枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申九菊

枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申九菊

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000）

針對(duì)傳統(tǒng)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中容易出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象進(jìn)行糾偏控制研究。采用單片機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制電路，并給出糾偏控制電路的3種脈沖頻率。根據(jù)機(jī)器視覺(jué)的控制規(guī)則，結(jié)合枕式包裝機(jī)糾偏控制器工作原理設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制器，并根據(jù)糾偏需求，設(shè)計(jì)CCD傳感器與調(diào)頻穩(wěn)壓電路。采用域糾偏控制系統(tǒng)相關(guān)的工具箱設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制率參數(shù)?；谡硎桨b機(jī)糾偏控制的數(shù)學(xué)形式計(jì)算枕式包裝機(jī)糾偏控制增量，結(jié)合增量式控制原理設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制程序，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)不僅可以提高枕式包裝機(jī)糾偏控制精度，而且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間能夠穩(wěn)定在2 s以內(nèi)。所設(shè)計(jì)的糾偏控制系統(tǒng)能夠提高糾偏控制精度，并且縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提升了系統(tǒng)的性能。

機(jī)器視覺(jué)；枕式包裝機(jī)；糾偏控制；控制率參數(shù)

枕式包裝機(jī)相較于傳統(tǒng)的包裝機(jī)具有多種優(yōu)勢(shì)，如機(jī)械自動(dòng)化程度比較高、機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)美觀、操作和維修也比較方便等[1]，但也存在無(wú)法自動(dòng)糾偏等不足。基于機(jī)器視覺(jué)控制的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)枕式包裝機(jī)在實(shí)際操作中控制不足等問(wèn)題，它主要是利用雙變頻器控制，促使枕式包裝機(jī)的自動(dòng)控制能力增強(qiáng)，解決機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)偏離正確軌道的問(wèn)題，使包裝產(chǎn)品過(guò)程具有一定的靈活性[2-3]。

針對(duì)枕式包裝機(jī)自適應(yīng)能力差造成的軌道偏差問(wèn)題，趙璐等[4]研究出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能枕式包裝機(jī)糾偏算法，根據(jù)枕式包裝機(jī)的工作過(guò)程構(gòu)建機(jī)械拉膜工作跑偏模型，利用傳感器對(duì)機(jī)器跑偏量進(jìn)行采集，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)采集的枕式包裝機(jī)跑偏量進(jìn)行分析，然后根據(jù)結(jié)果對(duì)跑偏信號(hào)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)枕式包裝機(jī)的智能糾偏。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能枕式包裝機(jī)糾偏算法，能夠有效地解決枕式包裝機(jī)自適應(yīng)能力差造成的軌道偏差問(wèn)題。呂俊霞等[5]提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制方案，其主要原理是利用機(jī)器視覺(jué)獲得包裝薄膜的實(shí)際跑偏位置，計(jì)算出枕式包裝機(jī)的跑偏值，采用視覺(jué)模糊控制構(gòu)建糾偏控制模型，利用模型對(duì)枕式包裝機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制方案能將糾偏誤差控制在±0.5 mm內(nèi)，具有較高的糾偏控制能力。

在使用枕式包裝機(jī)對(duì)商標(biāo)圖案進(jìn)行高速包裝過(guò)程中，包裝材料受多種因素影響，可能會(huì)造成牽引輥等設(shè)備偏離正常運(yùn)轉(zhuǎn)軌道，以及受生產(chǎn)線過(guò)長(zhǎng)等因素影響，最終導(dǎo)致包裝材料“跑偏”的現(xiàn)象，這對(duì)包裝質(zhì)量造成非常大的影響，只能停機(jī)整頓。因此，為了不影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，糾正枕式包裝機(jī)在運(yùn)作過(guò)程中出現(xiàn)的偏離軌道現(xiàn)象，提出并設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 枕式包裝機(jī)糾偏控制電路設(shè)計(jì)

枕式包裝機(jī)糾偏控制電路見(jiàn)圖1。枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)選用89C51雙變頻器作為控制中心，雙變頻器在使用過(guò)程中最大的優(yōu)點(diǎn)就是具有4KFlash儲(chǔ)存空間，而且還有4組8位的I/O，5個(gè)中心控制開(kāi)關(guān)，以及2個(gè)16位控制器和128 M儲(chǔ)存字節(jié)[6]。因此，雙變頻器作為控制中心很容易與控制系統(tǒng)融合，不僅價(jià)格便宜，而且還具有操作智能和靈活等優(yōu)點(diǎn)。封切刀作為糾偏系統(tǒng)的信號(hào)源，主要由2個(gè)光電傳感器CPS1和CPS2組成，利用機(jī)器視覺(jué)采集色標(biāo)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行糾偏檢測(cè)[7]。3個(gè)光電傳感器在雙變頻器的運(yùn)作下分別與P1.0、P1.1和P1.2端口相連，其中P521的主要功能是抗磁力干擾。單片電機(jī)選用雙頻混合進(jìn)電機(jī)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻控制，促使雙頻混合電機(jī)的最大電流量達(dá)到6 A，實(shí)現(xiàn)單片電機(jī)最大扭矩為10 N·m、矩角為1.8°。

滿足上述條件的單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有較的強(qiáng)抗擾能力，不僅運(yùn)行平穩(wěn)，而且性能好、噪音小[8]。將雙變頻器P1.3口與封切信號(hào)端SJ–260連接在一起，單片電機(jī)的2個(gè)糾偏端口DIR與P1.4相連。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，雙變頻器接收單片電機(jī)的3個(gè)傳感器信號(hào)，利用P1.3端口控制110BYG的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)連接主機(jī)控制器，對(duì)枕式包裝機(jī)進(jìn)行即時(shí)軌道修正，最終實(shí)現(xiàn)枕式包裝機(jī)糾偏控制電路的設(shè)計(jì)。在枕式包裝機(jī)糾偏控制電路中，P1.3接口處輸出的脈沖信號(hào)狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖1 枕式包裝機(jī)糾偏控制電路

圖2 枕式包裝機(jī)糾偏控制電路的3種脈沖頻率

根據(jù)枕式包裝機(jī)糾偏控制電路圖，給出了脈沖信號(hào)在P1.3接口的狀態(tài)，完成了枕式包裝機(jī)糾偏控制電路設(shè)計(jì)。

1.2 枕式包裝機(jī)糾偏控制器設(shè)計(jì)

在枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)中，一共包含4個(gè)糾偏控制器，它們?cè)谠O(shè)計(jì)方法上基本一致，因此文中只介紹其中一個(gè)糾偏控制器。采用機(jī)器視覺(jué)的控制方法[9]來(lái)設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制器，其控制原理見(jiàn)圖3。

圖3 枕式包裝機(jī)糾偏控制器工作原理

假設(shè)表示枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的誤差，c表示控制誤差變化率，表示枕式包裝機(jī)糾偏控制量，那么機(jī)器視覺(jué)的控制規(guī)則表示為：

(1)

式中：為機(jī)器視覺(jué)的修正函數(shù)，式（1）描述了誤差變化情況對(duì)枕式包裝機(jī)糾偏控制的權(quán)重，由于會(huì)受到修正因子0和量化因子α的影響[10]，因此當(dāng)枕式包裝機(jī)糾偏控制器運(yùn)行時(shí)，采用ITAE指標(biāo)對(duì)枕式包裝機(jī)糾偏控制器參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，即：

(2)

式（2）中誤差函數(shù)經(jīng)過(guò)加權(quán)處理之后的面積，可以反映出枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差[11]，那么將式（1）描述成離散形式，見(jiàn)式（2）。

(3)

機(jī)器視覺(jué)修正函數(shù)在尋優(yōu)過(guò)程中需要滿足約束條件：

(4)

1.3 CCD傳感器設(shè)計(jì)

糾偏控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)枕式包裝機(jī)實(shí)際位置的糾偏需要準(zhǔn)確采集待包裝物體的位置信息，而在此次糾偏系統(tǒng)研究中，采用CCD傳感器采集待包裝物體的實(shí)際位置信號(hào)，并通過(guò)485通信模塊將位置信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊m偏控制器中。CCD傳感器的主要結(jié)構(gòu)包括CCD驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集和485通信模塊等。CCD傳感器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 CCD傳感器結(jié)構(gòu)

1.4 調(diào)頻穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

為了使糾偏系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中加入了調(diào)頻穩(wěn)壓電路。此次設(shè)計(jì)的調(diào)頻穩(wěn)壓電路以IR21531半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片的前端結(jié)構(gòu)為可調(diào)周期振蕩器，后端為可調(diào)死區(qū)時(shí)間，包括1個(gè)高壓和1個(gè)高速驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)對(duì)功率進(jìn)行控制。調(diào)頻穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 調(diào)頻穩(wěn)壓電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制率參數(shù)設(shè)計(jì)

采用域糾偏控制系統(tǒng)相關(guān)的工具箱設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制率參數(shù)，具體步驟如下。

1）根據(jù)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)硬件的控制電路和糾偏控制器[12]，建立枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的仿真模型。

2）確定糾偏控制指令分配系數(shù)。

為了挖掘出枕式包裝機(jī)的糾偏能力，在糾偏控制過(guò)程中，要保證枕式包裝機(jī)方向舵和前輪可以同時(shí)偏轉(zhuǎn)到枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的最大值[13]。假設(shè)枕式包裝機(jī)方向舵的偏轉(zhuǎn)范圍為，前輪的偏轉(zhuǎn)范圍為，得到糾偏控制指令分配系數(shù)為：

(5)

3）當(dāng)枕式包裝機(jī)處于工作狀態(tài)下，采用仿真工具箱提供的數(shù)值方法配平步驟1建立的仿真模型，獲取糾偏控制的工作點(diǎn)。

4）在糾偏控制工作點(diǎn)處，采用仿真工具箱中的線性化工具對(duì)仿真模型進(jìn)行小擾動(dòng)線性化處理，分別得到由到的傳遞函數(shù)和由到的傳遞函數(shù)。

5）根據(jù)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，在機(jī)器視覺(jué)的基礎(chǔ)上，按照由內(nèi)到外的順序，確定參數(shù)、和的值。

6）將設(shè)計(jì)完成的參數(shù)導(dǎo)入步驟1的仿真模型中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，判斷參數(shù)是否滿足枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，如果不滿足性能指標(biāo)要求，重復(fù)操作步驟5和步驟6。

2.2 枕式包裝機(jī)糾偏控制程序設(shè)計(jì)

枕式包裝機(jī)糾偏控制的數(shù)學(xué)形式見(jiàn)式（6）—（7）。

(6)

(7)

為了加快枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的響應(yīng)速度，采用機(jī)器視覺(jué)的控制方式[14]，即：

(8)

根據(jù)式（8）計(jì)算結(jié)果，保持枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的采樣周期不變，在確定糾偏控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)試得到的偏差值，獲取枕式包裝機(jī)糾偏控制增量，將控制增量與前一個(gè)時(shí)刻的輸出值相加[15]，得到當(dāng)前時(shí)刻的糾偏控制增量，得到的遞推公式見(jiàn)式（9）。

(9)

與傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)糾偏控制相比，將增量控制方式應(yīng)用到枕式包裝機(jī)糾偏控制中，可以適當(dāng)減少計(jì)算過(guò)程中的難度，加快枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增量式控制原理見(jiàn)圖6。

圖6 增量式控制原理

增量式控制是由參數(shù)自整定和模糊控制2部分組成，在機(jī)器視覺(jué)的基礎(chǔ)上，采用偏差變化率和偏差可以在線調(diào)整參數(shù)、和。

綜上，采用域糾偏控制系統(tǒng)相關(guān)的工具箱設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制率參數(shù)，基于枕式包裝機(jī)糾偏控制的數(shù)學(xué)形式計(jì)算枕式包裝機(jī)糾偏控制增量，結(jié)合增量式控制原理設(shè)計(jì)枕式包裝機(jī)糾偏控制程序，最終完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試分析

為了驗(yàn)證基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的性能，設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters

引入文獻(xiàn)[4]的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)與文中系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試了3個(gè)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

3個(gè)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的控制精度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7的測(cè)試結(jié)果可以看出，3種枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的糾偏控制誤差測(cè)試結(jié)果存在很大差異，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]的系統(tǒng)得到的檢測(cè)結(jié)果與枕式包裝機(jī)的實(shí)際位置間偏差較大，而基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的糾偏控制誤差相對(duì)較小，原因是文中設(shè)計(jì)的糾偏控制系統(tǒng)能夠調(diào)整糾偏參數(shù)，從而提高了枕式包裝機(jī)糾偏控制的有效性。

3個(gè)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。采用系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，運(yùn)行文獻(xiàn)[5]的控制系統(tǒng)時(shí)，隨著糾偏控制信號(hào)頻率的變化，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變化雖然很穩(wěn)定，但是響應(yīng)時(shí)間卻很長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到了9.55 s；運(yùn)行文獻(xiàn)[4]的控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比文獻(xiàn)[5]的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)短，但是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)；當(dāng)運(yùn)行基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變化很穩(wěn)定，只有當(dāng)糾偏控制信號(hào)頻率在1 500 Hz左右時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間接近7 s，可能是枕式包裝機(jī)糾偏控制程序此刻出現(xiàn)了中斷問(wèn)題。

圖7 糾偏控制精度測(cè)試結(jié)果

圖8 系統(tǒng)響應(yīng)速度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出基于機(jī)器視覺(jué)的枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用機(jī)器視覺(jué)對(duì)枕式包裝機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了枕式包裝機(jī)的糾偏控制。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的糾偏系統(tǒng)具有較高的糾偏控制精度，且系統(tǒng)響應(yīng)速度較高，因此，說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在控制精度和響應(yīng)速度方面具有更好的性能，能夠更好地保障枕式包裝機(jī)的包裝效果。

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Design of Deviation Correction Control System for Pillow Packaging Machine

SHEN Jiu-ju

(Henan Industry and Trade Vocational College, Zhengzhou 450000, China)

The work aims to study the deviation correction control system of traditional pillow packaging machine to solve the deviation in application. Based on the working principle of single chip microcomputer, the deviation correction control circuit of pillow packaging machine was designed, and three pulse frequencies of the deviation correction control circuit were given. According to the control rules of machine vision and the working principle of the deviation correction controller of pillow packaging machine, the deviation correction controller of pillow packaging machine was designed. According to the deviation correction requirements, CCD sensor and frequency modulation and voltage stabilizing circuit were designed. The toolbox related to the domain deviation correction control system was adopted to design the deviation correction control rate parameters of pillow packaging machine. Based on the mathematical form of deviation correction control of pillow packaging machine, the deviation correction control increment of pillow packaging machine was calculated. Combined with the incremental control principle, the deviation correction control program of pillow packaging machine was designed, and the software design of the system was completed. The deviation correction control system of pillow packaging machine based on machine vision could not only improve the deviation correction control accuracy of pillow packaging machine, but also stabilize the system response time within 2 s. The designed deviation correction control system can improve the deviation correction control accuracy, shorten the system response time and improve the performance of the system.

machine vision; pillow packaging machine; deviation correction control; control rate parameter

TB486

A

1001-3563(2022)13-0231-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.030

2021?08?18

申九菊（1975—），女，河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、電機(jī)控制。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋