摘 要：熱熔貼標(biāo)機(jī)的主要工藝流程包括送標(biāo)和送瓶，要求轉(zhuǎn)速快，定位精度高。本文介紹了采用B&R高性能的PCC和伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成控制系統(tǒng)，并利用其電子凸輪技術(shù)實(shí)現(xiàn)既定的控制效果，因而大大減少了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造成本以及運(yùn)行磨損量，提高了控制精度和使用壽命。
關(guān)鍵詞：貼標(biāo)機(jī)；可編程計(jì)算機(jī)控制器；ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器；電子凸輪
1.引言
隨著食品飲料行業(yè)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了貼標(biāo)機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，貼標(biāo)機(jī)的市場(chǎng)前景變的越來越廣闊。在中國(guó)的貼標(biāo)機(jī)市場(chǎng)中高品質(zhì)的設(shè)備主要是國(guó)外進(jìn)口的，產(chǎn)品的成本與維護(hù)費(fèi)用都非常高，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備無論是運(yùn)轉(zhuǎn)速度還是定位精度都與國(guó)外設(shè)備有一定的差距，針對(duì)這種情況，利用貝加萊(B&R)公司產(chǎn)品研發(fā)出一種高轉(zhuǎn)速(36000瓶/小時(shí))、高定位精度(±0.2mm)的熱熔機(jī)貼標(biāo)機(jī)，使設(shè)備達(dá)到國(guó)外同類設(shè)備的性能指標(biāo)。
貝加萊(B&R)公司的PCC控制系統(tǒng)與ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、功能強(qiáng)大，自帶電子凸輪(CAM)功能，非常適合熱熔機(jī)貼標(biāo)機(jī)這種高速度、高精度要求的設(shè)備。
2.工藝簡(jiǎn)介
1．標(biāo)紙托盤 2．張力調(diào)節(jié) 3．標(biāo)紙糾偏 4．色標(biāo)檢測(cè) 5．送標(biāo)軸
6．切標(biāo)，定刀軸 7．上膠軸 8．真空抓標(biāo)，動(dòng)刀軸 9．主機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)
圖1 貼標(biāo)機(jī)的基本組成
熱熔貼標(biāo)機(jī)工藝流程主要包括送標(biāo)、送瓶。送瓶過程簡(jiǎn)單，主要是把輸送過來的瓶體由進(jìn)口星輪引導(dǎo)到主機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)，主機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到上膠輥位置完成貼標(biāo)動(dòng)作，標(biāo)簽貼好后，瓶體由出口星輪移出主機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)入到輸送帶。送標(biāo)過程要復(fù)雜一些，未切斷的整盤標(biāo)紙?jiān)谒蜆?biāo)伺服電機(jī)牽引下，從標(biāo)紙托盤引出，首先經(jīng)過張力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的調(diào)整，保證了輸送過程中的穩(wěn)定張力，然后進(jìn)入糾偏校正調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使得標(biāo)紙穩(wěn)定在原來的位置，調(diào)整后的標(biāo)紙經(jīng)過色標(biāo)傳感器進(jìn)入送標(biāo)膠輥，在膠輥的輸送下標(biāo)紙經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)刀鼓被真空吸附，輸送到定刀位置，在定刀與動(dòng)刀碰撞的位置，標(biāo)紙被切斷，切斷的標(biāo)紙繼續(xù)被真空吸附在轉(zhuǎn)動(dòng)刀鼓上，隨后傳送到上膠輥位置，標(biāo)紙被上膠輥?zhàn)?biāo)，上膠，轉(zhuǎn)到主機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)位置完成貼標(biāo)動(dòng)作。結(jié)合送標(biāo)和送瓶流程，便完成了一次完整的貼標(biāo)動(dòng)作。
3.系統(tǒng)硬件配置
3.1 可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)的概念
20世紀(jì)90年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)路通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程控制器技術(shù)已不再是傳統(tǒng)意義上的可編程控制器，其網(wǎng)路通信能力、智能控制能力、數(shù)學(xué)處理能力等得到飛躍式提升。1994年貝加萊公司提出了可編程計(jì)算機(jī)控制器概念，簡(jiǎn)稱PCC。
PCC(Programmable Computer Controller) 是一種可編程計(jì)算機(jī)控制器，本質(zhì)上也是一種PLC，只不過與傳統(tǒng)的PLC相比較，它有著更強(qiáng)大的功能：PCC在一個(gè)CPU上集成了分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，成功構(gòu)筑了實(shí)時(shí)的多應(yīng)用程序的運(yùn)行平臺(tái)；多種編程語言包括順序功能圖、梯形圖、指令表、結(jié)構(gòu)文本及高級(jí)語言（Automation Basic，ANSI C）可供選擇；它直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的可靠性、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍；大容量的存儲(chǔ)能力、標(biāo)準(zhǔn)通信接口，基于過程總線的系統(tǒng)互聯(lián)、高級(jí)語言開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，自診斷能力，都使得PCC在包裝以及其它行業(yè)（紡織、印刷、機(jī)械、電力等）的應(yīng)用具備了出色的友好平臺(tái)。
3.2 B&R伺服驅(qū)動(dòng)器(ACOPOS)概述
貝加萊伺服驅(qū)動(dòng)器(ACOPOS)是全數(shù)字智能型伺服驅(qū)動(dòng)器，是緊湊的模塊式結(jié)構(gòu)，支持工業(yè)以太網(wǎng)POWERLINK通信，能夠與PLC一起組成完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，滿足復(fù)雜的、高動(dòng)態(tài)特色的運(yùn)動(dòng)控制要求，實(shí)現(xiàn)諸如點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制、速度控制、扭矩控制、電子齒輪、電子凸輪、橫切、飛鋸、色標(biāo)控制、套色糾偏控制等任務(wù)。如圖2所示。
圖2 ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器
貝加萊ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器不同于普通的伺服驅(qū)動(dòng)器的功率放大功能，它是一個(gè)內(nèi)部集成了很多功能塊可供調(diào)用的智能型伺服驅(qū)動(dòng)器，例如，電子凸輪、電子齒輪、虛擬主軸等均包含在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，并且ACOPOS本身也具有很強(qiáng)的計(jì)算功能，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)自行完成復(fù)雜的曲線計(jì)算。
3.3 系統(tǒng)硬件組成
圖3 控制系統(tǒng)的硬件組成
如圖3所示，該控制系統(tǒng)的硬件包括了集顯示與控制一體的PowerPanel屏、X20系列的I/O模塊，智能型的ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器和同步電機(jī)。顯示屏內(nèi)嵌分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，完成邏輯控制、參數(shù)賦值等功能；ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器采集主軸編碼器信號(hào)與色標(biāo)信號(hào)，利用電子凸輪(CAM)功能完成送標(biāo)動(dòng)作，同時(shí)利用LATCH功能計(jì)算色標(biāo)偏差，進(jìn)行送標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
4.應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
4.1 分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)介紹
常規(guī)PLC大多依賴于單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令，整個(gè)應(yīng)用程序采用一個(gè)循環(huán)周期，在一個(gè)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，有的數(shù)據(jù)變量的實(shí)時(shí)性要求很高，但也有很多大慣量的模擬量對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，采用同樣的刷新速度實(shí)質(zhì)上是對(duì)資源的浪費(fèi)。貝加萊的PCC引入了大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)理念，采用分時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行機(jī)制，使得應(yīng)用任務(wù)的循環(huán)周期與程序長(zhǎng)短并不是緊密相關(guān)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)工藝需求自由設(shè)定應(yīng)用程序的優(yōu)先執(zhí)行順序，控制周期按照用戶的實(shí)際要求設(shè)定，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。
對(duì)于貼標(biāo)機(jī)這種對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的控制系統(tǒng)，非常適合應(yīng)用貝加萊的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它可以根據(jù)不同任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性能的不同要求，指定不同的優(yōu)先等級(jí)，并可靈活設(shè)定每個(gè)任務(wù)的循環(huán)時(shí)間，使得這些任務(wù)模塊既相互獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)又相互關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)確定的分時(shí)多任務(wù)控制，使得整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化、模塊化，更加合理。如圖4所示。
圖4 分時(shí)多任務(wù)程序
4.2 電子凸輪(CAM)功能
電子凸輪是伺服運(yùn)動(dòng)控制在多軸同步控制中的一種方式，它可以實(shí)現(xiàn)主從軸之間復(fù)雜不規(guī)則的凸輪曲線關(guān)系。電子凸輪可以說是利用程序的方式完成機(jī)械凸輪控制所需要的軌跡，實(shí)現(xiàn)主軸和從軸的嚙合運(yùn)動(dòng)。由于使用電子凸輪代替了機(jī)械凸輪，使得機(jī)械設(shè)計(jì)及加工工藝大大簡(jiǎn)化，并避免了使用過程中的機(jī)械磨損的問題。因此電子凸輪的功能在很多工控行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。
貝加萊ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器是智能型伺服驅(qū)動(dòng)器，如電子凸輪功能已經(jīng)包含在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，它可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如貼標(biāo)機(jī)色標(biāo)長(zhǎng)度、主軸長(zhǎng)度、運(yùn)行速度等自行計(jì)算出加減速曲線和同步區(qū)間等關(guān)鍵運(yùn)行曲線。我們充分利用這些功能，通過設(shè)定色標(biāo)長(zhǎng)度與切刀角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)筑電子凸輪(CAM)關(guān)系，完成送標(biāo)軸的跟隨功能。
4.3 送標(biāo)伺服的控制
在送標(biāo)控制系統(tǒng)中，我們把切刀軸設(shè)定為主軸，送標(biāo)伺服軸作為從軸，主軸與從軸通過ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器自帶的電子凸輪(CAM)功能建立跟隨關(guān)系，主軸旋轉(zhuǎn)一周，從軸送一個(gè)標(biāo)簽長(zhǎng)度(單刀)或兩個(gè)標(biāo)簽長(zhǎng)度(雙刀)，在送標(biāo)運(yùn)行過程中同時(shí)通過色標(biāo)傳感器檢測(cè)色標(biāo)位置，利用ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器自帶的LATCH功能，鎖存主軸位置，與計(jì)算出的理論位置進(jìn)行比較得出偏差值，并把偏差值補(bǔ)償?shù)剿蜆?biāo)軸上，從而達(dá)到切標(biāo)位置的準(zhǔn)確控制?？刂屏鞒倘鐖D5所示，計(jì)算偏差與補(bǔ)償值監(jiān)視如圖6所示。
圖5 控制流程
圖6 偏差值/補(bǔ)償值監(jiān)控
5.結(jié)語
貝加萊硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)、安裝非常容易，軟件上的分時(shí)多任務(wù)操作模式使得項(xiàng)目程序模塊化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，調(diào)試周期縮短，ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器的高性能保證了送標(biāo)、切標(biāo)的高速度、高精度，達(dá)到了設(shè)定的性能指標(biāo)<
