自動包裝機橫切精度控制系統(tǒng)設計

鄧治宇

（重慶化工職業(yè)學院，重慶 401228）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，人們生活水平富足，人們對生活品質的追求越來越高，這一社會現(xiàn)實也促進了包裝行業(yè)的進步，促使與之相關的包裝產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。包裝業(yè)逐漸成為了經(jīng)濟體制轉型中不可缺少的重要組織部分[1，2]。這也促進了包裝橫切機控制系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展。同時紙板的生產(chǎn)要求走向高質量、高效率的發(fā)展要求，為了獲得更好的控制效果，為此相關學者設計了包裝橫切機控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在大量的技術問題有待解決。例如文獻[3]中設計了包裝自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件結構以及立體庫控制軟件以及翻轉機構控制軟件，構建了一種具有智能化的包裝系統(tǒng)。此種系統(tǒng)的控制能力與當前要求中的包裝智能控制還存在一定的差異，需要對其進行性能優(yōu)化[3]。文獻[4]中利用伺服電機同步實現(xiàn)了瓦楞紙板橫切機的全自動智能控制，通過模糊控制方法對橫切機速度跟蹤進行控制，以DSP為核心，搭建實驗平臺.所述系統(tǒng)能夠提高剪切效率，降低剪切誤差，滿足橫切機的設計要求.但此系統(tǒng)應用過程較為復雜，需要對其控制過程進行簡化[4]。

針對上述傳統(tǒng)系統(tǒng)中的不足，在本次研究中將使用PLC控制技術對其展開優(yōu)化，設計基于PLC控制的包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)。希望通過此系統(tǒng)對包裝切割機進行有效地控制，促進包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)包裝產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。

1 包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)硬件設計

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)的系統(tǒng)應用過程較為復雜問題，本次研究首先對系統(tǒng)硬件框架展開優(yōu)化。在原有系統(tǒng)硬件構架的基礎上，對中央控制芯片以及部分關鍵設備展開優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)硬件框架

根據(jù)上圖設計內容，完成硬件部分優(yōu)化過程。使用優(yōu)化后的硬件框架作為軟件模塊開發(fā)的基礎。力求在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能優(yōu)化，同時控制系統(tǒng)優(yōu)化成本。

1.1 中央處理器設計

處理器是控制系統(tǒng)的核心組成零件。根據(jù)包裝產(chǎn)業(yè)包裝完整性依據(jù)的要求，在本次研究中使用嵌入式微處理器作為中央控制器的選型藍本。本次研究中，選用32位RISC處理器[5，6]作為核心芯片。此芯片具有高質量圖像顯示、通訊性能良好的優(yōu)點，在一定程度上可降低系統(tǒng)開發(fā)成本。在此芯片中安裝高速存儲器、LCD控制器[7]、A/D轉換器以及100個高速通用接口。為提升此芯片對于橫切機的實時操作控制能力，以此保證時鐘單元的可控性。根據(jù)橫切機電路特征，將包裝橫切機切割控制系統(tǒng)結構設定如圖2所示。

圖2 包裝橫切機切割控制系統(tǒng)結構

將上述包裝橫切機切割控制結構與中央控制器芯片電路相結合，完成切割控制優(yōu)化過程。而后，將此控制器應用到現(xiàn)有系統(tǒng)硬件框架之中，為后續(xù)的硬件設備選型提供基礎。

1.2 伺服電機優(yōu)化設計

在本次設計中，為提升控制系統(tǒng)的使用性能，使用間接變速方式提高系統(tǒng)切割精度，從而達到提升系統(tǒng)使用性能的目標。因此，在本次研究中選擇合適的伺服電機作為補助馬達間接變速裝置，通過伺服電機有效控制包裝機切割速度切割位置精度。為系統(tǒng)軟件部分提供數(shù)據(jù)基礎，同時增強系統(tǒng)硬件結構穩(wěn)定性，具體伺服電機參數(shù)設定如表1所示。

表1 伺服電機參數(shù)設定

將伺服電機安裝到硬件框架中，通過驅動器發(fā)出脈沖信號控制伺服電機旋轉角度，通過此方法有效緩解電機在工作中受到的干擾[8，9]。通過更改信號發(fā)射頻率以及脈沖數(shù)控制橫切機刀口與紙板的進給速度。將本部分的設備進行有序連接，并將其與中央控制器同時引入到系統(tǒng)硬件框架中，完成系統(tǒng)硬件設計。

1.3 PLC設備選型

本次研究中，根據(jù)橫切機技術要求，選擇小型PLC完成橫切機控制過程。根據(jù)伺服電機以及中央控制芯片的選型結果，將PLC性能參數(shù)設定如表2所示。

根據(jù)表2參數(shù)完成PLC的選型，并將其引用到優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件框架中，為后續(xù)的軟件開發(fā)提供平臺。

表2 PLC性能參數(shù)

2 包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 切刀運動軌跡規(guī)劃

根據(jù)優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件，結合運動軌跡規(guī)劃算法[10，11]，對切刀進行智能控制。設定切刀角度位置為α，d表示切刀軌跡直徑，β表示同步角，v表示包裝材料進給速度，C表示設定的原料切割長度，c表示實際原材料剪切長度，di表示測速輪直徑，b表示編碼器分辨率，mb表示編碼器脈沖數(shù)，s表示編碼器脈沖量。通過大量文獻研究可知，原料剪切長度與切刀周長基本一致，如切刀運行速度不變，則剪切長度與預設長度一致[12]。通過公式可表示為：

根據(jù)此式(1)，可得到α，則有：

由式(2)可知，當切刀在初始時刻切斷紙板時，(0，ta)時切刀處于同步器，ta時刻切刀進入補償區(qū)，(ta，tc)時刻切刀位于補償區(qū)，tc時刻切刀進入同步區(qū)，(tc，td)時切刀位于同步區(qū)。根據(jù)此原理，則有：

根據(jù)式(3)～式(6)，可得到橫切機運行周期中的余弦函數(shù)方程，具體如式(7)所示：

使用此公式，對切刀運行周期進行控制，保證實際切割長度與預設原料切割長度一致。

2.2 橫切機模糊控制

使用上述設計內容對橫切機切刀展開控制，與此同時，使用PID控制算法[13～15]對橫切機整體進行控制。設定橫切機的動態(tài)過程如式(8)所示：

上述公式可得到橫切機的最高轉速，根據(jù)此公式可對橫切機轉矩展開計算，具體過程如式(9)所示：

式中，Zp表示橫切機的轉矩；Zv表示橫切機使用時，加工外界力折算到橫切機的轉矩；Zr表示摩擦力折算到橫切機的轉矩；Zg表示其他部件折算到橫切機上的轉矩。對于橫切機而言，設備自身的重力折算到其自身上的轉矩基本為0，由此可知：

對式(10)進行整合可得到橫切機使用過程中的摩擦轉矩，則有：

式(11)中，Zw表示橫切機中同步電機轉矩分量，Zo表示橫切機轉矩脈動，Zh表示支撐軸轉矩，λi表示橫切機的剪切電流。將上述橫切機轉矩計算部分與PID控制器相結合，完成對橫切機的整體控制過程。將切刀運動軌跡規(guī)劃優(yōu)化結果與硬件優(yōu)化內容相結合，至此，基于PLC控制的包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)設計完成。

3 系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)測試平臺

在本次研究中，針對傳統(tǒng)包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的切割誤差較大及橫切機調節(jié)時長較長等問題，引用PLC設備設計了基于PLC控制的包裝橫切機自動化控制系統(tǒng)。為證實此系統(tǒng)具有研究價值，對其展開系統(tǒng)測試，驗證PLC系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用差異。在本次研究中將主要對系統(tǒng)性能部分進行研究，因此，將橫切機的基本參數(shù)設定如下，避免由于測試主體不同造成測試結果的失真問題。

表3 橫切機基本參數(shù)

將上述設定數(shù)據(jù)作為測試對象的主要參數(shù)，使用PLC系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對其進行控制。為降低測試結果的分析難度，將設定對應的測試指標用以衡量PLC系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用效果。

3.2 系統(tǒng)測試方案

在本次系統(tǒng)測試中，將首先對文中提出的PLC系統(tǒng)硬件連接以及系統(tǒng)功能展開運行測試，如測試結果符合系統(tǒng)應用要求，可將其與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行性能對比測試。經(jīng)硬件連接測試可知，PLC系統(tǒng)硬件連接穩(wěn)定，無漏電等不良情況出現(xiàn)。對其進行功能測試可以發(fā)現(xiàn)，PLC系統(tǒng)功能運行穩(wěn)定，符合當前包裝橫切機自動控制要求。因此，可對其展開性能測試。

本次測試中，將系統(tǒng)測試指標設定為三部分，切刀長度控制能力、速度調節(jié)能力以及橫切機調節(jié)時長。此三組指標對控制系統(tǒng)的速度調節(jié)能力以及切刀控制能力進行分析。通過上述指標對PLC系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的應用功能進行研究。

3.3 測試結果分析

為了驗證本文方法的有效性，需要通過仿真實驗獲得不同方法下包裝橫切機控制系統(tǒng)的抗干擾效果，得到結果如表4所示。

表4 包裝橫切機控制系統(tǒng)的切割誤差

分析表4可知，不同系統(tǒng)的切割誤差不同。當切刀剪切速度為10m/min，文獻[3]系統(tǒng)的切割誤差為5.22mm，文獻[4]系統(tǒng)的切割誤差為3.66mm，設計系統(tǒng)的切割誤差為1.12mm。當切刀剪切速度為50m/min，文獻[3]系統(tǒng)的切割誤差為7.65mm，文獻[4]系統(tǒng)的切割誤差為4.62mm，設計系統(tǒng)的切割誤差為0.32mm。通過測試結果可知，設計的包裝橫切機控制系統(tǒng)的切割誤差明顯高于其他系統(tǒng)，這是由于PLC系統(tǒng)中增設了切刀運動軌跡規(guī)劃模塊有效控制了切刀的出刀長度，提升了系統(tǒng)對于切刀的控制能力。綜合上述測試結果可知，PLC系統(tǒng)的使用效果更加穩(wěn)定。

為了驗證設計系統(tǒng)的包裝橫切機速度調節(jié)能力，采用文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)及設計系統(tǒng)進行橫切機速度調節(jié)能力檢測，得到結果如圖3所示。

圖3 速度調節(jié)能力

由上述實驗圖像可以看出，PLC系統(tǒng)的速度調節(jié)能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的速度調節(jié)能力。在本次研究中，將速度調節(jié)能力體現(xiàn)為速度調節(jié)后的橫切機運行速度與預設速度的誤差情況。經(jīng)實驗結果證實，PLC系統(tǒng)使用后，橫切機的運行速度與預設速度較為一致，可有效提升橫切機的使用功能。傳統(tǒng)系統(tǒng)在一定程度上也可以較好地橫切機運行速度，但與預設速度存在相應的誤差，容易造成原料浪費的問題。因此，在后續(xù)的研究中，還應對控制系統(tǒng)的速度調節(jié)能力進行優(yōu)化。

為了驗證設計的包裝橫切機控制系統(tǒng)的橫切機調節(jié)效果，采用文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)及設計系統(tǒng)進行橫切機調節(jié)時長檢測，得到結果如圖4所示。（備注：調節(jié)時長指系統(tǒng)檢測出橫切長度有誤差后自動調整到合格長度的調節(jié)時間）。

圖4 橫切機調節(jié)時長

分析圖4可知，測試次數(shù)為2次時，文獻[3]系統(tǒng)的橫切機調節(jié)時長為22s，文獻[4]系統(tǒng)的橫切機調節(jié)時長為27.5s，設計系統(tǒng)的橫切機調節(jié)時長為17s。經(jīng)上述實驗結果證實，PLC系統(tǒng)的控制能力較高，可在較短的時間內實現(xiàn)對包裝橫切機的控制過程，提升包裝橫切機的使用效果，降低包裝材料的浪費情況。傳統(tǒng)系統(tǒng)的橫切機調節(jié)過程耗時較長，使用效果較差。由于耗時問題，無法對橫切機進行及時有效的控制，造成相應的原料浪費問題。針對此測試結果可初步確定PLC系統(tǒng)的控制能力與使用效果均優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

將系統(tǒng)功能測試結果與系統(tǒng)性能測試結果融合分析可以發(fā)現(xiàn)，PLC系統(tǒng)具有傳統(tǒng)系統(tǒng)無法達到的使用效果，將其應用在包裝行業(yè)中可促進此行業(yè)發(fā)展。

4 結語

本次研究在包裝橫切機控制系統(tǒng)的基礎上研制出了一種更為先進的控制端，能夠有效提升橫切機控制精度。本次研究中對傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足進行完善，但由于技術的限制，還存在相應的問題，在日后的研究中還需要對其進行性能優(yōu)化與升級。