（检测技术与自动化装置专业论文）热封切制袋机控制系统设计.pdf

摘要 随着人民生活水平的提高，对塑料包装品的需求不断扩大，软包装印刷业得到 迅速发展。制袋过程是软包装印刷生产线上的最后一道工序，包括定位、定长、烫 封、牵引和封切等环节，其工艺水平直接影响最终的产品质量。制袋机是完成制袋 工序的主要设备。本文正是以“厦门创凌包装设备有限公司热封切制袋机研制项 目为应用背景，对热封切制袋机( 简称m b h c ) 的控制系统进行了研究与设计。 论文首先分析了热封切制袋机的工作原理和其对控制系统的要求，并结合当前 市场的需要，从产研结合效益最大化的思路出发，制订了分模块设计的总体方案， 并确立其中的主控制器子模块为本文的研究重点。 随后，论文给出了主控制器硬件设计。主控制器选用高性能的p 8 9 v 5 1 r d 2 f a 单 片机作为控制核心，并扩展e 2 p r o m 芯片实现参数存储；采用富士f v r l 5 e l1 s - t j e 变频器来驱动主电机；伺服电机系统选用安川s g m g h 系列交流伺服系统；选用s u n x 的l x - 1 0 1 色标传感器对料带进行定位，实现定位封切模式；采用接近开关加金属凸 轮实现了对热切刀位置的检测。整个过程中特别注意了抗干扰问题。 紧接着给出了主控制器的软件设计。包括采用分时发送法实现了高速脉冲指令 的发送；采用三区间牵引控制法有效的减小了料带牵引过程中的滑动量等。 接下来论文给出了纠偏控制器和张力控制器的系统实现框架。 本文设计的热封切制袋机控制系统主控制器和纠偏控制器已经开始在现场得到 初步应用。结果表明：系统达到预期性能目标、可靠性强、性价比优、具有很好的 推广价值。 关键词：定长；定位；产研结合 a b s t r a c t a l o n g w i t l lt h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v e l i h o o d , t h ed e m a n df o rt h ep l a s t i c s w a t h ei si n c r e a s i n g ，t h ef l e x i b l ep a c k i n gi n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dt oag r e a te x t e n t b a g - m a k i n gi s t h el a s tw o r k i n gp r o c e d u r eo ft h ef l e x i b l ep a c k i n gp r o d u c t i o nl i n e ， i n c l u d i n gp o s i t i o nc o n t r o l ，l e n g t hc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t r a c t i o nc o n t r o la n dc u t t i n g p r o c e s ss t e p n et e c h n o l o g i c a ll e v e lo fb a g m a k i n gp r o c e s sh a sd i r e c te f f e c to nu l t i m a t e p r o d u c tq u a l i t y m a c h i n em a k i n gb a g si s t h ep r i m a r ye q u i p m e n td u r i n gb a g - m a k i n g w o r k i n gp r o c e d u r e t h ep a p e rt a k e sx i a m e nl i n g c h u a n gc o m p a n y sp r o j e c ta s b a c k g r o u n dm a i n l ye x p a t i a t e so nt h ec o n t r o ls y s t e mo fm a c h i n em a k i n gt h ep l a s t i cb a gb y h o t - s e a l i n ga n dc u t t i n g ( m b h c ) a tf i r s t ，t h ep a p e rm a k e sa l la n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm b h c ，a n di t s r e q u e s to fc o n t r o ls y s t e m ，e m b a r k sf r o mt h ed e m a n do f c u r r e n tm a r k e t , a n dt a k ep u r s u i n g t h em a x i m i z e dp r o f i t sf r o mc o m b i n a t i o no fp r o d u c t i o na n dr e s e a r c ha sp u r p o s e ，h a v e w o r k e do u tt h eo v e r a l lp l a nt h a tm a r ko fm o d u l ed e s i g n s ，a n de s t a b l i s hi t sm a s t e r c o n t r o l l e rm o d u l eb e i n gt h em a i nr e s e a r c he m p h a s e so ft h ep a p e r l a t e r , t h ed e s i g n o f h a r d w a r ei s g i v e n m a s t e r c o n t r o l l e rs e l e c t st h e h i g h - p e r f o r m a n c em o n o l i t h i cm a c h i n e p 8 9 v 5 1 r d 2 f aa sc o n t r o l sc o 豫，a n de x p a n d i n g e 2 p r o mc h i pt or e a l i z e sp a r a m e t e rm e m o r y ；a d o p t sf u r lf r e q u e n c yc h a n g e ro f f v r l 5 e li s 一7 皿t oc o m et od r i v e 也em a s t e re l e c t r i cm o t o r ；, s e r v oe l e c t r i cm o t o rs y s t e m s e l e c t sy a s k a w as g m g hs e r i e sa l t e m a t i n g - c u n e n ts e r v o - s y s t e m ；s e l e c t ss e n s i n g p r o b eo fc o l o ri n d e xl x - i oio fs u n xt of i x i n gp o s i t i o no fb a gm a t e r i a l ，a n dr e a l i z e s p o s i t i o nm o d e ；a d o p t sp r o x i m i t ys e n s o r sa n dm e t a l l i cc a mw h e e lt or e a l i z e st h ep o s i t i o n d e t e c t i n go fa r d e n tc u t t i n g a n dh a sp a ya t t e n t i o nt ot h ea n t i i n t e r f e r e n c ep r o b l e m e s p e c i a l l yi ne n t i r ep r o c e s s t h e n , t h ed e s i g no fs o f t w a r eo fm a s t e rc o n t r o l l e ri sg i v e n i n c l u d i n ga d o p t s t i m e s h a r i n ga n df i x e df r e q u e n c ys e n d i n ga l g o r i t h mt or e a l i z e sh i g hs p e e dp u l s e i n s t r u c t i o ns e n d i n g ；a d o p t st h r e e s e c t i o n - c o n t r o la l g o r i t h m i ct oe f f e c t i v ed i m i n i s h e dt h e a m o u n t so fs l i d i n gi n & a g g i n gp r o c e s s ，a n ds of o r t h a tl a s t ，t h ep a p e rp r e s e n t st h es y s t e mr e a l i z a t i o nf r a m eo fd e v i a t i o nr e c t i f i c a t i o n c o n t r o l l e ra n dt e n s i o nc o n t r o l l e r t h em a s t e rc o n t r o l l e ra n dt h ed e v i a t i o nr e c t i f i c a t i o nc o n t r o l l e rh a v ea l r e a d yb e g u nt o g e tf i r s ts t e pa p p l i c a t i o ni nt h es c e n e a l lt h er e s u l t sa r ei n d i c a t e dt h a ts y s t e mh a s r e a c h e d f u n c t i o nt a r g e tt h a ta n t i c i p a t e d 、t h er e l i a b i l i t yi ss t r o n g ，t h ec o m p a r i s o no ff u n c t i o na n d p r i c ei se x c e l l e n t 、a n dh a v i n gv e r yg o o de x t e n s i o nv a l u e k e y w o r d ：l e n g t hc o n t r o l ；p o s i t i o nc o n t r o l ；c o m b i n a t i o no f p r o d u c t i o na n dr e s e a r c h 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 挚修 渊年月订日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 刀) 作者签名： 导师签名： 轴哼 p 专 日期：埘年6 月朔 日期：口7 年7 月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 热封切制袋机结构与工作原理简介 软包装印刷行业是轻工业的重要分支，随着经济的发展，对塑料包装品的需求 不断扩大，软包装印刷业得到迅速发展，其产品已成为现代社会商品生产过程中的 必需品。软包装印刷生产线共由四个主要工序组成，分别是印刷、复合、分切、制 袋。其中，制袋过程是软包装生产线的最后一道工序，这一过程的工艺水平至关重 要，直接影响到最终的质量。特别是今天市场经济条件下，商品的外包装几乎就是 商品的第二生命。所以高效制袋机的研究意义重大n 1 。 简单说来，热封切制袋机就是利用塑料薄膜制作袋子的加工设备嗍。其生产原 料为薄膜卷筒料，其功能就是将料带侧边装上拉链后再切割并封口，生产出的产品 为长度一定、两端封口、侧面带有拉链的塑料袋。机床的主体结构如图1 1 所示： 张 力 测 卷 量 薯易毋料么岩 边切刀 ) 磁粉制动器 从 牵 从2 釜羹翌疆裂 l 誊君二辊 主 2 过 百7 f 活动辊 图1 1 制袋机结构示意图 毳嚣成 蒜姜移 除 承 热封切制袋机中有多个电机作为驱动装置，作用最为重要的有主电机、伺服电 机和直流送料电机。其中，主电机为交流异步电动机，用于带动热切刀作上下往返 运动，以对料带进行切割，由于热切刀上有电磁加热装置，所以在完成对料带切割 的同时也将切边封口。在热切刀上升到落下的过程中，伺服电机带动主牵引辊完成 对料带的定长定位牵引，牵引的长度就是最终塑料袋的长度。此外，直流送料电机 驱动从牵引辊，实现机床前端送料。活动辊可以上下偏移，除了作为主从牵引之间 热封切制袋机控制系统设计 的缓冲区以外，其本身的重力也可以使得料带在后端运行时得到一定的张力，保持 绷直状态。主牵引辊、主1 辊和主2 辊三者之间，以及从牵引辊、从1 辊和从2 辊 三者之间都是用齿轮皮袋传动，保持同步运行，这样主要是保证料带在整个传输过 程中保持稳定的张力，避免由于悬空距离过长产生。综观整个流程，薄膜卷筒料从 原料到制成成品袋要依次经过以下几步： 1 纵向切边：通过边切刀具来完成，为后续装拉链做准备 2 边封、装拉链：在切开的塑料薄膜中间装上密封拉链，并通过上下压板加热 将薄膜与拉链焊接起来 3 压边冲孔：在料带装有拉链的一边和将要横向封切纬线的交叉处利用超声波 焊接技术进一步将两层薄膜和拉链接牢( 融为一体) ，为最后封切做准备；有的袋子 需在某一位置留有气孔，此处可以负责打孔。 4 封切：带有加热片的封刀作上下往返运动，既把料带切开成一段一段，又将 切口处封住，形成袋子。 1 2 热封切制袋机控制国内外研究发展概况 1 控制器的选择上主要有三种类型：工控机、p l c 以及单片机。工控机的优点 是使用方便、不需要很深的理论基础、编程方便口1 。p l c 的优点有可靠性高、操作容 易，便于安装及维修、控制程序可变，具有很好的柔性等h 1 。但这两者的成本很高， 相对而言，用单片机来开发具有价格便宜、机动灵活的特点嘲嘲。 2 传感器加电子控制的方式得到越来越多的应用用以代替传统的机械装置比 如特制曲线凸轮、皮袋、各类传动轴等等来实现协调同步问题。传统机械连接方式 的主要缺点在于方式增加了机器重量，限制了运行速度，并使得设计难度提高、成 本增加，而且一旦定型不方便修改。相对而言，电子控制方式机动灵活、便于维护。 3 交流伺服电机取代步进电机实现定长、定位成为趋势。随着伺服电机制造成 本的不断降低，其优越的运动特性和不断成熟的控制理论，以及没有步进电机失步 的缺点，越来越受到开发者的青睐。 4 针对高速制袋机中料带张力、烫封温度的控制问题的专门研究得到越来越多 开发人员的重视。在制袋机的使用中，特别是早期制袋速度较低的情况下，对料带 2 第一章绪论 张力的要求并不高。随着制袋机制造工艺水平的不断提高，控制方法不断改进，制 袋机的制袋速度不断上升。在高速制袋的条件下，料带张力和烫封温度对制袋效果 的影响越来越大，尤其是料带材料非常薄时，作用更为明显。 1 3 选题背景及意义 本课题来源于横向合作研究项目，是针对厦门包装设备有限公司的制袋机开发 项目展开。 0 5 年的行业调查显示，国内制袋机市场上中国产品占6 9 ( 其中，台湾地区占7 ) ，日本产品占据1 5 ，其他外国产品占据1 6 n 1 。虽然国产制袋机占市场份额近 7 成，但是这主要是在中低端市场积累的。在高端市场还是国外产品占据优势，比如 日本的t o t a n i 品牌。形成这种现象的原因主要是国内外产品在控制技术和制造工艺 上的差距仍然存在。 目前，国内包装机械和国外相比，虽然在印刷、复合、分切、制袋，各个环节 的机械及电气设备性能都己经有了很大的进步，但是在控制系统高效性和安全性上 还应不断地丰富完善和发展。如何提高软包装的制袋效率和质量以及操作的安全性 已成为生产厂家急需解决的主要问题之一，所以研制开发高效的新型制袋机具有重 要的意义。 另外，应当看到，国产制袋机与国外相比，也具有几个优势擒1 。 1 功能上 国外的制袋机往往功能单一，一种机型只能加工一种袋子，一旦定型无法 更改。而国内制袋机则往往是多功能的，加工不同袋子无需调换机身，非常方 便。 2 维护上( 售后服务) 易耗零件的更换上，国产机显然要比进口机方便得多。当制袋机出现故障 需要维修时，国外公司往往要经过一个长期过程。从调查研究，到责任认定， 再到最终处理，每一步都要花费很多时间。国产机在这方面显然做得更好。 3 价格上 进口机价格往往是国产机的5 至8 倍，但必须承认，除了有运输、关税等地 3 热封切制袋机控制系统设计 域所来的差价外，技术差距仍然是这种差价存在的主要原因。 4 售前服务 进口机没有售前服务一说。而国内制造商为作好用户的参谋，根据用户的 具体生产情况，建议用户选用合理的机型，以最少的投资出最大的效益。 因此，只要牢牢把握这些优势，并努力缩小与国外产品技术上的差距，国产制 袋机也是可以在高端市场上分一杯羹的。而对具体厂家而言，目前售前服务是争夺 市场的一个重要手段。同样一个机型，不同的客户可能会有一些小的功能上的修改 需求，所以只有拥有自己开发的控制系统，才能方便的实现机器功能的调整。 当前，软包装已成为商品生产过程中的必需品，如何提高软包装的制袋效率和 质量以及操作安全性已经成为生产厂家急需解决的主要问题之一。在包装行业，提 高塑料包装机械的自动化水平和当次，使科学技术更紧密地和生产实践相结合，开 发出先进地高速制袋机，缩小和发达国家地差距，提高国产设备地国际影响，减少 同类设备的进口数量，同时提高出口地数量，同时多和国际同行交流，反过来又促 进科学技术地提高，也就是提高了我国地生产力水平。所以开发高效制袋机具有深 远的意义。 1 4 本文的主要研究内容 2 3 4 在对热封切制袋机的工作原理和生产工艺进行了解的基础上，确定热封切制 袋机的控制系统的总体方案。 完成主控制器的硬件电路设计。 完成主控制器的软件设计。 张力控制器和纠偏控制器设计研究。 4 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 热封切制袋机工艺流程及控制要求 2 1 1 制袋机工艺流程 制袋机工艺流程可用图2 1 表示： 图2 1 制袋机工艺流程图 料带作连续运动 料带作断续运动 ( 定长定位牵引) 图中，虚线上方各环节中，放料张力的控制、切边、和边封要求料带的速度不 能突变，因此料带是在直流送料电机的拉动下作连续运动。而在虚线下方各个环节 中，封切、冲孔压边操作时则要求料带必须停止运行，所以料带是在伺服电机的牵 引下时停时走，是断续运动。两者之间通过图1 1 中所示的活动辊来调节。用区域 传感器检测活动辊位置高低，当活动辊位置偏高，表示定长定位牵引的平均速度大 于放料速度，则直流送料电机必须加速，反之亦然。 2 1 2 制袋机对控制的要求 制袋过程控制的要点和难点是主机速度与袋长和牵引速度之间、牵引动作与冲 孔压边和封切动作之间的协调控制。主机速度、袋长和牵引速度这三个参数相互制 约，它们之间的协调控制是整机运行控制的核心所在，也是防止各类误操作的前提。 牵引动作必须与冲孔压边和封切动作在时间上隔开，否则就会损坏料带或机器。 其次，定长定位的准确性必须得到保证。定长定位直接决定袋长，而袋长是制 袋成果好坏最重要的一个衡量指标。由于牵引动作是分次进行的，所以在每次牵引 的起始和结束阶段必须有一段加速和减速区间，以防止速度变化过快导致料带产生 纵向滑动。 5 热封切制袋机控制系统设计 此外，以下几个方面也是控制系统中必须要注意的。 1 放料张力是制袋机工艺流程中首个需要监控的参数。只有张力适中，切边过 程中的切线才能保持平整，同时拉链与料带才能严密烫封在一起。如张力太大，则 容易产生袋子变形甚至料带崩断，而张力太小，则在送料速度降低时，料带易发生 褶皱悖1 。 2 制袋过程中，料带的横向位移将导致拉链连接位置偏移，影响制袋质量，因 此必须得到监控n o 】。 3 边封和封切过程中必须保证温度合适，以实施封切的热切刀为例，如果温度 过低，则容易发生切不断料带，或者切断而没有封住。如果温度过高，则料带被封 切部位易被烧损产生卷边等，影响制袋质量n u 。 2 2 预期性能指标 本文设计的热封切制袋机控制系统要达到以下几个指标： 1 当制袋长度为4 0 0 r a m 时，最大制袋速度可达1 0 0 个分；当制袋长度为l o o r m n 时，最大制袋速度可达1 6 0 个分。 2 可以实现定长、定位( 追色) 两种封切模式。长度精准到0 2 m m 。在定位 封切模式下当发生追不到色标等故障情况时，能够自动停机。 3 人机界面友好，可以实时的显示和记录当前产量、速度等数据，参数修改方 便。 4 停机位置可监控。 2 3 系统方案确定 2 3 1 方案比较 从总体概念上来说，系统有两种控制策略可供选择： 1 c c s ：将所有的控制功能都集中在一个控制器里来完成。 2 分散控制：按照功能不同，将控制系统分为若干个子模块，对各个模块进行 独立控制。同时在每个模块上都设计一个通信口，必要的时候可以通过总线 6 第二章系统总体方案设计 网络相连接，形成f c s 系统，便子集中管理。 很明显，c c s ( 集中控制系统) 在功能集中的同时，也集中了风险，一旦控制系 统的主控器出现问题，则整机无法运行n 铂而且c c s 对控制系统的c p u 的处理速度、 运算能力等性能要求高。如果选择单片机作为c p u ，要求在一个单片机里面完成各 环节的协调控制同时还完成温度、张力的控制算法的实现显然是不现实的 正是基于这些原因，本文设计的系统采用f c s 集中管理、分散控制的思想，将 整个控制系统分为几块，各个模块单独控制。这样除了有效分散控制功能，降低单 个c p u 的负荷以外，可以把精力首先集中在关键模块的开发上，而其余模块首先采 用市场上已有类似产品，从而实现使整机更快的运行起来，先产生一定的经济效益 此外，从成果应用角度上来说，分模块设计的方案比集中控制方案实用性更强， 应用范围更广。因为，与制袋机不同，有的机器也许只需要张力控制，有的也许需 要单独的温度控制，有的也许正缺少伺服控制器，虽然，本文的控制系统是针对制 袋机而开发，但采用分模块设计的方案后，各个子模块就可以单独的被应用其它有 需要的场合中去，实现产研结合效益的最大化n 羽。 2 3 2 系统各个子模块的划分与开发流程安排 热封切制袋机中需要监控的对象主要有：主电机、伺服电机、直流送料电机、 烫封温度、料带的张力和横向位移。本文从功能实现的角度出发，依据各个被控对 象之间相关性不同将热封切制袋机控制系统分为以下几个子模块： 1 主控制器 实现主电机和伺服电机之间的协调控制，完成封切和牵引动作，给出冲孔、 压边等装置的驱动信号。 2 纠偏控制器 监控料带的横向偏移量，保证制袋质量。 3 张力控制器 通过调节磁封制动器电流控制料带张力。 4 温度控制器 实现对热切刀具和边封装置的温度控制。 7 热封切制袋机控制系统设计 5 送料控制器 实现直流送料电机速度的控制。 以上模块中，主控制器是整个控制系统的核心和主体部分。定长、定位封切模 式的实现，袋长与制袋速度之间的协调等制袋机的关键控制环节都是由主控制器来 完成。其它子模块工作也往往依据主控制器当时的工作模式、参数设定等作出相应 的调整配合。因此主控制器的开发是本文的主要研究内容。 在高速制袋条件下，纠偏和张力控制也成为影响制袋质量的关键因素，其控制 相对独立。 而温度控制器则由于考虑到目前无论在理论上还是产品上温度控制都已经比较 成熟，所以这一部分直接选用了宇电自动化的a i 智能温控模块。 除此之外，还有直流送料电机控制部分，控制相对简单，采用的是市场上的一 款直流电机驱动器( 不含c p u ) 来完成，其原理框图如下： 2 2 0 v 直流送料电机 图2 2 直流送料电机控制框图 图中，直流电机驱动器上端接2 2 0 v 交流输入，下端直接输出直流电压驱动电机， 左端为控制端口，接受o i o v 模拟量输入，此模拟量输入电压的高低决定了电机转 速的快慢。在实际应用中，此模拟量是由活动辊位置传感器输出得来。活动辊位置 越高，此模拟量值越大，电机速度越快，反之亦然。 正是由于有了活动辊充当缓冲，所以直流送料电机的速度设定与前端伺服牵引 的直接关联不大，但是直流送料电机的速度直接决定了卷筒料的放料速度，与料带 第二章系统总体方案设计 的张力密切相关，特别是启停等速度突变时刻给料带张力带来非常大的冲击。因此 在张力控制器设计的时候如果能够将直流送料电机的速度参数引入控制环，将有效 提高张力控制的成效。 综上，研制热封切制袋机控制系统的主要工作就是主控制器、纠偏控制器、张 力控制器的开发设计和最后的系统组合，其中主控制器的开发是重点部分。在实际 开发过程中，采用了三步走的策略。 第一步，完成本文的主要工作开发主控制器。当主控制器开发完成后，将 市场上已有的纠偏装置、张力调节装置、温度控制装置予以组合，整机即可运行， 从而率先抢占市场产生一定的经济效益。 第二步，开发其余控制器。 第三步，总线网络组合。 9 热封切制袋机控制系统设计 第三章主控制器硬件设计 本章主要介绍热封切制袋机控制系统主控制器的硬件设计。首先，分析了系统 需求，给出了主控制器的总体设计框图。然后，详细描述各个功能模块硬件的具体 实现，并对其中的主要器件和设备做了介绍。最后讲述了系统的硬件抗干扰措施。 3 1 主控制器的总体设计 3 1 1 需求分析 衡量一个控制器好坏的标准首先要看这个控制器是否能够可靠完成其预期功 能。从硬件的角度来讲主控制器完成其主要功能有以下几个条件。 首先，如前所述，伺服电机只有在热切刀抬起到某一安全位置之后到落下到该 安全位置之前的这一段时间才能牵引拉料，否则就会对热切刀和承切辊产生损害， 并造成堵料。所以实时检测热切刀的位置是必要的。 其次，主控制器的牵引拉料模式有两种模式，分别是适用于单色料带的定长模 式以及适用于带图案的彩色料带的定位模式。前者主要依赖于伺服电机运转角度控 制的准确性和机械配合上的严密性，而后者则要求能够准确及时的检测出料带上图 案的某一点，以便实现精确定位。 其三，制袋机需设置参数众多，其中很多参数会根据现场情况经常更改，所以 有一个可靠的参数存储器和一个良好的人机界面十分重要。 最后，制袋机控制系统是运行在工业现场，环境恶劣，干扰严重，因此，主控 器的抗干扰能力也是正常实现其控制功能的保障。 3 1 2 主控制器的原理框图 系统总体原理框图如图3 1 所示。系统硬件电路主要包括：单片机及其1 2 c 串 行总线e e p r o m 扩展模块、人机接口模块( 包括l c d 显示和键盘输入) 、模拟量输出 模块( 控制主电机) 、伺服电机控制模块、开关量输出模块、开关量输入模块和通信 模块。 1 0 第三章主控制器硬件设计 积分电路 变频器 主电机 l c d ( 输出模拟量) 显示 一 差动线路 伺服 驱动器 驱动器 伺服电机 键盘输入l ， 单 靠蛞q 奠白估4 d * a - , i 开中 关 光 间 刹t i e e p r o m 发 量 电 继 压边冲孔控制 输 隔 电 出 离静电清除器等 器 i 4 8 5 j 1 煎t k 机 竹外部启停按钮 光 开 i晶振 电 关 追色信号 色标 i 隔 量 传感器 输 离 热切刀位置 接近开关 入 图3 1 主控器原理框图 色标传感器用来检测料带图案上的颜色信息，实现对料带的定位。接近开关与 凸轮配合检测热切刀的位置，防止误操作。系统主体工作流程如下：当外部启动按 钮被按下，单片机根据制袋速度设定输出相应模拟量到变频器，并通过开关量输出 模块，打开刹车，启动变频器使主电机运转。系统通过接近开关检测热切刀位置， 当热切刀抬起时，通过差分驱动器输出控制脉冲给伺服驱动器，启动伺服电机，拉 料到设定袋长后停止( 如果是定位模式则通过色标传感器发出停止指令) ，当热切刀 下落到某一位置并且牵引动作已经完成，则给冲孔压边装置发出驱动信号，最后热 切到下落到承切辊完成一次封切制成一个塑料袋，然后又重新开始新的循环。每次 循环单片机计数加l 。当按下停机按钮，单片机控制完成当前正在进行的最后一次 牵引封切，然后减速停机，并控制刹车抱闸，并通过接近开关检测停机位置，如果 停在低位，则松闸低速运行直到停机时热切刀处在高位为止。 3 2 主控制器的硬件组成 热封切制袋机控制系统设计 3 2 1 电机控制主回路 电机控制主回路如图3 2 所示： 图3 2 电机控制主回路 1 主电机控制系统 主电机选用带有刹车装置的三相交流异步电动机。这里应用刹车装置是有必要 的，因为如果没有刹车，那么电机停机时将在转轴飞轮的惯性作用下持续转动一段 时间，这样有三个不利影响： ( 1 ) 停机时间加长，工作效率降低； ( 2 ) 停机位置难以确定。如果没有刹车，机器即使在速度极低时停止也将滑行， 从而难以保证热切刀停在高位，需多次重复启停； ( 3 ) 在停机的时候，伺服电机不再运转，从而承切辊也不再转动，这样热切刀 将直接对承切辊的某一固定位置连续多次压切，易造成损坏。 正是基于以上原因，所以刹车装置必不可少。 主电机驱动采用富士f v r l 5 e 1 1 s - 7 j e 变频器，属于f v r e 1 l 系列。f v r e 1 1 s 系 列富士变频器是强功能、小型化、动态转矩矢量控制型变频器。矢量控制是以磁场 监控、智能控制等现代化的控制理论为基础直接控制力矩的，其内藏电流矢量控制 功能可实现高力矩控制、高精度速度性能。该系列富士变频器特点n 钔： 1 2 第三章主控制器硬件设计 ( 1 ) 体积小、性能高。当频率为0 5 h z 、电动机的起动转矩提高到2 0 0 时，低 速范围转矩脉动比以前的变频器约小l 2 ； ( 2 ) 具有各种智能化功能。如自动节能、p i d 控制、自整定和r s 4 8 5 通信等； ( 3 ) 丰富的保护及维护功能。如增加输入电涌电流抑制和寿命预报等。 f v r l 5 e 11 s - 7 j e 变频器的主要参数如下： ( 1 ) 输入电压、频率：单相2 0 0 2 4 0 v 、5 0 6 0 h z ； ( 2 ) 额定输出电压、电流：三相2 0 0 v s o h z 、8 0 a ； ( 3 ) 适配电机功率：1 5 k w 。 变频器的启停和频率给定可通过键盘面板、外部接点或通讯接d - - - 者之一来控 制，由内部参数设置来决定。此处选择外部接点控制的方式，基本接线图如下： 罩相鼋源 2 0 0 2 4 0 v 5 0 6 0 h z 图3 3 变频器外部接点控制方式基本接线图 热封切制袋机控制系统设计 实际接线中，对于变频器的启停控制，只在f w d 和c m 间接常开触点，通过控 制f w d 和c m 之间的导通与否来决定变频器的启和停；对于变频器运行频率的给定， 是从控制器输出一路o - - - l o v 的模拟量给变频器接线端的1 1 、1 2 号脚，通过调节该 模拟量的电压值改变工作中的运行频率。如图3 2 所示。 3 2 2 伺服电机控制系统 本控制器选用安川系统伺服系统，伺服电机选用s g m g h 一2 0 a c a 6 1 ，该电机的功 率为1 8 0 0 w ，最大转速为1 5 0 0 r m i n ，输出转矩为1 1 5 n m 。伺服驱动器选用 s g d m 一2 0 a o a ，其最大适用电机容量为2 o k w n 司。该伺服系统常用主电路配线如下： q f ：配线用断路器 f i lt 臻落滤波器 i k m ：毫磁接触器 i p l ：墨零囊了 i s u p ：浚溺挪糊器 i d。飞轮二辍管 图3 4 伺服系统主电路配线图 在实际接线中，省掉了接触器i k m ，三相电源直接供给l 1 l 3 ，系统上电后， 伺服系统一直处于通电状态。 伺服驱动器的控制方式有三种，分别是速度控制方式、位置控制方式和转矩控 制方式，每种方式都有自己独特的应用范围。由于在本控制中，伺服系统是用于实 现对料带的定长、定位牵引，所以应用的是位置控制方式。 1 4 第三章主控制器硬件设计 在位置控制模式下伺服驱动器的接线如图3 5 所示。位置指令通过p u l s 、s i g n 和c l k 的脉冲序列组合给定。 图3 5 位置控制模式下伺服驱动器输入输出信号配线图 图中，伺服0 n 信号可以省略。通过内部参数的配置，伺服驱动器可以在一开始 上电的时候就允许伺服，而不需要检测外部伺服0 n 信号。 1 5 热封切制袋机控制系统设计 3 2 2 热切刀位置检测电路设计 热切刀位置与伺服电机牵引动作之间协调关系如图3 6 所示： t 图3 6 热切刀位置与伺服电机牵引动作协调关系 图中，t l t 5 为热切刀往返一个周期所需要的时间。在这个周期内，只有t l t 4 区间，热切刀才处于安全位置之上，允许伺服电机作出牵引动作。实际运行时， 伺服电机的牵引时间常常小于容许时间，如图中t 2 t 3 所示。此处控制的关键在于 无论机器速度变化怎样，都能准确的检测t 2 和t 3 的时刻，并保证其在t l t 4 的范 围内。 热切刀是由主电机驱动做上下往返运动，具体说来，是主电机通过减速箱带动 一个转轮，该转轮通过一个连杆机构与热切刀相连，转轮转动一周，则热切刀上下 往返一次，转轮旋转角度与热切刀位置相对应，因此通过检测该转轮的旋转角度就 可以知道当前热切刀的位置。控制系统中最终采用的方法是在转轮的轴上装上一个 金属凸轮，通过接近开关感应凸轮从而测出t 2 和t 3 的具体时刻。示意图如下： o 当凸轮的金属部 分转到接近开关 前端时： o u t = g n d 否则： o u t = + 2 4 v 图3 7 热切刀位置检测示意图 1 6 第三章主控制器硬件设计 设图中凸轮金属部分夹角为x ，则x 需要满足下式： 三t 4 - t l 2 石f 5 - t l ( 3 1 ) 此外，需调整凸轮圆周方向位置，使得接近开关由空到感应凸轮金属部分的第 一条边的时刻大于t l ，感应第二条边的时刻小于t 4 ，才可以保证运行正常。 3 2 3 追色色标传感器的选择 1 定位( 追色) 封切存在的必要性 如3 1 节介绍，热封切制袋机有两种工作模式：定长封切、定位封切。 定长封切模式下，料带牵引长度( 最终袋长) 是由控制器直接给定。由于伺服 电机位置控制模式下，可以非常精准的控制电机转子转过的角度，所以可以将实际 牵引长度误差控制在极小的范围内。即使料带在运行过程中会产生滑动的现象，然 而这种滑动与牵引速度和长度有一定的相关性，可以通过追加一定数量脉冲让电机 转子多转过一定的角度来平衡。 对于单色无图案的料带，产品的效果好坏主要看袋长，采用定长封切的模式可 以得到稳定的袋长，因而非常适用。但是对于彩色有图案的料带而言，除了袋长要 稳定，每个袋子上图案的位置也要求一致。 送料方向 _ - 卜 设定袋长 图案决定袋长 h ，点卜- - h 图3 8 两种不同料带生产之间的比较 1 7 日日凰画 吐 蚣一 热封切制袋机控制系统设计 如图3 8 所示。图中上方料带无图案，生产出单一色袋，其成果检验标准仅为： a l = a 2 。而下方为带图案的彩色料带，往往要求生产出带图案的袋子，制袋成果检 验的标准有两个。既要求：x l = x 2 ，还要求：y l = y 2 。 通过定长方式，可以很好的满足袋长的要求，但是由于累计误差的存在，无法 满足使图案在成品袋上位置确定的需要。因为无论定长的精准度多高，总还是与理 论值有误差的，这个误差经过累积，将被放大。 设制袋过程中已生产了n 个塑料袋，设定袋长为x ，n 个塑料的实际平均袋长为 屯，则第( n + 1 ) 个塑料的实际起始牵引位置与预期值之间的差为： 色“= 刀( 一功 ( 3 2 ) 当n 足够大时，即使瓴一x ) 很小，a 州还是会很大。伺服牵引中，长度的可控 精度为0 2 m m ，那么即使( x 。一x ) = 0 1 m m ，当n = 5 0 0 时，第5 0 1 个袋子的偏差就 将是前面5 0 0 个袋子生产累计误差的和，达到5 0 m m ，即造成图案在料带上位置严重 偏移，所以定长封切的模式就不能满足要求了。 而定位封切的模式工作过程如下。控制器只需设一个接近但小于理论袋长的初 值，伺服电机带动主牵引辊牵引料带走过这一初值后开始检测料带上两个图案之间 的某一特殊位置( 必须有不同的颜色或者图案) ，当检测到这一位置后立即停机，这 样每次牵引过程的结束都是由当次追色的时刻决定的，而与前面制袋多少无关，从 而消除了累计误差。 2 s u n x 色标传感器 本控制器最终选择s u n x 的l x - 1 0 1 色标传感器。该传感器的主要特点有： ( 1 ) 采用r g b 一体投光元件：为了满足多方面的色标检测需求，装备了以红 色、绿色、蓝色三种颜色的l e d 为一体的投光元件； ( 2 ) 高精度光学系统：s u n x 独有的共轴反射光学系统支持高精度检测； ( 3 ) 拥有4 位数字显示：通过4 位数字显示实现检测数值管理和微小设定； ( 4 ) 操作盘设计特点：带点击感的三个大型按钮实现了简单操作； ( 5 ) 拥有1 2 b it a d 转换器：实现高达1 4 0 0 0 0 分辨率，可进行高精度色标检测； 1 8 第三章主控制器硬件设计 ( 6 ) 保护结构i p 6 7 ：清洗机器和生产线时即使沾水也不受影响的防水结构； ( 7 ) 共轴反射光学系统和约i m m * 5 m 的极细光点使高精度检测得以实现。 3 2 4 模拟量输出电路 从3 2 节可知，变频器的输出频率由外部端1 ：1 所接模拟量控制，为产生一路可 调的o - - - ，i o v 模拟量，控制器中采用了以下电路。 二兰+ 1 2 v j f 图3 9 模拟量输出电路 图中，p w m 为单片机p 1 3 脚输出的占空比可调的p 删信号， 由于c 5 的作用， 在运放的3 号脚端形成o - - 一，5 v 之间的一个模拟量电压。此电压通过运放2 倍放大， 最终在a o u t 端脚输出o l o v 的电压。p w m 信号占空比与a o u t 输出电压的关系为， p w m 信号高电平占空比越大，则得到a o u t 输出电压越高，反之亦然。当占空比在0 一1 0 0 之间变化，则a 伽t 端电压在0 1 0 v 之间变化。 运放的电源为1 2 v ，通过k r b 0 5 1 2 s - i w 转换得来，电路如下图所示： d c d c l v c c l 4 一 + 1 2 v t i c 。9 临v l4 c 。 t 1 23 恐 23 图3 1 0 电压转换电路 1 9 热封切制袋机控制系统设计 3 2 5 差分输出驱动电路 如3 2 节所述，伺服驱动器采用位置控制模式，控制指令通过p u l s 、s i g n 和 c l r 的脉冲序列输入。此三路输入均采用差分输入的方式，在电路中应用a m 2 6 l s 3 1 来实现。 v c c p l i j s s i g n c l r i k ii i klu 4 i i p l 9 1 5 e n a b l d ir r a + 面蕊b o u t a - o u t b + 矾ao i 胁 小旧o u l c + 玳co u n 咖o u 珊 o i 胁 a m 2 6 l s 3l 图3 1 l 差分驱动电路 图中，a m 2 6 l s 3 1 左边的p l u s 、s i g n 、c l r 分别接单片机的p i 0 、p 1 1 、p 1 2 口，用1 k 电阻上拉，右边相应输出三对差分信号接入伺服驱动器。 3 2 6 人机接口设计 主控制器中采用液晶和键盘作为人机接口，液晶选用的是j m l 2 8 6 4 f 模块，该模 块内部含有t 6 9 6 3 c 控制器，其结构框图如图3 1 2 所示： 图3 1 2j m l 2 8 6 4 f 结构框图 一一一一一一一一hb 第三章主控制器硬件设计 j m l 2 8 6 4 f 有两种访问方式： 1 直接访问方式：m c u 利用数据总线与控制信号直接采用i o 设备访问形式控 制液晶模块 2 简接访问方式：m c u 通过并行接口间接实现对液晶显示模块的控制。 本控制器采用直接访问方式，这种方式编程方便，其接线示意图如下： p 8 9 v 51 r d 2 f n液晶显示模块接口 图3 1 3j m l 2 8 6 4 f 直接访问方式下的接线示意图 单片机的数据口p 0 直接与液晶显示模块的数据口连接，由于t 6 9 6