力川B系列交流伺服系統(tǒng)在熱封切制袋機(jī)上的應(yīng)用
一.前言
力川公司針對(duì)國內(nèi)熱封切制袋機(jī)現(xiàn)狀推出了專用伺服控制解決方案，在國內(nèi)制袋機(jī)設(shè)備行業(yè)成功應(yīng)用，該方案采用了力川B系列交流同步伺服驅(qū)動(dòng)器、130EMA系列交流永磁同步伺服電機(jī)、觸摸屏、PLC、變頻器、變頻電機(jī)等主要元器件；根據(jù)設(shè)備工藝要求選擇了中慣量高轉(zhuǎn)速的130EMA系列伺服電機(jī)作為主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證了封切制袋機(jī)在頻繁啟動(dòng)負(fù)載下自身運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與快速響應(yīng)性，使伺服電機(jī)的一次送料轉(zhuǎn)速能夠滿足切刀上下運(yùn)行的時(shí)間要求。同時(shí)簡(jiǎn)化了機(jī)械機(jī)構(gòu)，解決了原機(jī)械設(shè)備效率低、定位精度低、能耗大、自動(dòng)化水平低、浪費(fèi)材料等缺點(diǎn)。
二.控制原理
整個(gè)設(shè)備生產(chǎn)工藝過程主要分為抬刀、定位、封切三個(gè)部分。熱封刀與切刀的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)由變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)控制，袋長(zhǎng)定位由伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)帶動(dòng)送料輥控制，另外光電傳感器（又稱光電眼）、溫控器、接近開關(guān)，做為測(cè)控元器件，負(fù)責(zé)時(shí)間的判斷與控制信號(hào)的發(fā)出，使執(zhí)行器件之間確立時(shí)序關(guān)系。PLC做為核心程序的載體，負(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的發(fā)送及各種控制信號(hào)的轉(zhuǎn)化與傳遞，最終控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)與協(xié)調(diào)。觸摸屏作為人機(jī)界面，用于參數(shù)設(shè)置及整臺(tái)機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)控，通過觸摸屏可以調(diào)整袋長(zhǎng)、清零、復(fù)位、點(diǎn)動(dòng)等操作；還可以顯示袋長(zhǎng)數(shù)值和被加工袋的累計(jì)數(shù)量等。
下圖為熱封切機(jī)的控制原理框圖：
三.工作流程
１.系統(tǒng)上電
程序初始化，輸入袋長(zhǎng)數(shù)值，調(diào)整溫度儀，使封刀的溫度達(dá)到熱封的需要（封刀的溫度，應(yīng)根據(jù)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低進(jìn)行設(shè)定，以膠袋封口處結(jié)實(shí)耐拉為準(zhǔn)。封刀溫度偏低，會(huì)導(dǎo)致膠袋封口處不牢。若封刀溫度偏高，會(huì)導(dǎo)致膠袋封口處燙穿，因此，應(yīng)根據(jù)主電機(jī)轉(zhuǎn)速及封口時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行調(diào)節(jié)）；進(jìn)入手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，檢查機(jī)械部分，伺服系統(tǒng)，變頻器等是否可以正常工作，調(diào)節(jié)色標(biāo)光電眼，使其能夠感應(yīng)色標(biāo)變化。
２.制作袋子
點(diǎn)擊觸摸屏自動(dòng)運(yùn)行按鈕，主變頻電機(jī)(1.5KW)工作，通過機(jī)械連桿帶動(dòng)封刀和切刀上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切刀每向上運(yùn)動(dòng)一次，伺服信號(hào)就導(dǎo)通一次，由PLC發(fā)送脈沖控制伺服電機(jī)(1.5kw)運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖的個(gè)數(shù)決定了伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，脈沖的頻率決定了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)送料輥送料，伺服電機(jī)必須在切刀下降到承切皮輥之前完成定位，當(dāng)切刀和封刀下切后，膠袋形成，當(dāng)切袋個(gè)數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)或按下急停按鈕時(shí)，在生產(chǎn)完當(dāng)前膠袋后停機(jī)，切刀和封刀停在高位停車處。
制袋機(jī)一般具有兩種封切方式：空白袋定長(zhǎng)封切和尋標(biāo)封切，當(dāng)選擇空白袋定長(zhǎng)封切時(shí)色標(biāo)光電眼不起作用，PLC程序根據(jù)切袋長(zhǎng)度、機(jī)械傳動(dòng)比、伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比、伺服電機(jī)編碼器的線數(shù)以及送料輥的周長(zhǎng)，計(jì)算出伺服系統(tǒng)定位所需要的脈沖數(shù)，然后由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)送料輥轉(zhuǎn)動(dòng)送出一定長(zhǎng)度的膠袋，從而實(shí)現(xiàn)白袋定長(zhǎng)封切；當(dāng)選擇尋標(biāo)封切時(shí)，其過程如下，伺服啟動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，伺服電機(jī)按照PLC程序預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)、恒速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)、低速追色，如圖3所示，PLC接收到追色信號(hào)時(shí)，通過中斷方式立即停止伺服電機(jī)。一般追色長(zhǎng)度為10mm，并且要求追色信號(hào)只能在追色范圍內(nèi)起作用，其它范圍內(nèi)需屏蔽掉其干擾信號(hào)。追色封切調(diào)試時(shí)，在人機(jī)界面上設(shè)定好伺服電機(jī)的恒速速度，先將加速時(shí)間、減速時(shí)間設(shè)長(zhǎng)，再調(diào)低速追色速度，盡可能提高低速追色速度，以追色平穩(wěn)、準(zhǔn)確為準(zhǔn)。調(diào)整好追色速度后，再調(diào)加速時(shí)間、減速時(shí)間，盡可能調(diào)短加減速時(shí)間，以膠袋與出料輥不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)及追色平穩(wěn)為準(zhǔn)。PLC程序在追色封切時(shí)，對(duì)追色信號(hào)記數(shù)，連續(xù)三次檢測(cè)不到時(shí)，PLC停止各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。同時(shí)PLC程序?qū)ε坑洈?shù)，當(dāng)批量達(dá)到預(yù)警值時(shí)，PLC驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警提示。
尋標(biāo)速度曲線圖
四.伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介
本機(jī)采用的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)單元采用美國TI公司最新數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，選用三菱公司工業(yè)級(jí)智能功率模塊（IPM），而且所選IPM的容量比標(biāo)定相同功率的其它國內(nèi)伺服產(chǎn)品要大一個(gè)等級(jí)，因而具有過載能力強(qiáng)、抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)、起動(dòng)力矩大、動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度高等特點(diǎn)；支持多種通訊方式，標(biāo)準(zhǔn)全隔離RS485通訊模塊,RS422/RS485可選；驅(qū)動(dòng)器將位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制這三種控制方式合為一體，并且可以進(jìn)行各控制模式的動(dòng)態(tài)切換，使用更加靈活柔性；具備過速保護(hù)、過流、過載、過熱、主電源過壓欠壓、編碼器異常、通訊錯(cuò)誤、PID反饋信號(hào)異常等保護(hù)及異常顯示，使控制過程一目了然。電機(jī)為三相永磁同步伺服電機(jī)，具有三倍過載能力，2500RPM的額定轉(zhuǎn)速，2500線的編碼器分辨率。
機(jī)械參數(shù)：
機(jī)械傳動(dòng)減速比1：3
膠輥直徑：66mm
精度要求：袋長(zhǎng)精度小于0.5mm，伺服電機(jī)編碼器脈沖數(shù)為2500P/R，通過四倍頻轉(zhuǎn)換后，分辨精度達(dá)到10000p/r,即v伺=360°/10000=0.036°，電機(jī)輸出到送料輥有3:1的減速比，實(shí)際檢測(cè)精度達(dá)到：v輥=360°/(10000×3)=0.012°，對(duì)應(yīng)的袋子長(zhǎng)度分辯精度為：vl輥=πD×(0.012°/360°)=207.24×0.000033=0.006839mm
故其本身誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5mm，引起定位誤差較大的真正原因是由于伺服電機(jī)起停不夠平滑，停車時(shí)抖動(dòng)，故要根據(jù)伺服電機(jī)的起停速度調(diào)整合適的速度環(huán)、位置環(huán)增益與加減速時(shí)間，調(diào)試過程如下：
（a）將位置環(huán)增益即先設(shè)在較低值，然后在不產(chǎn)生異常響聲和振動(dòng)的前提下，逐漸增加速度環(huán)的增益至最大值。
（b）逐漸降低速度環(huán)增益值，同時(shí)加大位置環(huán)增益。在整個(gè)響應(yīng)無超調(diào)、無振動(dòng)的前提下，將位置環(huán)增益設(shè)至最大。
（c）速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)取決于定位時(shí)間的長(zhǎng)短，在機(jī)械系統(tǒng)不振動(dòng)的前提下，盡量減小此值。
（d）隨后對(duì)位置環(huán)增益、速度環(huán)增益及積分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行微調(diào)，找到最佳值。
（e）適當(dāng)調(diào)整位置指令一次濾波時(shí)間常數(shù)。
五. 總結(jié)
該熱封切制袋機(jī)是在傳統(tǒng)老式設(shè)備的基礎(chǔ)上運(yùn)用新力川伺服控制系統(tǒng)改造而成，具有提高效率；降低能耗；提升成品率；提高封切精度；調(diào)試方便快捷；運(yùn)行過程平穩(wěn)；簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，具有更高的技術(shù)含量和更優(yōu)良的性價(jià)比，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益。
