摘要：隨著(zhù)電氣自動(dòng)化程度的提高，以前需要依靠機械凸輪來(lái)實(shí)現的飛剪控制，現在可以使用運動(dòng)控制器加伺服系統來(lái)實(shí)現，本文首先簡(jiǎn)要介紹枕式包裝機的工藝及其自動(dòng)化程度的發(fā)展，隨后著(zhù)重介紹OMRON的FQM1運動(dòng)控制器結合伺服系統在枕包機中的方案實(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

    枕式包裝機又稱(chēng)接縫式裹包機，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備，實(shí)際應用中，與相應衍生機種、輔助機種相配合，能實(shí)現食品、日用化工、醫藥等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的流水包裝。適應的包裝物為一般塊狀、筒狀規則物品，無(wú)規則異形物品，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。

    傳統的枕式包裝機橫封刀的運動(dòng)曲線(xiàn)是由機械的凸輪來(lái)實(shí)現的，機械加工、安裝復雜，運行噪音大，效率低；如果使用伺服系統來(lái)實(shí)現電子凸輪功能，對于機械安裝、運行效率會(huì )有一定的提高。本文詳細介紹OMRON的控制器FQM1在包裝機中實(shí)現電子凸輪的應用。

1. 枕式包裝機的工藝簡(jiǎn)介

    枕式包裝機的送膜和進(jìn)料是同步進(jìn)行的，由色標檢測和接近開(kāi)關(guān)分別對送膜和送料的位置進(jìn)行檢測，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材?，并進(jìn)行縱向熱封，同時(shí)物料被送進(jìn)筒膜內，一起向前經(jīng)過(guò)橫封橫切部位，由回轉式或往復式的橫封橫切刀對筒膜進(jìn)行橫向封切，輸出包裝成品，具體工藝流程圖和工藝結構圖分別參照圖1、圖2：

                                     圖1 枕包機工藝流程圖

                                      圖2 枕包機工藝結構圖

2. 枕式包裝機自動(dòng)化程度的發(fā)展

    隨著(zhù)食品包裝行業(yè)的飛速發(fā)展，對類(lèi)似枕包機這樣的機械提出的要求是提高包裝速度與精度，全面包裝品規格，操作趨于人性化以及售后維護成本降低。根據枕包機的工藝不難看出，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發(fā)展至今，主要就是對這三軸的控制進(jìn)行改進(jìn)以滿(mǎn)足行業(yè)不斷提升的要求，從低端到高端、從機械控制為主到電氣控制為主，枕包機控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

    階段一：?jiǎn)巫冾l

    使用一臺變頻器加一臺交流電機來(lái)工作，為了成比例的同時(shí)帶動(dòng)橫封刀（加輸送機）跟包裝膜，需要一臺無(wú)極變速箱來(lái)根據不同的膜長(cháng)調節膜軸的速度。從而實(shí)現了兩路速度的輸出，但是無(wú)極變速箱會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間的增長(cháng)出現磨損影響使用精度，因此有他的局限性。橫封刀的運行曲線(xiàn)是由機械凸輪來(lái)實(shí)現的，因此機械結構復雜，傳動(dòng)機構多。

    階段二：?jiǎn)巫冾l+單伺服

    使用一臺變頻驅動(dòng)橫封刀（加輸送機），一臺伺服驅動(dòng)包裝膜，取消了無(wú)極變速箱。各部分運行獨立，由PLC控制器協(xié)調兩部分速度。橫封刀運動(dòng)軌跡仍有機械凸輪實(shí)現。

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

3. 三伺服枕式包裝機的詳細工藝及控制要求

    三伺服枕包機是在雙伺服枕包機基礎上開(kāi)發(fā)的一種高端枕式包裝機，其技術(shù)核心就是用運動(dòng)控制器中的電子凸輪功能替代原先的機械凸輪，完成機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上，誤差范圍應小于±2.5mm(根據色標寬度定)，速度一般能達到200包/分鐘。

3.1 機器的啟動(dòng)檢測定位

    由于在機器的整個(gè)運行過(guò)程中保持送膜、送料、橫封橫切軸的位置準確非常重要，軸與軸之間按照包裝物規格的不同有不同的位置對應點(diǎn)，因此在機器啟動(dòng)時(shí)就因將三軸的位置進(jìn)行校準，找到位置對應點(diǎn)以便機器正常運行時(shí)按照對應點(diǎn)進(jìn)行檢測糾偏。

    三軸的偏差檢測通過(guò)不同的傳感器進(jìn)行：

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

    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)和輸送帶伺服驅動(dòng)器的編碼器分頻信號位置檢測。

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

    機器啟動(dòng)時(shí)的檢測定位流程如圖3：

                                      圖3 機器啟動(dòng)時(shí)三軸的檢測定位流程

3.2 機器運行時(shí)的工藝及控制

    啟動(dòng)檢測定位完成后，機器將進(jìn)入正常運行狀態(tài)，其控制重點(diǎn)仍在于三軸的配合運行，工藝結構及控制圖如圖4：

                                 圖4 三伺服枕式包裝機的工藝結構及控制圖

    圖中所標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，由伺服電機驅動(dòng)一對帶刀導輥旋轉對包裝物進(jìn)行橫封橫切，在橫封軸旋轉一周的過(guò)程中，當轉到橫封過(guò)程的角度時(shí)，橫封軸必須與主軸保持同步，當轉到其他角度時(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，同步角的大小根據機械結構而定，目前使用最多的角度大小是66°左右。橫封軸轉到同步角時(shí)，必須與送料軸保持速度同步，而轉到其它角度時(shí)，需要加速還是減速，取決于橫封軸固有長(cháng)度與產(chǎn)品長(cháng)度之間的大小關(guān)系，固有長(cháng)度的定義如圖5所示：

                                       圖5 固有長(cháng)度的定義

    根據固有長(cháng)度與產(chǎn)品長(cháng)度之間的關(guān)系，橫封軸轉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，縱封軸，使包裝膜與包裝物同步，當包裝薄膜上需要色標定位時(shí)，必須在送膜軸的控制中加入糾偏，以防止滑差導致的累計誤差，保證橫切位置準確如圖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)位置的準確性。但長(cháng)時(shí)間連續運轉可能會(huì )因為機械損耗導致偏差，因此送料軸也需要定位信號檢測進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，其運動(dòng)控制及糾偏的模式與送膜軸幾乎一致，只是檢測定位為信號采用了接近開(kāi)關(guān)，與主軸同步跟隨的參數也會(huì )有所不同。

4. OMRON公司FQM1運動(dòng)控制器的介紹以及在三伺服枕包機中的應用

4.1 FQM1功能及特點(diǎn)描述

    FQM1是OMRON的通用運動(dòng)控制器，其特點(diǎn)就是可以進(jìn)行靈活、快速的運動(dòng)控制，適合需要8軸以下伺服控制且同步協(xié)調或跟隨要求高的包裝機械,如：多伺服枕包機、連續式立包機、瓦楞紙生產(chǎn)線(xiàn)的送紙機構、全伺服臥式包裝機等。

    FQM1可實(shí)現的控制功能如表１所示：

                                        表１　FQM1的控制功能

    FQM1的性能特點(diǎn)有：

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

    ——內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）、高速計數器自鎖（30 μs）、高速浮動(dòng)小數點(diǎn)演算等；

    ——模塊化構造，可將枕包機中的理料、飛剪等環(huán)節程序模塊化。

4.2 三伺服枕式包裝機的OMRON系統方案

    對于三伺服枕式包裝機，FQM1是一款非常合適的運動(dòng)控制器，配合OMRON的整套系統產(chǎn)品，構成一套完善的控制系統。

    OMRON系統產(chǎn)品配置清單如表2：

                                      表2 OMRON系統產(chǎn)品配置清單

    OMRON系統產(chǎn)品配置結構如圖9：

                                        圖9 三伺服枕包機OC配置

4.3 控制系統的關(guān)鍵點(diǎn)

4.3.1 主軸

    如上所述，在三伺服滾刀式枕包機中，軸和軸之間的動(dòng)作需要保持同步或相互協(xié)調，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)勢在于可以省去控制器對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），設置方式如圖10：

                                           圖10 MMP模塊設置圖

    操作模式為絕對脈沖（環(huán)形模式），循環(huán)最大計數：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)脈沖相當于包裝一個(gè)包裝物，可以根據包裝速度計算出發(fā)送的脈沖頻率。

4.3.2 橫封橫切軸的位置控制

    由于本設備使用電子凸輪代替了機械凸輪結構，其速度分為兩段速，因此采用APR指令與PULS指令結合應用的方式對橫封橫切軸進(jìn)行控制。

    首先計算出橫封切刀的運行曲線(xiàn)跟虛軸脈沖的對應關(guān)系，對應關(guān)系如圖11所示：

                                   圖11 橫封橫切軸與虛擬軸的對應關(guān)系

    由于FQM1傳承了OMRON PLC的功能塊及ST語(yǔ)言編程功能，因此在這里計算對應關(guān)系的算式可以用ST語(yǔ)言執行，并組成功能塊如圖12所示：

                                 圖12橫封切刀與虛軸對應關(guān)系計算

    計算出對應關(guān)系后，將對應關(guān)系得數據輸入APR指令的CAM表如圖13，再由APR指令根據虛擬軸的實(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指令執行

    由于FQM1中的PULS指令經(jīng)過(guò)設置只需要給定絕對位置值就會(huì )自動(dòng)計算出輸出頻率控制伺服系統，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。

    首先計算出送膜軸運行給定的袋長(cháng)需要的脈沖數，然后與虛軸的脈沖數進(jìn)行線(xiàn)性對應，隨時(shí)讀取虛軸的脈沖值，然后根據線(xiàn)性關(guān)系求出膜軸應該對應的位置脈沖，通過(guò)PULS指令進(jìn)行輸出。

    如果出現色標偏差可以修改袋長(cháng)對應的脈沖數的最大值，即修改了線(xiàn)性對應關(guān)系，如圖16所示，從而在下一周期中改變膜軸的位置，保證色標位置的準確性。

                                       圖16膜軸與虛軸點(diǎn)數線(xiàn)性對應關(guān)系圖

    在這里需要注意的是：檢測出偏差后，需要進(jìn)行判斷色標是超前還是滯后（可以在功能塊中計算，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(cháng)的情況，沒(méi)有一個(gè)袋長(cháng)的情況；滯后一個(gè)袋長(cháng)的情況，不到一個(gè)袋長(cháng)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，我們仍用ST語(yǔ)言編寫(xiě)功能塊，對此情況進(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，只是參數有所變更，在此不再敘述。

4.3.5 其他注意事項

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

    另外，如果伺服參數調整不對也就是伺服的相應不一樣，在高速時(shí)會(huì )出現色標的偏差，此偏差不易在程序中修正。

5. 結束語(yǔ)

    經(jīng)過(guò)測試，設備可按照客戶(hù)原先提出的以下要求正常運行：

    ①提高包裝精度，正?？梢赃_到120～200包/分；

    ②減少機械結構，使機械結構簡(jiǎn)單，省去機械凸輪，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，即便出現故障只要簡(jiǎn)單處理就可繼續運行。

    ⑤系統的穩定性，特別重要。

    整個(gè)系統設計過(guò)程中，OMRON的FQM1的電子凸輪功能、同步總線(xiàn)高速運算功能起到了關(guān)鍵作用，使得機器在保證切刀位置精準的情況下高速穩定地運行。

    飛剪、電子凸輪、高速、實(shí)時(shí)糾偏等功能，是目前很多OEM機械尤其是包裝機械行業(yè)的高端機型提出的需求，在實(shí)現這些功能的同時(shí)，能夠將原先的生產(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，而FQM1在三伺服枕包機中的成功應用也證明了OMRON在遇到此類(lèi)機械的開(kāi)發(fā)時(shí)有很好的產(chǎn)品對應，在此領(lǐng)域中的應用將會(huì )越來(lái)越多。

參考文獻

[1] OMRON FQM1編程手冊

[2] OMRON FQM1操作手冊