自動化包裝機械控制系統(tǒng)的設計方法研究

杜巧連， 陳旭輝， 舒柏和

（1.浙江師范大學行知學院，浙江 金華 321004；2.浙江金華市技師學院，浙江 金華 321000；3.金華漢生機電控制工程有限公司，浙江 金華 321000）

引言

我國經(jīng)濟快速發(fā)展，給包裝機械行業(yè)的發(fā)展帶來了機遇。調(diào)查資料表明，隨著包裝機械需求量的不斷提升，全球的包裝機械需求每年以5.3%的速度在增長［1］，同時市場競爭也日益激烈。包裝機械行業(yè)要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須在技術水平上有所創(chuàng)新。從國內(nèi)外包裝機械現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看［2］，國外包裝機械行業(yè)根據(jù)商品包裝多樣性的需求，充分利用現(xiàn)代化科技與應用相關高新技術，已生產(chǎn)出多品種、小批量的通用包裝機械，并且開發(fā)出專用包裝機械。近年來，我國包裝機械有了高速發(fā)展，但在數(shù)量、質(zhì)量方面和國外發(fā)達國家相比，產(chǎn)品開發(fā)技術、性能質(zhì)量、可靠性等方面仍存在很大差距。欲縮短相關差距，不僅要有優(yōu)秀的設計方案，還需要有先進的制造工藝，只有從設計與制造兩方面入手，才能制造出性能良好的包裝機械。而設計方法在很大程度上決定了設計的優(yōu)劣，因此，研究包裝機械的設計方法極其重要。本文以高速創(chuàng)可貼生產(chǎn)包裝機械為例，從研究包裝機械的設計方法入手，分析了自動包裝機械模塊化設計的基本方法，并在設計方法層面上提出了創(chuàng)新思路，以實現(xiàn)包裝機械的自動化、柔性化和智能化。

1 創(chuàng)可貼包裝機械的設計特點

創(chuàng)可貼包裝機械的一般生產(chǎn)工藝為：涂布－分切－復合－包裝－滅菌，核心在于復合－包裝這一段，不同的廠家有不同的設備去處理。目前，大多數(shù)國內(nèi)廠家采用三步法設備。第一步：復合。常采用三聯(lián)復合方式，將藥棉墊、醫(yī)用膠帶、復膜紙復合。第二步：沖片。用三個工位滾切刀將復合好的基材沖切成創(chuàng)可貼片。第三步：包裝。將創(chuàng)可貼片置于雙層冷封紙內(nèi)壓合、切斷、包裝。這種 “三步法”設備投資少，工藝簡單。但由于效率低，消耗人工多，已不能適應廠家生產(chǎn)創(chuàng)可貼的自動化要求，為此，將三步并一步的創(chuàng)可貼復合包裝機應運而生。

隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展，新型運動控制系統(tǒng)是創(chuàng)可貼包裝機的核心。為適應創(chuàng)可貼機械的自動化要求，需對原運動控制系統(tǒng)進行改進。如：將原有單一電機驅(qū)動改為多個獨立的伺服電機驅(qū)動以提高高速運行時的控制精度；采用運動控制器進行多軸控制編程以提高設備穩(wěn)定性和可靠性；使用新的代碼編寫程序減少了產(chǎn)品換型時間等。創(chuàng)可貼包裝機械由7～14軸伺服軸傳動控制，運行中，各軸之間位置以及速度相對應關系十分重要，分別控制包裝紙、膠布、復膜紙、藥棉等部分。在整個系統(tǒng)中，包括三個小包裝系統(tǒng)，由三個工位組成。通過三個工位配合動作，最終把藥棉、膠布、復膜紙、包裝紙組合成創(chuàng)可貼。

2 包裝機械自動化產(chǎn)品模塊設計

2.1 包裝機械模塊化設計特點

自動化技術的應用改變著包裝機械行業(yè)的設計與制造方法，要研究創(chuàng)可貼包裝機械的設計方法，必須先從包裝機械的特點入手，包裝機械的設計應綜合運用機、電、光、氣一體化技術提高自動化水平，以實現(xiàn)包裝機械自動化，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)代包裝機械設計時，模塊化設計是一種先進的設計方法，核心思想是根據(jù)功能劃分成多個模塊進行設計，然后通過模塊設計的不同組合，使相應的包裝機械設計實現(xiàn)系統(tǒng)化和功能化。

模塊化設計有以下特點［3］：

1）有利于產(chǎn)品柔性化水平的提高。采用模塊化設計，由實現(xiàn)不同功能的各模塊組成產(chǎn)品，可使產(chǎn)品的結構與性能有更好的適應性。

2）有利于小批量、多品種生產(chǎn)。采用模塊化設計，針對用戶的要求，只需設計或更換個別模塊，實現(xiàn)適合小批量、多品種、多功能機器的制造生產(chǎn)，還可縮短設計周期。

3）有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。采用模塊化設計，有利于先進加工制造技術的應用。由于一些零部件標準化程度高，使產(chǎn)品具有良好的性能和較高的可靠性。

4）有利于降低成本。采用模塊化設計可使大多數(shù)零部件由單個、小批量生產(chǎn)變?yōu)榕可a(chǎn)，有利于降低成本。

2.2 包裝機械自動化產(chǎn)品模塊設計研究

在包裝機械上使用的自動化產(chǎn)品按功能分主要有控制、傳動、運動控制、人機界面、電器元件、傳感器以及機器視覺［4］。下面以高速創(chuàng)可貼生產(chǎn)包裝機械為例，分別介紹傳動系統(tǒng)模塊設計、人機界面模塊設計、運動控制模塊設計和控制系統(tǒng)模塊的設計。

1）傳動系統(tǒng)模塊設計。在高速創(chuàng)可貼包裝機械傳動系統(tǒng)模塊設計時，傳動系統(tǒng)在包裝機械上的使用主要是為了調(diào)整主工藝速度以及控制電機在生產(chǎn)過程中速度的周期性變化。傳動系統(tǒng)模塊由多個伺服軸進行傳動控制，分別控制包裝紙、膠布、復膜紙、藥棉等部分的傳動。在整個傳動系統(tǒng)中，包括三個小包裝系統(tǒng)，由三個工位組成。通過三個工位配合動作，最終把藥棉、膠布、復膜紙、包裝紙組合成創(chuàng)可貼。三個工位滾切刀采用單獨伺服電機驅(qū)動控制，各部件牽引單獨伺服電機驅(qū)動。運行中，各軸之間位置以及速度相對應關系十分重要。為了克服轉(zhuǎn)動慣量對定位及速度同步控制的影響，各伺服電機都增加了伺服減速機。高速創(chuàng)可貼包裝機械的總線型運動控制器內(nèi)含PLC模塊和運動控制模塊，運動控制模塊可對伺服運動軸進行精密控制，以完成用戶期望的速度控制及位置控制。同時傳動系統(tǒng)模塊可擴展以太網(wǎng)模塊以及其他總線模塊?？偩€型運動控制器運行速度快，接口豐富，可以滿足高速創(chuàng)可貼包裝機應用要求。

2）人機界面模塊設計。高速創(chuàng)可貼包裝機械人機界面模塊設計時，人機界面模塊采用大數(shù)據(jù)理念，對設備運行數(shù)據(jù)、故障停機數(shù)據(jù)、故障原因記錄數(shù)據(jù)等進行記錄。包裝機械的HMI以文本顯示器為主，人機界面模塊使用觸摸屏，采用配方管理功能，通常與PLC配合使用，用以設定生產(chǎn)工藝參數(shù)，監(jiān)控設備運行狀態(tài)。當用戶更換產(chǎn)品時只需更換相應的成型模具，其他機械傳動齒輪不需要按產(chǎn)品要求去更換，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶產(chǎn)品要求，在配方表中選擇，系統(tǒng)工藝參數(shù)自動更換。

3）運動控制模塊設計。為使運動控制模塊的設計滿足生產(chǎn)需求，運動控制在包裝機上的應用主要是實現(xiàn)精確的位置控制和嚴格的速度同步，由于伺服電機具有自動調(diào)整、響應速度快、低振動等優(yōu)點，主要通過伺服電機來實現(xiàn)。創(chuàng)可貼包裝機械整機運動部件，包括膠布剝離、藥棉輸送、膠帶牽引、藥棉滾切、沖片牽引、沖片滾切、包裝牽引、包裝滾切等，都采用獨立伺服電機驅(qū)動，該運動控制模塊控制方式靈活，可適應不同產(chǎn)品加工生產(chǎn)要求。

創(chuàng)口貼包裝機上的運動控制系統(tǒng)是整個設備的自動控制核心，設計時將原有單一電機驅(qū)動改為多個獨立的伺服電機驅(qū)動，提高了高速運行時的控制精度；采用運動控制器進行多軸控制編程，提高了設備穩(wěn)定性和可靠性；使用新的代碼編寫程序，減少了產(chǎn)品換型時間等，這一系列的改變都大大提高了設備的工作效率。

4）控制系統(tǒng)模塊設計。PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、程序設計方便靈活、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，包裝機械的大部分控制系統(tǒng)選擇使用了PLC控制系統(tǒng)。創(chuàng)可貼包裝機械控制系統(tǒng)模塊設計采用多伺服軸同步控制技術。整機系統(tǒng)由一組獨立子系統(tǒng)一起工作來執(zhí)行一項任務，不但要考慮每個子系統(tǒng)的控制策略，還要綜合考慮子系統(tǒng)之間的合作、協(xié)調(diào)關系，即同步控制策略。系統(tǒng)的誤差是各參與軸合成運動形成的，多軸的合成運動反映在產(chǎn)品誤差上，直接影響最終產(chǎn)品的精度。

總線型運動控制器與伺服傳動軸控制器通過CANopen總線控制，各軸都由一定的位置與速度關系組成。系統(tǒng)構建一個虛軸作為一個基準軸，各軸都會跟隨這個虛主軸來確定相應的速度以及位置。整個系統(tǒng)運行與停止都由虛軸決定，各軸通過電子齒輪與主軸構建比例關系，以達到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。在啟動包裝紙色標以及膠布色標時，需要進行高速位置捕獲。設計時把伺服編碼器信號接到總線控制器編碼器接口，通過建立虛擬編碼器軸對該軸進行位置捕獲，從而得到位置。各軸通過與虛主軸建立電子齒輪，以完成各軸的同步運行，且通過編碼器虛軸捕獲位置，達到一個全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 包裝機械自動化創(chuàng)新設計的新思路

新型自動化包裝機械往往是機、電、氣一體化的設備［5］。采用多伺服電機拖動的同步控制技術是包裝機械自動化的關鍵技術之一。自動化包裝機設計時應充分利用產(chǎn)品的最新成果與信息技術，簡化整機的結構，縮短傳動鏈，提高工作精度和速度?，F(xiàn)階段，包裝機械創(chuàng)新設計的新思路為［6］：

1）提高工藝流程自動化。新型包裝機械采用機械手完成復雜的動作，自動化程度越來越高，以提高生產(chǎn)率和設備的柔性及靈活性。自動化技術只占包裝機械設計的50%以上，大量使用了微電腦設計和機電一體化控制。

2）使產(chǎn)品機械和包裝機械一體化。兩者的一體化，包裝機械往往成為生產(chǎn)的“瓶頸”，關鍵是要解決好生產(chǎn)能力相互匹配的問題。因此要尋求提高生產(chǎn)率途徑，以降低工藝流程成本。

3）新型包裝機械應具有良好的柔性和靈活性。由于市場的激烈競爭，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，因此要求新型包裝機械具有良好的柔性和靈活性以適應產(chǎn)品變化，才能符合經(jīng)濟性的要求。

4）使用計算機仿真設計技術。隨著新產(chǎn)品開發(fā)速度不斷加快，包裝機械設計普遍采用了計算機仿真設計技術，對包裝機中常用機構進行有限元分析和優(yōu)化設計，大大縮短了包裝機械的開發(fā)設計周期。

總之，包裝機械設計不僅實現(xiàn)包裝機械的自動化、柔性化和智能化，還要重視生產(chǎn)效率，注重經(jīng)濟性。

4 結語

包裝機械行業(yè)屬于現(xiàn)代工業(yè)的配套行業(yè)，涉及到國民經(jīng)濟的許多領域，是正處于產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整中的中國經(jīng)濟，要想讓自己的產(chǎn)品提高產(chǎn)品附加值，提高產(chǎn)品的國際市場競爭力，必須努力發(fā)展科技，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時還需努力發(fā)展包裝機械行業(yè)，改變目前包裝機械落后的局面。國外包裝機械的總體趨勢是“三高”——高速、高效、高質(zhì)量。要想縮小我國與歐美國家之間的差距，就必須將自動化技術引入到包裝機械，實現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)、低耗和安全生產(chǎn)。

［1］ 王柳瑩.就我國實現(xiàn)全面包裝機械自動化的相關探討［J］.包裝世界，2013（5）：24－25.

［2］ 朱建萍，王鵬.包裝機械設計方法研究［J］.包裝工程，2007，28（7）：89－91.

［3］ 高德.包裝機械設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［4］ 韓占華，郭飛.自動化在包裝機械中的應用和展望［J］.包裝與食品機械，2011，29（3）：45－52.

［5］ 劉守謙.改進包裝機械設計方法的新思路［J］.輕工機械，2005，23（4）：1－3.

［6］ 鐘功望.德國包裝機械自動化［J］.中國包裝工業(yè)，2006（9）：21－22.