摘要：本文介紹了臺(tái)達(dá)自動(dòng)化產(chǎn)品在高速枕式包裝機(jī)中的系統(tǒng)解決方案，尤其是臺(tái)達(dá)ASD-A2智能型伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)建的電子凸輪，高速脈沖抓取、比較，以及參數(shù)自行寫入功能的在系統(tǒng)方案中的應(yīng)用，以及電子凸輪曲線的設(shè)計(jì)規(guī)劃。臺(tái)達(dá)A2智能型伺服在枕式包裝機(jī)的應(yīng)用，使得國(guó)內(nèi)糖果包裝機(jī)的速度得到了很大的提升，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)每分鐘1200包的速度，這一成功應(yīng)用證明臺(tái)達(dá)在包裝業(yè)已有了成熟的解決方案，同時(shí)也說(shuō)明國(guó)內(nèi)糖果包裝技術(shù)跨入了一個(gè)更高的水平。
關(guān)鍵詞：電子凸輪 飛剪 同步抓取修正軸 高速抓取 ASD-A2
枕式包裝機(jī)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(shè)備，實(shí)際應(yīng)用中，與相應(yīng)衍生機(jī)種、輔助機(jī)種相配合，能實(shí)現(xiàn)食品、日用化工、醫(yī)藥等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的流水包裝。枕式糖果包裝機(jī)主要用于圓形或方形奶糖的包裝?！ ?/span>
傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)橫封刀的運(yùn)動(dòng)曲線是由機(jī)械的凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械加工、安裝復(fù)雜，運(yùn)行噪音大，效率低；由于機(jī)械的局限性，其包裝速度僅能達(dá)到600顆/分鐘，隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，以及人力成本的增加，包裝設(shè)備自動(dòng)化程度以及包裝速度要求越來(lái)越高。要實(shí)現(xiàn)高速包裝，整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)和處理速度要求更加苛刻，傳統(tǒng)的控制器已經(jīng)難以滿足要求，以往包裝裁切所使用繼續(xù)誒凸輪必須采用伺服的電子凸輪來(lái)替換。臺(tái)達(dá)A2高性能智能伺服控制器除內(nèi)建電子凸輪功能外，32為高速DSP處理核心，內(nèi)建高速脈沖抓取、比較，高速運(yùn)動(dòng)控制功能，完全可以實(shí)現(xiàn)包裝設(shè)備高速的工藝要求。
針對(duì)包裝行業(yè)所專門開發(fā)的飛剪電子凸輪模型，同步抓取修正軸功能內(nèi)嵌于A2伺服控制器內(nèi)。功能齊全，編輯簡(jiǎn)單的伺服編輯軟件ASD-A2 SOFT,人性化的接口設(shè)計(jì)，得心應(yīng)手的快捷菜單，使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃輕而易舉，隨手可得，大大減少了調(diào)機(jī)時(shí)間。
設(shè)備原理
糖果經(jīng)圓形盤整理后，進(jìn)入直線鏈鉤機(jī)構(gòu)，被鏈鉤送進(jìn)包裝膜內(nèi)，然后進(jìn)行縱封和橫封包裝，以完成成品裁切。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖 1 三伺服枕式糖果包裝機(jī)工藝流程
枕式包裝機(jī)的送膜作為系統(tǒng)主軸。切刀和送料跟隨主軸運(yùn)作，送料和橫切伺服控制器直接抓取膜位色標(biāo)信號(hào)進(jìn)行位置檢測(cè)，以確定送料和的位置，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(nèi)，一起向前經(jīng)過(guò)橫封橫切部位，由回轉(zhuǎn)式的橫封橫切刀對(duì)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(jié)構(gòu)圖分別參照?qǐng)D2、圖3
圖2.工藝流程圖
圖 3.工藝結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)配置
此系統(tǒng)包括PLC,HMI，伺服以及溫度控制模塊，由于臺(tái)達(dá)ASDA-A2伺服控制器內(nèi)含電子凸輪功能，三臺(tái)伺服即可完成送膜，送料以及裁切工藝，PLC只需做I/O控制，大大節(jié)省了上位機(jī)的昂貴成本，程序的規(guī)劃也更加簡(jiǎn)單，臺(tái)達(dá)解決方案之系統(tǒng)電氣控制如圖4所示，詳細(xì)配置如表1所示 
圖 4.臺(tái)達(dá)系統(tǒng)電氣控制圖
表1 高速枕式糖果包裝機(jī)電控配置
系統(tǒng)控制原理
臺(tái)達(dá)系統(tǒng)解決方案，為了滿足高速的要求，送膜、送料鏈鉤、切刀三個(gè)軸均使用伺服控制，三軸之間的運(yùn)動(dòng)控制依據(jù)凸輪主從關(guān)系完成，整個(gè)系統(tǒng)控制方案如圖5所示
1.送膜軸(軸3)
此軸采用速度控制，作為整個(gè)系統(tǒng)的主軸。下達(dá)脈沖命令給切刀軸和送料軸，指揮凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.切刀軸(軸2)
以PR模式(內(nèi)部位置控制模式)內(nèi)建的電子凸輪跟隨主軸運(yùn)行，切刀軸接收送膜主軸的脈沖OA,/OA;OB,/OB，以凸輪飛剪曲線跟隨主軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)切刀軸伺服控制器檢測(cè)到色標(biāo)光電S1信號(hào)，凸輪啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，伺服控制器會(huì)抓取S1的信號(hào)，利用內(nèi)建的同步抓取修正軸(色標(biāo)補(bǔ)償功能)，調(diào)節(jié)凸輪速度，保證精準(zhǔn)的裁切位置。
3.送料軸(軸1)
以PR模式(內(nèi)部位置控制模式)內(nèi)建的電子凸輪跟隨主軸運(yùn)行，脈沖來(lái)源為送膜主軸的OA,/OA;OB,/OB，當(dāng)檢測(cè)到色標(biāo)光電S1,則依據(jù)規(guī)劃好的凸輪曲線跟隨主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)抓取S1信號(hào)，利用內(nèi)建同步抓取修正軸進(jìn)行糖位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
圖 5.臺(tái)達(dá)系統(tǒng)控制方案
系統(tǒng)電子凸輪規(guī)劃設(shè)計(jì)
Delta ASD-A2伺服內(nèi)建PR(內(nèi)部位置控制模式)模式，PR模式下，內(nèi)建64段定位程序，不僅可以實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)復(fù)歸，位置控制，定速控制，還具有位置和速度插斷，重疊功能，參數(shù)寫入，定位程序段之間的跳躍和調(diào)用，同時(shí)具有電子凸輪功能，高速抓取(capture)和比較(compare)功能，所以切刀軸和鏈鉤軸的原點(diǎn)復(fù)歸
無(wú)需上位機(jī)的參與，即可完成，其主要pr規(guī)劃如下
參數(shù)說(shuō)明：
P5-39=0x0020:CAP軸命令來(lái)源：pulse cmd
P5-88=0x0251:凸輪軸主軸來(lái)源：同步抓取修正軸
嚙合時(shí)機(jī)：CAP軸任意一點(diǎn)動(dòng)作
脫離時(shí)機(jī)：不脫離
P5-97=1：開啟宏指令，即同步軸啟用
橫封切斷軸飛剪曲線設(shè)計(jì)
Delta ASDA-A2伺服控制器內(nèi)建飛剪凸輪模型，如圖6所示；所以使得飛剪電子凸輪曲線的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，利用ASD-A2 PC soft所提供的E-CAM EDITOR功能，調(diào)試著只需將機(jī)械參數(shù)輸入下圖紅色方框內(nèi)的對(duì)應(yīng)位置， ASDA-A2 PC soft將會(huì)自動(dòng)生成飛剪曲線。考慮到不同包裝膜的熱封難易程度，在裁切區(qū)設(shè)立同步區(qū)。同步區(qū)為50°，如圖7所示
圖 6飛剪電子凸輪模型 圖7 臺(tái)達(dá)ASD-A2飛剪凸輪編輯界面
圖8 ASD-A2軟體產(chǎn)生的飛剪裁切電子凸輪速度曲線
鏈鉤軸電子凸輪曲線設(shè)計(jì)
鏈鉤軸用途在于將糖果送入包裝膜內(nèi)，只要與送膜主軸保持位置同步即可，所以其以送膜軸作為主動(dòng)軸，跟隨送膜軸進(jìn)行同步運(yùn)轉(zhuǎn)。即送膜軸每送出一個(gè)包裝長(zhǎng)度的脈沖，鏈鉤運(yùn)行一個(gè)鏈鉤的鉤距，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，鏈鉤軸馬達(dá)轉(zhuǎn)一圈，鏈鉤走一個(gè)鏈距，而伺服一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)脈沖為100000puu,所以360°的位置脈沖為100000puu。在規(guī)劃曲線時(shí)，利用Delta ASDA-A2 PC soft所提供的manual create 功能，建立位置的函數(shù)表格，如圖9所示；ASDA-A2 PC soft便會(huì)依據(jù)三次曲線自動(dòng)規(guī)劃出速度和加速曲線，如圖10所示，
圖9 送料軸凸輪曲線位置表格
圖10 ASD-A2軟體自動(dòng)建立的鏈鉤電子凸輪曲線
高速枕式糖果包裝機(jī)伺服色標(biāo)補(bǔ)償功能
A2伺服控制器內(nèi)建同步抓取修正軸功能（即傳統(tǒng)的色標(biāo)自動(dòng)補(bǔ)償功能），伺服控制器利用內(nèi)建的高速脈沖抓取功能，通過(guò)色標(biāo)光電抓取主動(dòng)軸兩次色標(biāo)間的脈沖數(shù)目，與伺服控制器內(nèi)部用戶所設(shè)定的理論裁切量（P5-78的設(shè)定值）通過(guò)compare功能做比較，根據(jù)同步修正的修正率（P5-80）對(duì)兩者之間的誤差值（P5-79）做修正，伺服控制器最終依據(jù)修正后的脈沖命令（P5-77）運(yùn)行。其修正原理如圖11所示，生產(chǎn)規(guī)格(膜長(zhǎng))更換調(diào)機(jī)時(shí)，只需將裁切偏差量通過(guò)HMI給伺服控制器，2~3刀之后，便可獲得精準(zhǔn)的裁切精度，大大減少了試車過(guò)程中的包裝膜浪費(fèi)。ASD-A2的同步抓取修正軸參數(shù)設(shè)定流程如圖12所示
圖11 A2伺服控制器同步抓取修正軸原理框圖
圖12 同步抓取修正軸參數(shù)設(shè)定流程
HMI建立飛剪曲線功能
ASD-A2伺服控制器飛剪曲線的建立，除了利用PC軟體所提供的ECAM EDITER建立外，還提供更加便捷的曲線建立方式，即HMI飛剪曲線建立功能。其HMI規(guī)劃如圖，用戶只需在裝機(jī)時(shí)將設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入HMI，通過(guò)HMI宏指令便可控制伺服控制器實(shí)現(xiàn)飛剪曲線的建立，如需生產(chǎn)規(guī)格變更，用戶只需輸入裁切長(zhǎng)度，飛剪曲線便可自動(dòng)變更。
遮沒(méi)功能
A2伺服控制器內(nèi)建色標(biāo)遮沒(méi)功能，可有效避免包裝膜污染，色標(biāo)錯(cuò)印所引起的光電誤動(dòng)作，增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖13所示；P5-78為裁切長(zhǎng)度的脈沖設(shè)定值，P5-96為遮沒(méi)區(qū)脈沖長(zhǎng)度，此功能設(shè)定后，在遮沒(méi)區(qū)域內(nèi)，即使色標(biāo)誤動(dòng)作，也不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。
臺(tái)達(dá)A2高性能伺服控制器解決方案的效果
該套高速枕式包裝機(jī)系統(tǒng)為全電氣設(shè)計(jì)，徹底解決了原有設(shè)備機(jī)械凸輪長(zhǎng)期磨損造成的裁切效果變差，調(diào)整復(fù)雜的弊病，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，節(jié)省了機(jī)械的保養(yǎng)成本，使得調(diào)機(jī)變得更簡(jiǎn)單。同時(shí)改進(jìn)后的全電氣系統(tǒng)，設(shè)備穩(wěn)定性也大大提高。其主要有點(diǎn)如下：
① 包裝精度大大提高，裁切精度可達(dá)到0.5mm
② 在系統(tǒng)為4把刀時(shí)，達(dá)到1200包/分；
③ 糖位和切斷的機(jī)械結(jié)構(gòu)不再需要，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
④ 電子凸輪替代機(jī)械凸輪，易于調(diào)機(jī)和維修，同時(shí)減少工作噪音；
⑤ 運(yùn)動(dòng)控制具有伺服內(nèi)部程序完成，大大簡(jiǎn)化了上位機(jī)的控制難度和成本
⑥ 橫封飛剪凸輪曲線的建立，無(wú)需PC軟件，通過(guò)HMI即可完成曲線的建立
圖14 實(shí)際生產(chǎn)中的飛剪軸速度曲線
結(jié)語(yǔ)
基于臺(tái)達(dá)ASD-A2高性能伺服控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，伺服控制器內(nèi)建電子凸輪，同步飛剪，高速同步色標(biāo)抓取修正軸，以及伺服pr參數(shù)寫入功能。此系統(tǒng)PLC僅起到I/O控制功能，其它的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算功能均由伺服完成，大大節(jié)省了與上位機(jī)的溝通時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)高速包裝要求起到了關(guān)鍵的作用。
飛剪、電子凸輪、高速、實(shí)時(shí)糾偏等功能，是目前很多OEM機(jī)械尤其是包裝機(jī)械行業(yè)的高端機(jī)型提出的需求，在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，能夠?qū)⒃鹊纳a(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(shì)。
臺(tái)達(dá)A2高性能伺服控制器在三伺服高速枕式糖果包機(jī)中的成功應(yīng)用，說(shuō)明臺(tái)達(dá)在高速包裝機(jī)行業(yè)已經(jīng)有了很好的應(yīng)對(duì)產(chǎn)品以及系統(tǒng)解決方案。
