摘要：本文以熱收縮薄膜包裝機為對象，介紹了作為運動控制部分的貝加萊伺服控制系統(tǒng)（B&R ACOPOS SERVO），對其在熱收縮薄膜包裝機各個機構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了描述，并在彩膜的送切問題上作了一點探討。

     目前，各種品牌的啤酒爭先涌入市場，而各個啤酒生產(chǎn)廠家為了搶占商機，也在不斷的提高啤酒的質(zhì)量與產(chǎn)量。因此，更新原有舊的啤酒生產(chǎn)設(shè)備已成為啤酒生產(chǎn)廠家必須要考慮的因素。生產(chǎn)啤酒時，從開始的釀造、灌裝、殺菌到zui后的貼標(biāo)、包裝，每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都關(guān)系著zui后啤酒的產(chǎn)量。自動化程度要求較高使得包裝*以來都是整個啤酒生產(chǎn)的一個薄弱環(huán)節(jié)。國外的熱收縮薄膜包裝機（以下簡稱膜包機）已經(jīng)能夠很好的完成zui后的啤酒包裝，如意大利DYMAC、SMI、OCME，德國的KRONES。由于國外的膜包機價格昂貴，國內(nèi)的許多啤酒生產(chǎn)廠商都改用成本較為低廉的集體手工捆扎或者是簡單的機械手搬移作為啤酒裝箱方式，尤其以集體手工捆扎形式較多。這樣，前幾個環(huán)節(jié)生產(chǎn)出的瓶裝啤酒會大量擁積到zui后，使得前幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)常常因zui后遲緩的手工捆扎而減慢速度。此外，瓶裝啤酒的偶爾爆裂時常會傷及正在進(jìn)行捆扎操作的工作人員。2002年6月我國在頒布的GB4927－2001啤酒新標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，全面取締手工捆扎式包裝。在借鑒了國外膜包機的*理念后，國內(nèi)的幾個輕工機械廠家和其他的啤酒生產(chǎn)設(shè)備制造廠家也都根據(jù)市場的需求，陸續(xù)推出了國產(chǎn)的膜包機。

系統(tǒng)的配置與方案

一般的，膜包機可以由主驅(qū)動、進(jìn)瓶、分瓶、送紙板、送切膜和熱通道六個部分組成。按照不同的設(shè)計思想，各個廠家生產(chǎn)的膜包機的機械結(jié)構(gòu)不盡相同，所選擇的可編程控制系統(tǒng)以及伺服控制系統(tǒng)也不一樣。以科時敏公司的膜包機為例，本文將介紹作為控制部分的貝加萊可編程控制（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)。

※　膜包機的硬件機構(gòu)

擁有同步電子齒輪、電子凸輪的伺服控制系統(tǒng)早已經(jīng)取代繁瑣的機械凸輪機構(gòu)，可以比較容易的按照設(shè)計者的要求實現(xiàn)運動對象之間的同步關(guān)系。膜包機的幾個運動機構(gòu)就是使用了伺服電機作為驅(qū)動軸，完成了從進(jìn)瓶、送紙板到送切膜的任務(wù)。使用一臺伺服電機的主驅(qū)動會作為其他幾根軸的同步對象，所有的角度相位關(guān)系也都根據(jù)主驅(qū)動電機而定。

※　控制系統(tǒng)

使用貝加萊的伺服控制系統(tǒng)完夠滿足膜包機所有電機的基本運動控制和它們之間的同步運動控制。集成了包裝過程中的邏輯控制并帶有顯示功能的人機面板PP41，一方面可以通過參數(shù)的輸入給運動控制部分傳達(dá)命令以及運動特征參數(shù)，另一方面可以及時反饋前機器的運行狀況和報警狀態(tài)。

※　現(xiàn)場總線（CAN BUS）

CAN 總線具有強有力的錯誤檢測能力及差分驅(qū)動功能，在強噪聲十分苛刻的環(huán)境中仍運行良好，因此，在傳媒傳輸和線路設(shè)計方面，CAN 總線可以很容易的適合大多數(shù)應(yīng)用場合[1]。

通過現(xiàn)場總線（CAN BUS），人機面板（PP41）和各個伺服控制器之間的通訊變得十分可靠，尤其為伺服運動控制系統(tǒng)中的在線修改同步特征參數(shù)提供了保證。

※　基本運動控制

貝加萊的伺服運動控制系統(tǒng)（ACOPOS SERVO）采用了面向?qū)ο笮偷目刂品绞?。使用語言（Basic 或者 C），在針對一個伺服控制器創(chuàng)建了一個運動對象（Axis Object）后，就可以利用創(chuàng)建的指針完成對電機不同的運動控制。

Status =ncaction(AxisBUR->Object,ncPOS_MOVE,ncSTART); 程序1

函數(shù) ncaction() 會執(zhí)行所有對伺服電機運動控制的基本操作命令。參數(shù)1是運動控制對象的指針，參數(shù)2是動對象的控制方式，參數(shù)3是正對控制方式的動作行為。如上這個語句的意義是：讓運動對象AxisBUR->Object ，以正方向運動ncPOS_MOVE ，ncSTART啟動。

膜包機的各個電機的單獨調(diào)試與尋參、主驅(qū)動的啟停、以及分瓶電機的配合都會用到基本運動控制。這樣的控制方式目標(biāo)明確，便于控制程序的寫。

※　同步運動控制

同步運動控制是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，一個伺服電機相對于另一個伺服電機要完成一定的運動軌跡所作的控制，也就是通常所說的電子齒輪和電子凸輪的概念。

對于ACOPOS SERVO來說，參與同步的兩臺伺服電機具有主從關(guān)系。膜包機的同步運動控制一般是在位置上的同步。在CAN總線上，主軸會把當(dāng)前的位置信息以一定的微小間隔時間傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)上，而參與同步的從軸也會實時的取得這些信息，再實時的根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算出當(dāng)前從軸要走到位置，并且運行當(dāng)前的軌跡。

通過數(shù)學(xué)模型，我們可以得到從軸相對于主軸的輪廓關(guān)系（Profiler）。這些輪廓的特征參數(shù)在電機參與同步之前要下載到伺服控制器中。PP41會利用CAN總線完成參數(shù)的下載任務(wù)。ACOPOS SERVO可以一次設(shè)定11組輪廓關(guān)系，使用事件（Event）的方式，使從軸可以在設(shè)定的輪廓關(guān)系組中按照運動的需要方便的跳轉(zhuǎn)。事件的觸發(fā)可以有很多種，可以使用PP41向下發(fā)送4個SIGNAL信息（ncSIGNAL1.2.3.4），也可以是伺服控制器上的2個觸發(fā)信息（ncTRIGGER1.2）。因此，我們可以把主從的輪廓關(guān)系按照一定的要求分解成幾個階段（State），通過階段之間的跳轉(zhuǎn)，可以完成不同階段的同步要求。

程序2這段代碼是一個輪廓關(guān)系中的*個階段，實現(xiàn)了一個簡單的1:2的主從位置同步。在這個階段主軸在完成10000個unit的同時從軸要走完20000個unit。在完成后有兩個跳轉(zhuǎn)事件，事件1：如果之前有ncSIGNAL1信息發(fā)生，跳轉(zhuǎn)至第2階段；事件2：結(jié)束后沒有前面的事件發(fā)生將繼續(xù)重復(fù)*個階段的同步軌跡。

m =2;
camdata->State[m].CamDataIndex =0xFFFF;
camdata->State[m].CompensationMode =ncOFF;
camdata->State[m].MaCompDistance =0;
camdata->State[m].SlCompDistance =0;
camdata->State[m].MaFactor =10000;
camdata->State[m].SlFactor =20000;
camdata->State[m].MaMinCompDistance =1;
{
n =0;
camdata->State[m].Event[n].Type =ncSIGNAL1;
camdata->State[m].Event[n].Attribute =ncST_END;
camdata->State[m].Event[n].NextState =2;
n =1;
camdata->State[m].Event[n].Type =ncST_END;
camdata->State[m].Event[n].Attribute =ncST_END;
camdata->State[m].Event[n].NextState ＝1;

程序2

在膜包機中，上膜電機在接收到上膜信號后，當(dāng)主電機再運行到一定相位時開始同步運動，直至主電機完成一個周期，上膜電機也完成一次上膜任務(wù)。我們可以分成3個階段，即上膜電機等待上膜信號、主電機到達(dá)上膜起始相位，以及跟著主電機完成一次上膜任務(wù)。上膜時，要根據(jù)先慢后快的原則，zui后一個階段還可以再次細(xì)分成幾個階段。

※　 虛軸概念

在ACOPOS SERVO中，針對每一個伺服電機而創(chuàng)建的運動對象都具有一個假象的軸，也就是虛軸。這個虛軸和實軸一樣，一方面能夠作為從軸，跟著主軸完成同步軌跡，另一方面還能夠作為主軸，讓其他從軸參與同步。由于虛軸概念的引入，使得一個伺服電機也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關(guān)系。

如果在上膜電機和主電機之間加一個主虛軸，那么可以把等待上膜信號、等待主電機的起始相位、與主電機完成一個周期這3個階段的輪廓關(guān)系加在主虛軸上。上膜電機可以與主虛軸同步，完成先慢后快的幾個階段的同步任務(wù)。這樣，可以在主電機不運動的情況下，讓虛軸走一個周期，上膜電機就能夠完成一次上膜任務(wù)，也就是手動上膜一次，便于一開始上膜位置的前后調(diào)整。

控制過程中的功能實現(xiàn)

ACOPOS SERVO在膜包機中要完成的任務(wù)是：驅(qū)動推瓶桿和挑膜桿、送紙板、送切膜和分瓶。其中發(fā)生同步關(guān)系的任務(wù)有送紙板、送膜和切膜。送瓶電機雖然沒有參與同步，但是在分瓶過程中，它和壓板、擋板都是以主電機的相位角度作為依據(jù)，執(zhí)行著相互關(guān)聯(lián)的啟停，共同完成分瓶任務(wù)。

※　白膜的送切

送膜和切膜是膜包機中zui重要的環(huán)節(jié)，也是控制過程中zui困難的部分，尤其是送膜。

根據(jù)工藝的要求，當(dāng)送膜啟動后的開始階段，出膜的速度應(yīng)該和待包的一組瓶的速度保持一致，壓在紙板下膜的部分應(yīng)該是預(yù)先設(shè)定的長度，而且不能夠發(fā)生卷曲。剩下的幾個階段要快速出膜，以保證挑膜桿能夠不受阻礙的將后面的薄膜挑出。挑膜的這幾個階段的速度一定也要控制的適當(dāng)，過快會導(dǎo)致薄膜曲皺，過慢會引起挑膜桿受阻。無論是幾個階段，也不管中間出膜的速度快慢，zui終一定要保證主電機在執(zhí)行一個周期后，送膜電機也要正好完成一次送膜。也就是送膜電機和主電機的一次同步。

在切膜機構(gòu)上，不同的廠家設(shè)計的也不一樣。目前有兩種機構(gòu)采用的較多，一種是在送膜電機軸上采用電磁離合器吸合一個切刀綁定后旋轉(zhuǎn)一圈；另外一種是把切刀作為一個獨立的電機軸和送膜電機軸保持同步。切膜值得重視的是切刀旋轉(zhuǎn)切膜的瞬間線速度應(yīng)該大于薄膜被切點的線速度，否則薄膜可能會刮壞、切不斷，甚至造成切刀齒崩壞?？茣r敏公司的膜包機采用獨立的切刀電機軸，和送膜電機參與同步的切刀可以更直接的調(diào)整同步時幾個同步階段的快慢，保證了每次切膜的位置精度，同時還可以參與彩膜控制。

白膜的送切還應(yīng)該注意一個很重要的問題：不同裹包速度下的膜長控制。為了保證上膜后膜輥筒不再因為慣性而繼續(xù)出膜，都會在膜輥筒旁邊加上剎車裝置。受了剎車裝置的拉拽因素的影響，再加上上膜輥筒的摩擦因素，使得實際的膜長在不同的裹包速度下會有變化。換句話說就是如果上膜電機的一次上膜量不變，那么，隨著裹包速度的增加，實際的上膜長度會越來越短。因此，我們需要增加一個不同裹包速度的上膜補償量。

※　分瓶

分瓶控制在膜包機中，一直都是一個不可忽視的問題，分瓶裝置的分瓶好壞直接會影響后面的裹包速度，從而影響整個生產(chǎn)線的速度。目前，分瓶裝置也有兩種機構(gòu)采用的較多，一種是使用兩個電機軸，與主電機保持一快一慢的同步關(guān)系；另外一種是使用壓板、擋板和進(jìn)瓶電機軸根據(jù)主電機的相位相互配合的啟停。第二種方式的分瓶裝置阻止了倒瓶現(xiàn)象，提高了分瓶速度。

※　入口進(jìn)瓶與熱通道出瓶

除了送切膜和分瓶，入口進(jìn)瓶與熱通道出瓶也不能降低控制要求。入口和熱通道分別都應(yīng)該配置一個變頻器，平穩(wěn)的控制進(jìn)出瓶的輸送。根據(jù)工藝的要求，入口輸送帶與熱通道輸送帶的速度應(yīng)該和主電機保持一個比例關(guān)系。這樣可以保證主電機、入口輸送、分瓶、熱通道輸送作到一個基本同步。入口輸送的快慢控制著瓶之間的松緊，從而對分瓶的好壞產(chǎn)生影響。熱通道輸送的快慢加上溫度的高低也會使裹包后的膜收縮程度不同。因此，前后輸送的同步配合也是一個需要考慮的因素。

※　彩膜送切的探討

白膜沒有位置的限制，可以從任何一個位置開始，只要保證每次送切的膜長一致就可以。相比之下，彩膜送切的位置與膜長所要求的精度高很多。除了薄膜長度以外，送切后彩膜的圖案對稱度也是一個檢驗的標(biāo)準(zhǔn)。一般地，印制出來的彩膜都會在兩段對稱圖案的后面留有一個空白段，是待切部分。每一個空白待切部分的薄膜邊緣都會有一個黑色的一小塊色標(biāo)印記（Print）。利用一個光電傳感器可以在送膜過程中捕獲這一個印記，從而讓伺服控制器得到這個信息。工藝上要求，印記一旦被檢測到，上膜電機會完成一段位移，然后開始切膜。如果上膜電機一直以一定的速度運動，那么，切膜電機從檢測到印記與上膜電機同步到zui后完成切膜應(yīng)該是容易控制的。但是，上膜電機仍然需要和主電機保持同步，完成先慢后快的軌跡。當(dāng)然，勻速送切彩膜方式可以用作*次的手動校準(zhǔn)。因此，本次在科時敏的膜包機中采用了一種動態(tài)控制上膜長度的方法來控制彩膜的送切，達(dá)到了一定的工藝要求。其實，彩膜的送切應(yīng)該還有其他很好的方法值得研究，國外的*經(jīng)驗也是值得借鑒的。

結(jié)束語

熱收縮薄膜包裝機在整個啤酒生產(chǎn)線中是zui后一個環(huán)節(jié)，也是影響zui終啤酒產(chǎn)量的一個重要因素。國內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家也是zui近一兩年開始投入使用國產(chǎn)的膜包機。因此，無論從機械、電氣，還是到整個系統(tǒng)的控制，都還有一定的有效完善空間。terraform.top