1引言

小袋包裝機是垂直包裝機的一種，主要完成流動性比較好的顆粒、液體、片劑、粉劑的枕式小袋灌裝。通常有容積式、螺桿式、液體泵、數(shù)粒式等下料方式。國際上一般稱為VFFS(VerticalFormFillSealingMachine)，直譯為垂直成型封裝機。小袋機按通道數(shù)可以分為單通道和多通道機型。按生產(chǎn)方式可以分為連續(xù)式和間歇式機型。本文以多通道間歇式包裝機為例，詳細介紹了對其控制系統(tǒng)的要求及解決方案。

2小袋包裝機的工作原理

小袋包裝機包括一個薄膜放卷機構(gòu)，一般都采用印刷好并帶有色標(biāo)的薄膜卷。除了采用被廣泛應(yīng)用的塑料薄膜外，還可以通過改變密封方式來采用紙質(zhì)或纖維質(zhì)的包裝袋。在食品和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用時，有時還需要在包裝前對包裝膜進行消毒和干燥處理。

小袋包裝機還包括縱封和橫封單元。對于多通道包裝機，包裝膜經(jīng)過裁切成多道后，分別進入錐形中空管道，在薄膜向下拉膜時，薄膜在錐形管中成為中空形狀，多余的薄膜在側(cè)面被加熱后的縱封單元夾緊實現(xiàn)密封(如圖１所示)。一個可以上下移動的橫封單元可以完成密封和拉袋的雙重工作。

圖１小袋包裝機的結(jié)構(gòu)

1小袋裝盒生產(chǎn)線對控制系統(tǒng)的需求

小袋機可以單機工作，也可以通過增加理袋機和裝盒機連成生產(chǎn)線使用。標(biāo)準(zhǔn)組合為2臺小袋機+2臺理袋機+1臺裝盒機（如圖２）。理袋機完成的任務(wù)是把切斷后的小袋接住放在對應(yīng)的槽位，準(zhǔn)備直接推入包裝盒實現(xiàn)裝盒。理袋機和小袋機由同一套控制系統(tǒng)控制并接收裝盒機主軸編碼器的信號與裝盒機實現(xiàn)同步。

與生產(chǎn)線同步的要求需要小袋機和理袋機能夠自動適應(yīng)裝盒機的速度，無論裝盒機工作在高速或低速或變速過程，小袋機和理袋機都能自動與生產(chǎn)線速度同步。當(dāng)小袋機單獨工作時，整個系統(tǒng)的主軸為系統(tǒng)內(nèi)部的一個虛軸，當(dāng)連接生產(chǎn)線運行時，系統(tǒng)主軸則來自裝盒機的主軸編碼器。

通過分析，給出了系統(tǒng)功能圖(如圖３所示)。

其硬件配置也非常靈活，最經(jīng)濟的情況下，在小袋機單獨工作時，整個系統(tǒng)只需要一個伺服軸控制橫封上下移動即可，其它縱封夾緊，橫封夾緊，切刀等機構(gòu)都由氣缸控制。

1針對小袋機的貝加萊分布式運動控制方案的特點

貝加萊ACOPOS系列伺服驅(qū)動器被稱為“智能驅(qū)動器”，每臺伺服驅(qū)動器都具有強大的控制功能以及眾多預(yù)置的運動控制功能塊，可以自身實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制。例如電子凸輪功能已經(jīng)集成在伺服驅(qū)動器內(nèi)。在實際應(yīng)用中，幾乎所有的運動控制程序都在伺服驅(qū)動器內(nèi)部運行，通過高速的EthernetPowerlink實時以太網(wǎng)來進行軸間同步數(shù)據(jù)。這種分布式的運動控制理念在包裝機控制中帶來了很多優(yōu)勢。

首先，分布式的運動控制使得故障解決更加快速方便，如果一臺伺服出現(xiàn)故障，需要復(fù)位，例如卡紙，卡瓶等等。只需要對這一個軸進行故障處理，其它伺服驅(qū)動器不需要移動或?qū)?，故障軸復(fù)位尋參后，可以自動運行到和主軸相位對應(yīng)的位置，直接啟動電子凸輪，恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)，把故障的處理時間降到最低。由于很多包裝機都是在線生產(chǎn)，一旦包裝機中的某個伺服出現(xiàn)故障需要復(fù)位時，停機時間越短對整個生產(chǎn)線的影響就越小，如果停機超過1分鐘，很多情況下會影響到整個生產(chǎn)線的工作。

其次，分布式的運動控制可以減少控制的滯后。伺服驅(qū)動器除了可以控制自身運動之外，還可以通過I/O輸出直接接收外部輸入或控制輸出，控制邏輯完全在伺服內(nèi)部執(zhí)行。再結(jié)合電子凸輪，色標(biāo)糾偏，鼓序列發(fā)生器等功能，這就使得整個輸入，處理，輸出的過程完全不需要借助總線或PLC的處理。使得系統(tǒng)響應(yīng)更加快速。

針對小袋機的控制特點，控制上采用主軸信號和相位來同步整個系統(tǒng)中的所有控制動作，每一個動作都被指定了一個相位區(qū)間。單機工作時，主軸來自ACOPOS內(nèi)部的虛軸。連接裝盒機以及理袋機工作時，主軸來自裝盒機的主軸編碼器（也接入拉袋伺服驅(qū)動器）。拉袋伺服與主軸通過電子凸輪耦合。在電子凸輪的每個運行周期，拉袋伺服往復(fù)運動一次。整個系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。

為了提高生產(chǎn)效率，我們對小袋機的運動流程進行分析，小袋機工作的主要流程為橫封夾緊→橫封下拉→橫封松開→橫封上移，周期重復(fù)。為了提高生產(chǎn)速度，必須把每個工作周期的時間縮短，但是橫封夾緊氣缸的動作慢，行程長，影響了整個循環(huán)的效率。為了解決等待時間過長的問題，就要求橫封夾緊汽缸提前夾緊，等到運動到位穩(wěn)定后，剛好夾緊完成。但是在設(shè)備的不同速度下，這個提前的時間是不同的。為了解決這一問題，我們利用了貝加萊ACOPOS伺服提供的鼓序列發(fā)生器功能塊(CAMCON)。

維基百科對控制領(lǐng)域的鼓序列發(fā)生器的定義是“一個可編程的用于重復(fù)按照順序產(chǎn)生開關(guān)信號的機電裝置，這些信號用于在工業(yè)項目中實現(xiàn)自動制造流程”。鼓序列發(fā)生器有一個由電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)的圓筒，在圓筒上分布著開關(guān)信號的觸點，通過這些觸點來控制輸出的開閉。貝加萊的鼓序列發(fā)生器功能在原理上與傳統(tǒng)的鼓序列發(fā)生器類似，都是用于產(chǎn)生順序的開關(guān)信號來驅(qū)動輸出，而且貝加萊的鼓序列發(fā)生器功能還能對輸出的死區(qū)時間進行補償。正是這一補償功能，解決了氣缸延時過長的問題。

在小袋機控制中，由鼓序列發(fā)生器CAMCON功能塊來控制橫封的夾緊和松開。氣缸動作輸出由功能塊內(nèi)部根據(jù)速度和當(dāng)前運動的電子凸輪曲線自動補償。CAMCON功能塊的主軸輸入為系統(tǒng)的主軸，直接通過伺服的輸出控制橫封氣缸。在系統(tǒng)運行速度不同時，會根據(jù)實際運行速度和電子凸輪曲線結(jié)合，自動計算出合適的輸出時間，使得伺服運動到位時氣缸同時夾緊到位。

為了保證包裝圖案的布局與設(shè)計一致，在包裝膜上印有色標(biāo)用于檢測偏差并修正。在貝加萊伺服驅(qū)動器中的LATCH功能就專門用于色標(biāo)糾偏功能。通過色標(biāo)傳感器檢測色標(biāo)并接入伺服驅(qū)動器的高速輸入端口，貝加萊ACOPOS驅(qū)動器的高速輸入可以微秒級的響應(yīng)速度對高速輸入進行捕捉，同時記錄下信號觸發(fā)時刻（上升沿或下降沿）伺服的實際位置或其他指定的數(shù)值。隨后LATCH功能塊將捕捉到的位置和期望的位置進行比較，自動算出偏差，這就是糾偏量。

圖７色標(biāo)糾偏功能

糾偏動作的執(zhí)行由另一個虛軸來實現(xiàn)。貝加萊每個ACOPOS驅(qū)動器內(nèi)部最多支持９個虛軸，包括１個標(biāo)準(zhǔn)虛軸以及８個獨立位置發(fā)生器(MPGEN)或叫“簡化版”虛軸。“簡化版”虛軸與標(biāo)準(zhǔn)的虛軸區(qū)別在于沒有電子凸輪功能，但是可以用來產(chǎn)生位置耦合曲線，最適合用于生成糾偏曲線，保證糾偏動作平滑無擾的進行。

虛軸生成的糾偏曲線需要疊加到當(dāng)前伺服的運動曲線中才能影響到電機的運行，這在貝加萊系統(tǒng)中通過設(shè)定電子凸輪的從軸附加軸（AUT_SL_ADD_AXIS）來實現(xiàn)。貝加萊的ACOPOS伺服的開放性賦予了開發(fā)者更大的自由，可以使用任何整型變量作為附加軸疊加到運動曲線上，這使得運動曲線的疊加簡化為加法運算，如果有需要，可以把多個虛軸疊加到同一條運動曲線之上。例如在控制中可以一個虛軸用于自動糾偏，另外一個虛軸用于手動糾偏，疊加在一起影響運動曲線。

結(jié)束語

隨著包裝行業(yè)工藝要求的不斷提高，市場對于高端包裝機械的需求也越來越大。這對包裝機控制技術(shù)特別是運動控制技術(shù)提出了更高的要求。本文通過分析小袋機的運動控制技術(shù)以及貝加萊運動控制解決方案的特點，提出了對于多數(shù)包裝機械都適用的控制策略和方案，可以很好地滿足目前包裝機在高速生產(chǎn)和柔性制造方面的控制需求。