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摘要：隨著電氣自動(dòng)化程度的提高，以前需要依靠機(jī)械凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的飛剪控制，現(xiàn)在可以使用運(yùn)動(dòng)控制器加伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文首先簡(jiǎn)要介紹枕式包裝機(jī)的工藝及其自動(dòng)化程度的發(fā)展，隨后著重介紹OMRON的FQM1運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合伺服系統(tǒng)在枕包機(jī)中的方案實(shí)例。

關(guān)鍵詞：電子凸輪；伺服；編碼器；FQM1

Abstract: The flying shears in the horizontal packaging machine used to be achieved through
 mechanical cam. With the development of automation, this technique can be achieved through
 motion controller with servo systems. This paper is to provide a description about how a 
typical horizontal packaging machine operates and its phylogeny, focusing on the specific 
solution of the FQM1 and servo system to the machine.

Key words: Electronic CAM; Servo system; Encoder; FQM1

    枕式包裝機(jī)又稱(chēng)接縫式裹包機(jī)，是一種臥式三面封口，自動(dòng)完成制袋、填充、封口、切斷、成品排除等工序的包裝設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用中，與相應(yīng)衍生機(jī)種、輔助機(jī)種相配合，能實(shí)現(xiàn)食品、日用化工、醫(yī)藥等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的流水包裝。適應(yīng)的包裝物為一般塊狀、筒狀規(guī)則物品，無(wú)規(guī)則異形物品，如：餅干、蛋糕、化妝品、紙巾等。包裝成品的形式有單件包裝、集合包裝、帶托盤(pán)包裝、無(wú)托盤(pán)集合包裝等。

    傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)橫封刀的運(yùn)動(dòng)曲線是由機(jī)械的凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械加工、安裝復(fù)雜，運(yùn)行噪音大，效率低；如果使用伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子凸輪功能，對(duì)于機(jī)械安裝、運(yùn)行效率會(huì)有一定的提高。本文詳細(xì)介紹OMRON的控制器FQM1在包裝機(jī)中實(shí)現(xiàn)電子凸輪的應(yīng)用。

1. 枕式包裝機(jī)的工藝簡(jiǎn)介

    枕式包裝機(jī)的送膜和進(jìn)料是同步進(jìn)行的，由色標(biāo)檢測(cè)和接近開(kāi)關(guān)分別對(duì)送膜和送料的位置進(jìn)行檢測(cè)，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材ぃ⑦M(jìn)行縱向熱封，同時(shí)物料被送進(jìn)筒膜內(nèi)，一起向前經(jīng)過(guò)橫封橫切部位，由回轉(zhuǎn)式或往復(fù)式的橫封橫切刀對(duì)筒膜進(jìn)行橫向封切，輸出包裝成品，具體工藝流程圖和工藝結(jié)構(gòu)圖分別參照?qǐng)D1、圖2：

                                     圖1 枕包機(jī)工藝流程圖

                                      圖2 枕包機(jī)工藝結(jié)構(gòu)圖

2. 枕式包裝機(jī)自動(dòng)化程度的發(fā)展

    隨著食品包裝行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)類(lèi)似枕包機(jī)這樣的機(jī)械提出的要求是提高包裝速度與精度，全面包裝品規(guī)格，操作趨于人性化以及售后維護(hù)成本降低。根據(jù)枕包機(jī)的工藝不難看出，其控制重點(diǎn)在于送料、送膜以及橫封橫切軸三軸的配合，因此從第一代枕包機(jī)發(fā)展至今，主要就是對(duì)這三軸的控制進(jìn)行改進(jìn)以滿足行業(yè)不斷提升的要求，從低端到高端、從機(jī)械控制為主到電氣控制為主，枕包機(jī)控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

    階段一：?jiǎn)巫冾l

    使用一臺(tái)變頻器加一臺(tái)交流電機(jī)來(lái)工作，為了成比例的同時(shí)帶動(dòng)橫封刀（加輸送機(jī)）跟包裝膜，需要一臺(tái)無(wú)極變速箱來(lái)根據(jù)不同的膜長(zhǎng)調(diào)節(jié)膜軸的速度。從而實(shí)現(xiàn)了兩路速度的輸出，但是無(wú)極變速箱會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)磨損影響使用精度，因此有他的局限性。橫封刀的運(yùn)行曲線是由機(jī)械凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多。

    階段二：?jiǎn)巫冾l+單伺服

    使用一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)橫封刀（加輸送機(jī)），一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)包裝膜，取消了無(wú)極變速箱。各部分運(yùn)行獨(dú)立，由PLC控制器協(xié)調(diào)兩部分速度。橫封刀運(yùn)動(dòng)軌跡仍有機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)。

    階段三：雙伺服

    原理同單伺服+單變頻，但其控制精度進(jìn)一步提高。

    階段四(目前最先進(jìn)的控制方式,本文介紹重點(diǎn))：三伺服

    三個(gè)伺服分別驅(qū)動(dòng)橫封刀、包裝膜、供料輸送機(jī)，橫封刀的運(yùn)行軌跡完全有伺服來(lái)實(shí)現(xiàn)，取消機(jī)械凸輪，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。三部分的運(yùn)行速度需要有高性能的控制器來(lái)控制，因此對(duì)于控制器的要求比較高，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)OMRON的FQM1控制器能完成這項(xiàng)功能，并且能提高包裝速度速度。

3. 三伺服枕式包裝機(jī)的詳細(xì)工藝及控制要求

    三伺服枕包機(jī)是在雙伺服枕包機(jī)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種高端枕式包裝機(jī)，其技術(shù)核心就是用運(yùn)動(dòng)控制器中的電子凸輪功能替代原先的機(jī)械凸輪，完成機(jī)器中橫封橫切與拉膜牽引以及送料的配合，要求橫切的位置能精確地定位在包裝袋的色標(biāo)上，誤差范圍應(yīng)小于±2.5mm(根據(jù)色標(biāo)寬度定)，速度一般能達(dá)到200包/分鐘。

3.1 機(jī)器的啟動(dòng)檢測(cè)定位

    由于在機(jī)器的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中保持送膜、送料、橫封橫切軸的位置準(zhǔn)確非常重要，軸與軸之間按照包裝物規(guī)格的不同有不同的位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因此在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)就因?qū)⑷S的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，找到位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)以便機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)按照對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)糾偏。

    三軸的偏差檢測(cè)通過(guò)不同的傳感器進(jìn)行：

    送膜軸：膜的色標(biāo)位置通過(guò)色標(biāo)傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器分頻進(jìn)行檢測(cè)。

    送料軸：輸送帶的位置通過(guò)安裝在輸送帶的接近開(kāi)關(guān)和輸送帶伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器分頻信號(hào)位置檢測(cè)。

    橫封橫切軸：橫封刀位置的檢測(cè)通過(guò)安裝在橫封刀上的接近開(kāi)關(guān)和設(shè)定的橫封刀每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

    機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的檢測(cè)定位流程如圖3：

                                      圖3 機(jī)器啟動(dòng)時(shí)三軸的檢測(cè)定位流程

3.2 機(jī)器運(yùn)行時(shí)的工藝及控制

    啟動(dòng)檢測(cè)定位完成后，機(jī)器將進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，其控制重點(diǎn)仍在于三軸的配合運(yùn)行，工藝結(jié)構(gòu)及控制圖如圖4：

                                 圖4 三伺服枕式包裝機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及控制圖

    圖中所標(biāo)的三軸的功能及控制要求分別為：

    橫封橫切軸：

    切割包裝膜，把每包包裝物分離，并且熱封包裝口，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)帶刀導(dǎo)輥旋轉(zhuǎn)對(duì)包裝物進(jìn)行橫封橫切，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到橫封過(guò)程的角度時(shí)，橫封軸必須與主軸保持同步，當(dāng)轉(zhuǎn)到其他角度時(shí)，橫封軸的速度需要改變，橫封的周期時(shí)間與主傳送帶送入一個(gè)包裝物品的時(shí)間相同。 

    在這里，我們將進(jìn)行橫封過(guò)程的角度稱(chēng)為同步角，同步角的大小根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)而定，目前使用最多的角度大小是66°左右。橫封軸轉(zhuǎn)到同步角時(shí)，必須與送料軸保持速度同步，而轉(zhuǎn)到其它角度時(shí)，需要加速還是減速，取決于橫封軸固有長(zhǎng)度與產(chǎn)品長(zhǎng)度之間的大小關(guān)系，固有長(zhǎng)度的定義如圖5所示：

                                       圖5 固有長(zhǎng)度的定義

    根據(jù)固有長(zhǎng)度與產(chǎn)品長(zhǎng)度之間的關(guān)系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步角以外的角度時(shí)加減速控制要求入圖6所示：

                                        圖6 橫封橫切軸控制速度要求

    送膜軸：

    帶動(dòng)包裝膜，夾運(yùn)，縱封軸，使包裝膜與包裝物同步，當(dāng)包裝薄膜上需要色標(biāo)定位時(shí)，必須在送膜軸的控制中加入糾偏，以防止滑差導(dǎo)致的累計(jì)誤差，保證橫切位置準(zhǔn)確如圖7：

                                            圖7 正確的橫切位置

    送膜軸的糾偏流程如圖8所示：

                                             圖8 送膜軸的糾偏流程

    送料軸：

    按照一定的速度帶動(dòng)包裝物，把包裝物送入包裝膜中，物料間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開(kāi)的，可以保證物料被送入包裝膜時(shí)位置的準(zhǔn)確性。但長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，其運(yùn)動(dòng)控制及糾偏的模式與送膜軸幾乎一致，只是檢測(cè)定位為信號(hào)采用了接近開(kāi)關(guān)，與主軸同步跟隨的參數(shù)也會(huì)有所不同。

4. OMRON公司FQM1運(yùn)動(dòng)控制器的介紹以及在三伺服枕包機(jī)中的應(yīng)用

4.1 FQM1功能及特點(diǎn)描述

    FQM1是OMRON的通用運(yùn)動(dòng)控制器，其特點(diǎn)就是可以進(jìn)行靈活、快速的運(yùn)動(dòng)控制，適合需要8軸以下伺服控制且同步協(xié)調(diào)或跟隨要求高的包裝機(jī)械,如：多伺服枕包機(jī)、連續(xù)式立包機(jī)、瓦楞紙生產(chǎn)線的送紙機(jī)構(gòu)、全伺服臥式包裝機(jī)等。

    FQM1可實(shí)現(xiàn)的控制功能如表１所示：

                                        表１　FQM1的控制功能

    FQM1的性能特點(diǎn)有：

    ——根據(jù)并列分散處理性系統(tǒng)，從2軸到最大8軸穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制周期（例：0.5～2ms）；

    ——內(nèi)置直接控制脈沖輸入輸出/模擬量輸入輸出的高速周期處理型引擎（例：從輸入信息到控制輸出1個(gè)周期0.5ms～2ms）；

    ——軸控制間的控制周期的同步化、高速脈沖起動(dòng)（最高25μs～）、高速模擬量輸入輸出（40μs）、高速計(jì)數(shù)器自鎖（30 μs）、高速浮動(dòng)小數(shù)點(diǎn)演算等；

    ——模塊化構(gòu)造，可將枕包機(jī)中的理料、飛剪等環(huán)節(jié)程序模塊化。

4.2 三伺服枕式包裝機(jī)的OMRON系統(tǒng)方案

    對(duì)于三伺服枕式包裝機(jī)，F(xiàn)QM1是一款非常合適的運(yùn)動(dòng)控制器，配合OMRON的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)。

    OMRON系統(tǒng)產(chǎn)品配置清單如表2：

                                      表2 OMRON系統(tǒng)產(chǎn)品配置清單

    OMRON系統(tǒng)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)如圖9：

                                        圖9 三伺服枕包機(jī)OC配置

4.3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.3.1 主軸

    如上所述，在三伺服滾刀式枕包機(jī)中，軸和軸之間的動(dòng)作需要保持同步或相互協(xié)調(diào)，因此就需要定義一根軸作為主軸，其余軸都以它為參照，進(jìn)行同步跟隨或凸輪定位。

    主軸可以用實(shí)際存在的三根軸中的一根來(lái)定義，也可以用虛軸來(lái)定義，定義成虛軸的優(yōu)勢(shì)在于可以省去控制器對(duì)主軸位置的判斷處理時(shí)間。

    由于FQM1支持虛軸功能，因此在這里我們定義一根虛軸為主軸。

    本文中的虛軸實(shí)際上使用了一個(gè)MMP模塊的實(shí)際脈沖輸出通道（脈沖輸出2），設(shè)置方式如圖10：

                                           圖10 MMP模塊設(shè)置圖

    操作模式為絕對(duì)脈沖（環(huán)形模式），循環(huán)最大計(jì)數(shù)：30000。使用SPED指令直接輸出脈沖每到脈沖值到30000時(shí)自動(dòng)清零。也就是每發(fā)送30000個(gè)脈沖相當(dāng)于包裝一個(gè)包裝物，可以根據(jù)包裝速度計(jì)算出發(fā)送的脈沖頻率。

4.3.2 橫封橫切軸的位置控制

    由于本設(shè)備使用電子凸輪代替了機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，其速度分為兩段速，因此采用APR指令與PULS指令結(jié)合應(yīng)用的方式對(duì)橫封橫切軸進(jìn)行控制。

    首先計(jì)算出橫封切刀的運(yùn)行曲線跟虛軸脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖11所示：

                                   圖11 橫封橫切軸與虛擬軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系

    由于FQM1傳承了OMRON PLC的功能塊及ST語(yǔ)言編程功能，因此在這里計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)系的算式可以用ST語(yǔ)言執(zhí)行，并組成功能塊如圖12所示：

                                 圖12橫封切刀與虛軸對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算

    計(jì)算出對(duì)應(yīng)關(guān)系后，將對(duì)應(yīng)關(guān)系得數(shù)據(jù)輸入APR指令的CAM表如圖13，再由APR指令根據(jù)虛擬軸的實(shí)時(shí)位置信息求出橫封橫切軸的位置，如圖14：

                                         圖13 APR指令表的制作

                                         圖14 APR指令執(zhí)行

    由于FQM1中的PULS指令經(jīng)過(guò)設(shè)置只需要給定絕對(duì)位置值就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出輸出頻率控制伺服系統(tǒng)，因此最后只需將APR指令中橫封橫切刀的位置地址作為PULS指令的目標(biāo)位置，即可完成橫封橫切軸的凸輪控制，如圖15：

                                          圖15 PULS指令執(zhí)行

4.3.3 送膜軸的位置控制

    送膜軸的位置控制跟橫封刀的方式相同，只是由于包裝膜的張力的變化會(huì)發(fā)生位置的偏差，在工作中必須進(jìn)行修正。

    首先計(jì)算出送膜軸運(yùn)行給定的袋長(zhǎng)需要的脈沖數(shù)，然后與虛軸的脈沖數(shù)進(jìn)行線性對(duì)應(yīng)，隨時(shí)讀取虛軸的脈沖值，然后根據(jù)線性關(guān)系求出膜軸應(yīng)該對(duì)應(yīng)的位置脈沖，通過(guò)PULS指令進(jìn)行輸出。

    如果出現(xiàn)色標(biāo)偏差可以修改袋長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)的最大值，即修改了線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖16所示，從而在下一周期中改變膜軸的位置，保證色標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。

                                       圖16膜軸與虛軸點(diǎn)數(shù)線性對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

    在這里需要注意的是：檢測(cè)出偏差后，需要進(jìn)行判斷色標(biāo)是超前還是滯后（可以在功能塊中計(jì)算，ST語(yǔ)言比較合適），但是超前和滯后會(huì)有四種情況，有超前一個(gè)袋長(zhǎng)的情況，沒(méi)有一個(gè)袋長(zhǎng)的情況；滯后一個(gè)袋長(zhǎng)的情況，不到一個(gè)袋長(zhǎng)的情況，如果不注意處理，就會(huì)發(fā)生誤糾偏的情況。在這里，我們?nèi)杂肧T語(yǔ)言編寫(xiě)功能塊，對(duì)此情況進(jìn)行處理，功能塊與ST源代碼如圖17、18所示：

                                          圖17 糾偏判斷功能塊

                                        圖18 糾偏判斷的ST源代碼

4.3.4 送料軸的位置控制

    送料軸的位置控制方式與送膜軸的控制方式相同，只是參數(shù)有所變更，在此不再敘述。

4.3.5 其他注意事項(xiàng)

    需要注意PULS指令的過(guò)零點(diǎn)判斷，如果判斷不好會(huì)出現(xiàn)伺服倒轉(zhuǎn)、突然高速運(yùn)行、抖動(dòng)的情況。

    另外，如果伺服參數(shù)調(diào)整不對(duì)也就是伺服的相應(yīng)不一樣，在高速時(shí)會(huì)出現(xiàn)色標(biāo)的偏差，此偏差不易在程序中修正。

5. 結(jié)束語(yǔ)

    經(jīng)過(guò)測(cè)試，設(shè)備可按照客戶原先提出的以下要求正常運(yùn)行：

    ①提高包裝精度，正常可以達(dá)到120～200包/分；

    ②減少機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去機(jī)械凸輪，易于維修，同時(shí)減少工作噪音；

    ③使用觸摸屏操作使操作方式人性化；

    ④使用方便，操作簡(jiǎn)單，即便出現(xiàn)故障只要簡(jiǎn)單處理就可繼續(xù)運(yùn)行。

    ⑤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別重要。

    整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，OMRON的FQM1的電子凸輪功能、同步總線高速運(yùn)算功能起到了關(guān)鍵作用，使得機(jī)器在保證切刀位置精準(zhǔn)的情況下高速穩(wěn)定地運(yùn)行。

    飛剪、電子凸輪、高速、實(shí)時(shí)糾偏等功能，是目前很多OEM機(jī)械尤其是包裝機(jī)械行業(yè)的高端機(jī)型提出的需求，在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，能夠?qū)⒃鹊纳a(chǎn)效率提高2～3倍甚至更多，在不久的將來(lái)會(huì)成為主流趨勢(shì)，而FQM1在三伺服枕包機(jī)中的成功應(yīng)用也證明了OMRON在遇到此類(lèi)機(jī)械的開(kāi)發(fā)時(shí)有很好的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)，在此領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。

參考文獻(xiàn)

[1] OMRON FQM1編程手冊(cè)

[2] OMRON FQM1操作手冊(cè)