引言
塑料包裝行業(yè)是隨著機電技術的進步和塑料加工工藝的發(fā)展而發(fā)展起來的，并逐步形成為一個獨立的工業(yè)部門。上世紀六七十年代后，許多塑料原料已能大規(guī)模生產，塑料制品代替金屬、木材、玻璃、紙、纖維等材料制成的產品，在國民經濟各部門和人們生活各個領域的應用越來越多。需求的不斷增加使得中國塑料包裝機械發(fā)展很快、生產出來的品種也越來越多，大多已能供應國內塑料制品加工裝備的需要，隨著技術的不斷更新，近年來以伺服系統(tǒng)為主要執(zhí)行元件的塑料機械，以其速度快、效率高、能耗低、控制水平完善、性能穩(wěn)定等優(yōu)點迅速成為市場主流機型，并加快國產塑機自動化水平的進程。
塑料機械控制流程及電氣原理
圖1 塑料制袋機械設備圖
國產塑料制袋機如圖1所示。從圖1中可見，塑料制袋機是由:熱封切刀，伺服裝置，變頻裝置、牽引皮輥、承切皮輥、熱封切刀及控制器組成。主要技術特征在于熱封切刀安裝在轉動軸上，轉動軸上設有齒輪，齒輪與設在機架上的主電機主軸上的齒輪相互嚙合，主電機上設有皮輥運動傳感器，熱封切刀的轉動軸上設有切刀位置傳感器。這種熱封切刀伺服裝置結構設計科學合理，大大減少了制袋機的整體體積，并且由于牽引皮輥的連續(xù)運動，不存在受力距大小的影響，而智能控制器能準確地控制薄膜的設置長度。
該類設備主要用于加工塑料包裝袋及各種規(guī)格的生活塑料袋，早期的設備采取的是剎車離合器等控制機構，后來改進為步進系統(tǒng)控制裝置，現(xiàn)在，又發(fā)展成為PLC及伺服電機加變頻調速為主的控制機構。隨著技術的更新進步，更高的定位精度和更好的穩(wěn)定性，直接導致所制膠袋的質量和效率也不斷提升。
系統(tǒng)整體控制原理，如圖2所示:
圖2 控制原理框圖
人機界面，采用觸摸屏，便于操作人員設置參數(shù)及對整臺設備運行狀態(tài)的了解，負責人機對話交流。界面上可設定定長封切或追色封切、切袋長度、追色長度、預警個數(shù)、送袋速度、加速時間、減速時間，當選擇為定長封切時，追色感應器無作用。
PLC做為核心程序的載體，負責脈沖信號的發(fā)送及各種控制信號轉化與流通，最終控制各執(zhí)行機構的運轉與協(xié)調。PLC程序根據(jù)伺服機構的機械傳動比、伺服驅動器的電子齒輪比、伺服電機變碼器的線數(shù)以及出料輥的周長，計算出伺服驅動器接收一定數(shù)量的脈沖，伺服電機就驅動出料輥轉動帶出一定長度的膠袋，實現(xiàn)定長控制。
色標、溫控、到位信號，做為傳感元氣件，負責時間的判斷與控制信號的發(fā)出，使個執(zhí)行件之間確立邏輯關系。
溫控器的溫度，應根據(jù)主電機的轉速高低進行設定，以膠袋封口處結實耐拉為準。封刀溫度偏低，會導致膠袋封口處不牢。若封刀溫度偏高，會導致膠袋封口處燙穿，因此，應根據(jù)主電機轉速及封口時間長短進行調節(jié)，通常，溫度都設定在180℃左右。
主變頻裝置，負責熱封刀與切刀的連續(xù)上下運動，同時控制出袋速度與效率。
送料變頻裝置，負責整卷物料的第一級輸送。
伺服驅動裝置，由驅動，伺服電機，碼盤反饋信號構成，作為主要運動機構，主要任務是完成定位精度的控制，嚴格執(zhí)行來自PLC的脈沖指令控制，同時，保證在頻繁啟動負載下自身運動的平穩(wěn)性與快速響應性，使伺服電機的一次送料轉速滿足切刀上下運行的時間要求。并使伺服電機與送料變頻電機之間不發(fā)生相對滑動。伺服性能直接反映了這臺設備的整機性能與質量。
設備的工作流程如圖3所示:
圖3 控制流程圖
（1）設備上電后，溫控器控制封刀處加熱器進行加熱。（2）自動起動后，送料變頻器驅動送料電機以設定的速度輸送塑料薄膜，送料感應器檢測到送料端放卷的塑料薄膜足夠時，送料電機停止送料。（3）溫度到達，溫度信號導通，主變頻器驅動主電機通過機械傳動裝置控制切刀和封刀的上下往復運動。（4）切刀每向上運動一次，伺服信號導通一次，伺服電機驅動出料輥夾著塑料薄膜帶轉動一次，切刀和封刀下切，膠袋形成 。（5）設定個數(shù)到達或按停止鍵時，當前膠袋形成后停機，切刀和封刀停在高位停車處。
伺服系統(tǒng)應用與控制原理
本機采用的伺服系統(tǒng)為GSK98A系列伺服，驅動單元采用美國TI公司最新數(shù)字信號處理器DSP為核心、大規(guī)?？删幊涕T陣列（CPLD）和MITSUBISHI智能化功率模塊（IPM），集成度高、體積小、保護完善、可靠性好。采用最優(yōu)PID算法完成PWM。驅動單元具備標準位置控制與速度控制，可接收脈沖信號及模擬信號，脈沖信號兼容脈沖方向信號與正反脈沖信號兩種。由于采用成熟智能功率模塊，驅動單元具備了控制超速、主電源過壓欠壓、過流、過載、制動異常、編碼器異常、控制電源異常、位置超差等多項在線檢測與診斷，使控制過程一目了然。
所采用伺服電機為SJT系列的三相永磁同步伺服電機，寬調速比，恒轉矩輸出，三倍過載能力，具有3000rpm的額定轉速，2500p/r的碼盤反饋脈沖精度。
本機只需使用一套伺服系統(tǒng)就能完成其主要功能，伺服的控制性能反映了該類產品的控制質量。伺服系統(tǒng)與主變頻裝置的關系，如圖4所示:
圖4 伺服與變頻器的關系圖
由以上分析可知，該機機械設計時，主電機傳動比要滿足主變頻器頻率工作在60Hz的頻率上，這時切刀與封刀來回往復運動將達120次/分鐘甚至更高要求。在滿足伺服電機的實際連續(xù)運行轉速要小于或等于其額定轉速及其它特性的要求下，伺服機構的傳動比及出料輥的外徑的合理設計是滿足該機工藝要求的關鍵。由圖4可見，PLC的信號邏輯順序為先產生（1），即變頻器先驅使電機將刀抬起，在抬刀與下刀之間的時間t2內，動作（2）必須完成。因此，需滿足關系t1 轉速要求:此機送料輥直徑r=36mm，圓周長為L=2πr=36×3.14=113mm，若以500mm長的袋子為準，則一次制袋成型需轉動周數(shù):n總=500/2πr=500/113=4.425圈，以每分鐘120個袋的制袋標準，則每分鐘送料輥需轉動:n輥=120n=531轉，同時，送料輥與伺服電機存在1:4的減速比，故最終要求伺服電機的轉速:n需=531×4=2124轉。
精度要求:袋長精度小于0.5mm，伺服傳動機構采用同步帶傳動，伺服編碼器脈沖數(shù)為2500P/R，通過四倍頻轉換后，分辨精度達到10000p/r,即v伺=360°/10000=0.036°，電機輸出到出料輥有4:1的減速比，實際檢測精度達到:
v輥=360°/（10000×4）=0.009°，對應的長度分辯精度為:
vl輥=2πr×（0.009°/360°）
=113×0.000025=0.002825mm。
故其本身誤差遠遠小于0.5mm，引起定位誤差較大的真正原因是由于伺服電機起停不夠平滑，或者由于送料端的送料速度小于出料輥的出料速度，造成出料輥與塑料薄膜之間的相對滑動，故要根據(jù)伺服電機的起停速度調整合適的加減速時間，調整送料變頻器頻率使其送料速度要大于出料輥的出料速度，調整結果要以出料輥與塑料薄膜之間不發(fā)生相對滑動為準。
新型制袋機均帶有兩種封切方式:一種為空白袋封切方式，即伺服系統(tǒng)控制電機以PLC預先設置的脈沖數(shù)進行動作，直到脈沖數(shù)運行完為止，作為一個制袋周期，此種方式為非追色運行方式，也稱為定長運行方式。另一種為追色封切方式，當選擇追色封切時，其過程如下，伺服啟動信號導通，伺服電機按照PLC程序預先設定的運動曲線進行加速運動、恒速運動、減速運動、低速追色，如圖5所示，PLC接收到追色信號時，通過中斷方式立即停止伺服電機。一般追色長度為10mm，并且要求追色信號只能在追色范圍內起作用，其它范圍內需屏蔽掉其干擾信號。追色封切調試時，在人機界面上設定好伺服電機的恒速速度，先將加速時間、減速時間設長，再調低速追色速度，盡可能提高低速追色速度，以追色平穩(wěn)、準確為準。調整好追色速度后，再調加速時間、減速時間，盡可能調短加減速時間，以膠袋與出料輥不發(fā)生相對滑動及追色平穩(wěn)為準
