二種凸輪曲線(xiàn)是在確保虛擬軸1與虛擬軸2位置比例1:1的基礎(chǔ)上，將虛擬軸2的位置控制在0，即停止虛擬軸2的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)這種方式避免將空包傳遞至拉膜環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空包過(guò)濾效果。

2．5 拉膜

拉膜軸為實(shí)體軸，其主要作用是進(jìn)行拉膜動(dòng)作，通過(guò)該軸將處于卷放狀態(tài)的包裝膜拉出，在產(chǎn)品行進(jìn)過(guò)程中將包裝膜覆蓋在產(chǎn)品表面。實(shí)際工作中，拉膜軸要根據(jù)實(shí)際情況選擇運(yùn)行或者停止，如果出現(xiàn)空包或者沒(méi)有產(chǎn)品就要及時(shí)停止拉膜動(dòng)作，等工業(yè)相機(jī)檢測(cè)到產(chǎn)品時(shí)再繼續(xù)進(jìn)行拉膜動(dòng)作。從位置關(guān)系上看，拉膜軸的主軸為虛擬軸2，因此在布置拉膜軸位置的時(shí)候，需要確保其與虛擬軸2同步。

2．6 虛擬軸3

虛擬軸3的功能是改變拉膜軸的位置，實(shí)際工作中，拉膜軸行進(jìn)軌跡并不固定，需要根據(jù)產(chǎn)品長(zhǎng)度以及空包等情況靈活調(diào)整。但是作為下層從軸的主軸，拉膜軸的周期長(zhǎng)度要保持固定，如果周期不固定，下層從屬軸的位置比例以及凸輪曲線(xiàn)就無(wú)法確定。因此，通過(guò)虛擬軸3對(duì)拉膜軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，再將調(diào)整好的位置參數(shù)傳輸至下層從屬軸，確保無(wú)論產(chǎn)品長(zhǎng)度是否改變，拉膜軸經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)重新回到初始位置。

2．7 物料輸送

物料輸送軸的主要功能是將覆蓋好包裝膜的產(chǎn)品傳送至X平臺(tái)，物料輸送軸的主軸是虛擬軸3，要根據(jù)間隔比例確定物料輸送軸位置。本次設(shè)計(jì)中，由于物料輸送軸位置比例與拉膜軸位置比例相同，因此考慮到設(shè)備成本以及后期運(yùn)維等因素，將該步驟省略，產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)拉膜環(huán)節(jié)之后，直接送入X平臺(tái)。

2．8 虛擬軸4

實(shí)際開(kāi)展包裝工作過(guò)程中，安裝在前端進(jìn)料2部位的工業(yè)相機(jī)與切刀之間的距離是固定的數(shù)值，但是產(chǎn)品的長(zhǎng)度經(jīng)常發(fā)生變化，想要確保切刀下落時(shí)處于相鄰兩個(gè)產(chǎn)品的中間位置，就要在產(chǎn)品傳送至X平臺(tái)且未進(jìn)行切封時(shí)，利用虛擬軸4進(jìn)行主軸偏置，使得產(chǎn)品在X平臺(tái)與切刀中間做小范圍的平移[9]。

2．9 物料輸出

物料輸出軸的主要功能，除了將包裝完畢的產(chǎn)品送離生產(chǎn)線(xiàn)，還要確保切刀在合適的位置下刀。產(chǎn)品包裹包裝膜運(yùn)送至X平臺(tái)之后，其表面的薄膜處于緊繃狀態(tài)，薄膜的周長(zhǎng)與周期產(chǎn)品的長(zhǎng)度相等，如果不對(duì)封刀位置進(jìn)行調(diào)整直接切封，就會(huì)出現(xiàn)包裝膜破損問(wèn)題，同時(shí)產(chǎn)品受到薄膜的拉扯，也會(huì)出現(xiàn)一定程度的位移（如圖4所示）[10]。

圖4 切封示意圖

為了避免這一問(wèn)題，需要利用物料輸出軸，在切刀下落進(jìn)行封口動(dòng)作之前，縮進(jìn)一小段距離，延長(zhǎng)產(chǎn)品包裝膜的長(zhǎng)度，當(dāng)切刀落下之后僅會(huì)封住封口，不會(huì)出現(xiàn)拉扯包裝膜的情況。

3 結(jié)論

為了解決國(guó)產(chǎn)熱收縮膜邊封包裝機(jī)工作效率低、無(wú)法連續(xù)工作的問(wèn)題，本文嘗試設(shè)計(jì)一種依托于電子自動(dòng)化系統(tǒng)的新型熱收縮膜邊封包裝機(jī)，利用配備的電子顯示屏以及CF卡槽的運(yùn)動(dòng)控制裝置連接7臺(tái)伺服電機(jī)，并配置HMI人機(jī)交互裝置，提升包裝機(jī)的可操控性以及自動(dòng)化水平。通過(guò)對(duì)主軸、進(jìn)料口、拉膜、出料口的設(shè)計(jì)，確保包裝機(jī)伺服運(yùn)動(dòng)的合理性，為提升包裝封口自動(dòng)化水平提供幫助。