劉清茂 王立松 林琳 王丙延

摘 要 針對(duì)某八列三邊封制袋機(jī)技改項(xiàng)目，提出用往復(fù)式定長(zhǎng)拖拽替換原飛剪的技術(shù)路線。該技術(shù)方案通過(guò)使用伺服速度/位置切換功能配合卷膜自動(dòng)收放系統(tǒng)以及卷膜恒張力控制裝置，可實(shí)現(xiàn)單伺服驅(qū)動(dòng)往復(fù)式定長(zhǎng)拖拽制袋功能。項(xiàng)目改造完成后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞 單伺服控制 三邊封制袋機(jī) 混合控制模式 控制器參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào) TP273? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）03?0376?04

作者簡(jiǎn)介：劉清茂（1987-），工程師，從事工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用、自動(dòng)控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作，594825029@qq.com。

引用本文：劉清茂，王立松，林琳，等.一種單伺服驅(qū)動(dòng)的制袋機(jī)速度位置控制方法［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（3）：376-378；395.

制袋機(jī)是制作塑料（或其他材料）包裝袋的包裝機(jī)械裝置。新一代全自動(dòng)多功能多制式制袋機(jī)整機(jī)具備顯著的多兼容性、高效和高性價(jià)比特征［1］，其主要利用塑料的熱塑原理，經(jīng)牽引、送料、燙壓、熱封及切割等加工工藝，將印刷好的薄膜制成包裝袋，目前廣泛應(yīng)用于輕化工、食品包裝等領(lǐng)域［2］。

近年來(lái)，我國(guó)塑料軟包裝復(fù)合制袋機(jī)的市場(chǎng)需求猛增，因此提高制袋效率，滿足化工、醫(yī)藥、食品等產(chǎn)業(yè)對(duì)包裝袋的需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?？v觀國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的全自動(dòng)化三邊封制袋機(jī)設(shè)備，其最主要的競(jìng)爭(zhēng)是設(shè)備工作效率的競(jìng)爭(zhēng)，即高速、高效的競(jìng)爭(zhēng)。因此，提高復(fù)合薄膜的制袋速度、實(shí)現(xiàn)高速高效作業(yè)和節(jié)能降耗已成為制袋機(jī)行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)［2］。筆者在原八列三邊封制袋機(jī)的基礎(chǔ)上通過(guò)改變?cè)O(shè)備的控制模式、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)，來(lái)達(dá)到提高設(shè)備生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 設(shè)備組成與工藝流程

全自動(dòng)三邊封制袋機(jī)（圖1）主要由放料機(jī)構(gòu)、恒張力控制與儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)、縱切與邊緣糾偏機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)、縱封機(jī)構(gòu)、橫封與拖拽機(jī)構(gòu)、打碼、切易撕口及橫切等功能機(jī)構(gòu)組成［3］。

三邊封制袋機(jī)具體工藝流程（圖2）為：將卷膜安裝到氣漲軸上并調(diào)整好位置，將膜按照機(jī)構(gòu)圖中的卷膜運(yùn)行方向穿過(guò)各功能機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)啟動(dòng)后溫度控制系統(tǒng)將首先對(duì)橫封和縱封加熱塊進(jìn)行加熱，待熱封溫度到達(dá)設(shè)定值后，系統(tǒng)初始化，橫封機(jī)構(gòu)先回到原點(diǎn)，然后橫封氣缸夾緊膜向下移動(dòng)，待色標(biāo)傳感器檢測(cè)到色標(biāo)后，橫封機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)切換運(yùn)行模式運(yùn)行固定的長(zhǎng)度，定位完成后松開(kāi)橫封氣缸并返回原點(diǎn)；待外部設(shè)備（上、下料等）具備運(yùn)行條件后，啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)放料機(jī)構(gòu)保證儲(chǔ)料在正常范圍內(nèi)，恒張力控制機(jī)構(gòu)確保卷膜上的張力恒定，縱封首先壓緊一個(gè)固定時(shí)間后松開(kāi)，然后縱封氣缸壓緊的同時(shí)下料機(jī)構(gòu)動(dòng)作將定量的產(chǎn)品放入下料通道，延時(shí)后伺服電機(jī)拖動(dòng)橫封機(jī)構(gòu)下移，色標(biāo)傳感器檢測(cè)到色標(biāo)后伺服電機(jī)切換運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)行固定長(zhǎng)度，定位完成后松開(kāi)橫封氣缸，伺服電機(jī)拖拽橫封機(jī)構(gòu)回到原點(diǎn)，由此完成一次制袋裝料過(guò)程。

2 系統(tǒng)控制模式及參數(shù)設(shè)置

2.1 原控制模式存在的問(wèn)題

目前，常見(jiàn)的三邊封制袋機(jī)一般是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的伺服電機(jī)作為卷膜拖拽的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，伺服電機(jī)之間做同步運(yùn)行以保證塑料膜的平穩(wěn)輸送、成型以及橫封、縱封等機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)行。從圖1可以看出，該三邊封制袋機(jī)只有一個(gè)拖拽驅(qū)動(dòng)動(dòng)力（驅(qū)動(dòng)橫封架做往復(fù)運(yùn)動(dòng)）。

由于機(jī)械傳動(dòng)誤差以及塑料膜在牽引過(guò)程中的塑性變形，在常規(guī)位置控制模式運(yùn)行時(shí)，伺服電機(jī)做定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)后，所驅(qū)動(dòng)的塑料膜實(shí)際牽引長(zhǎng)度并沒(méi)有達(dá)到所需要的固定長(zhǎng)度，即設(shè)定牽引長(zhǎng)度與實(shí)際運(yùn)行長(zhǎng)度之間有偏差，而且運(yùn)行速度不同，該偏差值也不同。

若采用位置控制加色標(biāo)檢測(cè)中斷停止的方式，即伺服電機(jī)啟動(dòng)后做大于實(shí)際袋長(zhǎng)的位置控制，當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測(cè)到包裝膜上的色標(biāo)后，控制器觸發(fā)中斷程序，立即打開(kāi)橫封氣缸并停止伺服電機(jī)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該控制方式在低速時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)包裝膜的定長(zhǎng)裁切，但是在運(yùn)行速度超過(guò)每分鐘10切后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)變得極差，無(wú)論如何調(diào)整伺服控制系統(tǒng)的響應(yīng)性、增益等相關(guān)參數(shù)，隨著運(yùn)行速度的提升橫封機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)越來(lái)越大，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到每分鐘17切時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)因過(guò)載而無(wú)法工作。

2.2 混合控制模式

經(jīng)過(guò)研究試驗(yàn)以及在其他工程項(xiàng)目上伺服電機(jī)控制方案的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)伺服電機(jī)工作在混合控制模式時(shí)，制袋機(jī)的穩(wěn)定性和制袋效率能夠得到明顯改善，再經(jīng)過(guò)伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及控制系統(tǒng)邏輯完善，制袋機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行速度能夠達(dá)到每分鐘37～40切（根據(jù)袋長(zhǎng)不同）。

混合控制模式下的伺服電機(jī)并不是單一的位置控制或者速度控制模式，如圖3所示。系統(tǒng)初始化時(shí)以速度控制模式低速拖拽塑料膜運(yùn)行，檢測(cè)到色標(biāo)后切換為位置控制模式并運(yùn)行一個(gè)固定長(zhǎng)度K；在啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行后伺服電機(jī)先以速度模式高速拖拽塑料膜運(yùn)行不定長(zhǎng)度λ，在檢測(cè)到色標(biāo)后切換為位置控制模式以高速運(yùn)行一個(gè)固定長(zhǎng)度K，伺服電機(jī)做位置控制。運(yùn)行K長(zhǎng)度后定位完成自動(dòng)停止，λ+K即為一個(gè)完整的設(shè)定袋長(zhǎng)。根據(jù)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，橫封、縱封等其他機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的邏輯動(dòng)作，由此完成一次拖拽制袋裝料過(guò)程。

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

在混合模式下運(yùn)行的伺服電機(jī)，啟動(dòng)時(shí)以速度模式啟動(dòng)，其加速時(shí)間、增益等相關(guān)參數(shù)可根據(jù)工況調(diào)整以達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)。啟動(dòng)后機(jī)械傳動(dòng)誤差、包裝膜塑性變形等影響因素對(duì)速度控制模式下的伺服電機(jī)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生干擾，在檢測(cè)到色標(biāo)后切換為位置控制模式，此時(shí)包裝膜處于拉伸運(yùn)行狀態(tài)，各種影響位置控制精度的干擾因素都已經(jīng)產(chǎn)生，系統(tǒng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)，在這種狀態(tài)下啟動(dòng)定位控制，已經(jīng)產(chǎn)生的各種干擾因素不會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。停止時(shí)是在位置控制模式中做已知目標(biāo)點(diǎn)的定位控制后減速停止，定位控制的響應(yīng)性、增益等參數(shù)也可以調(diào)整，最終調(diào)整完成的伺服系統(tǒng)參數(shù)如圖4所示。伺服電機(jī)在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，每次拖拽制袋都是重復(fù)上述過(guò)程，每次啟動(dòng)都是以速度模式啟動(dòng)，這樣使得每次拖拽制袋都是一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，極大地提高了包裝膜的定位精度。

3 控制器參數(shù)及程序段

系統(tǒng)采用FX5?40SSC?S簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)速度/位置切換控制功能，其工作時(shí)需要將控制器參數(shù)的Pr.81速度.位置功能選擇設(shè)置為“0：速度.位置切換控制（INC模式）”，即在檢測(cè)到色標(biāo)傳感器輸入信號(hào)后伺服電機(jī)做相對(duì)位置的定長(zhǎng)運(yùn)行；Pr.42外部指令功能選擇設(shè)置為“2：速度.位置控制請(qǐng)求”，Pr.95外部信號(hào)選擇設(shè)置為“1：DI1”用于指定色標(biāo)傳感器的輸入信號(hào)端子。

除上述控制器參數(shù)外還需在定位數(shù)據(jù)中新建一條伺服電機(jī)的定位控制數(shù)據(jù)，其運(yùn)行模式為“結(jié)束”，控制方式為“06h：正轉(zhuǎn)速度.位置”，加速時(shí)間號(hào)、減速時(shí)間號(hào)、定位地址等其他參數(shù)由PLC的參數(shù)設(shè)置程序在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)寫(xiě)入。此定位控制數(shù)據(jù)在PLC程序中被調(diào)用時(shí)實(shí)現(xiàn)的功能為以設(shè)置的速度啟動(dòng)伺服電機(jī)做速度控制，在控制器接收到色標(biāo)傳感器信號(hào)后做相對(duì)位置控制，在運(yùn)行“定位地址”參數(shù)中設(shè)置的距離后伺服電機(jī)停止，“結(jié)束”運(yùn)行過(guò)程。

采用PLC程序啟用控制程序中的速度位置切換控制功能，啟用外部輸入信號(hào)，允許速位切換，設(shè)置切換信號(hào)為外部輸入信號(hào)，具體程序段如下：

64 LD? SM400

66 OUT U1＼G4305.0//軸1外部控制指令啟用

69 OUT U1＼G4328.0//軸1速度.位置控制啟用

72 MOV K0 U1＼G4366//軸1速度.位置切換控制軟元件選擇

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某三邊封制袋機(jī)的改造項(xiàng)目，闡述了一種單伺服拖拽制袋的控制方法，介紹了其工藝流程，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)伺服電機(jī)拖拽制袋的速度位置切換控制。工程實(shí)踐結(jié)果表明，整個(gè)拖拽制袋的運(yùn)行過(guò)程都是可控的，伺服系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程高效、平穩(wěn)且控制精度高，該控制方法在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性，顯著提高了原設(shè)備的工作效率及制袋質(zhì)量。筆者所述控制方法及實(shí)現(xiàn)途徑具有較高的性價(jià)比，對(duì)降低制袋機(jī)制造成本具有較好的借鑒意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 王瓊琦，陳安軍.高速制袋機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.包裝工程，2013，34（15）：82-86.

［2］ 彭杭，張建桃，張鐵民，等.高效節(jié)能三列中封全自動(dòng)制袋機(jī)開(kāi)發(fā)［J］.包裝與食品機(jī)械，2014，32（2）：37-40.

［3］ 呂夢(mèng)樊，王景良，陳豐明，等.基于虛擬總軸的制袋機(jī)多軸同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.包裝工程，2020，41（7）：197-204.

（收稿日期：2022-09-26，修回日期：2023-04-14）