引言
傳統(tǒng)的枕式包裝機橫封刀的運動曲線是由機械的凸輪來實現(xiàn)的，機械加工、安裝復(fù)雜，運行噪音大，效率低；如果使用伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)電子凸輪功能，對于機械安裝、運行效率會有一定的提高。本文詳細介紹OMRON的控制器FQM1在包裝機中實現(xiàn)電子凸輪的應(yīng)用。
枕式包裝機又稱接縫式裹包機，是一種臥式三面封口，自動完成制袋、填充、封口、切斷、成品排除等工序的包裝設(shè)備，實際應(yīng)用中，與相應(yīng)衍生機種、輔助機種相配合，能實現(xiàn)食品、日用化工、醫(yī)藥等行業(yè)自動化生產(chǎn)線的流水包裝。適應(yīng)的包裝物為一般塊狀、筒狀規(guī)則物品，無規(guī)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、帶托盤包裝、無托盤集合包裝等。
1. 枕式包裝機的工藝簡介
枕式包裝機的送膜和進料是同步進行的，由色標檢測和接近開關(guān)分別對送膜和送料的位置進行檢測，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材?，并進行縱向熱封，同時物料被送進筒膜內(nèi)，一起向前經(jīng)過橫封橫切部位，由回轉(zhuǎn)式或往復(fù)式的橫封橫切刀對筒膜進行橫向封切，輸出包裝成品，具體工藝流程圖和工藝結(jié)構(gòu)圖分別參照圖1、圖2：
圖1 枕包機工藝流程圖
圖2 枕包機工藝結(jié)構(gòu)圖
2. 枕式包裝機自動化程度的發(fā)展
隨著食品包裝行業(yè)的飛速發(fā)展，對類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(guī)格，操作趨于人性化以及售后維護成本降低。根據(jù)枕包機的工藝不難看出，其控制重點在于送料、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行改進以滿足行業(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)歷了以下幾個階段：
階段一：單變頻
使用一臺變頻器加一臺交流電機來工作，為了成比例的同時帶動橫封刀（加輸送機）跟包裝膜，需要一臺無極變速箱來根據(jù)不同的膜長調(diào)節(jié)膜軸的速度。從而實現(xiàn)了兩路速度的輸出，但是無極變速箱會隨著使用時間的增長出現(xiàn)磨損影響使用精度，因此有他的局限性。橫封刀的運行曲線是由機械凸輪來實現(xiàn)的，因此機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動機構(gòu)多。
階段二：單變頻+單伺服
使用一臺變頻驅(qū)動橫封刀（加輸送機），一臺伺服驅(qū)動包裝膜，取消了無極變速箱。各部分運行獨立，由PLC控制器協(xié)調(diào)兩部分速度。橫封刀運動軌跡仍有機械凸輪實現(xiàn)。
階段三：雙伺服
原理同單伺服+單變頻，但其控制精度進一步提高。
階段四（目前最先進的控制方式，本文介紹重點）：三伺服
三個伺服分別驅(qū)動橫封刀、包裝膜、供料輸送機，橫封刀的運行軌跡完全有伺服來實現(xiàn)，取消機械凸輪，簡化了機械結(jié)構(gòu)。三部分的運行速度需要有高性能的控制器來控制，因此對于控制器的要求比較高，經(jīng)過試驗OMRON的FQM1控制器能完成這項功能，并且能提高包裝速度速度。
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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(chǔ)上開發(fā)的一種高端枕式包裝機，其技術(shù)核心就是用運動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(yīng)小于±2.5mm（根據(jù)色標寬度定），速度一般能達到200包/分鐘。
3.1 機器的啟動檢測定位
由于在機器的整個運行過程中保持送膜、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(guī)格的不同有不同的位置對應(yīng)點，因此在機器啟動時就因?qū)⑷S的位置進行校準，找到位置對應(yīng)點以便機器正常運行時按照對應(yīng)點進行檢測糾偏。
三軸的偏差檢測通過不同的傳感器進行：
送膜軸：膜的色標位置通過色標傳感器和伺服驅(qū)動器的編碼器分頻進行檢測。
送料軸：輸送帶的位置通過安裝在輸送帶的接近開關(guān)和輸送帶伺服驅(qū)動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安裝在橫封刀上的接近開關(guān)和設(shè)定的橫封刀每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)進行檢測。
機器啟動時的檢測定位流程如圖3：
圖3 機器啟動時三軸的檢測定位流程
3.2 機器運行時的工藝及控制
啟動檢測定位完成后，機器將進入正常運行狀態(tài)，其控制重點仍在于三軸的配合運行，工藝結(jié)構(gòu)及控制圖如圖4：
圖4 三伺服枕式包裝機的工藝結(jié)構(gòu)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(qū)動一對帶刀導(dǎo)輥旋轉(zhuǎn)對包裝物進行橫封橫切，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當轉(zhuǎn)到橫封過程的角度時，橫封軸必須與主軸保持同步，當轉(zhuǎn)到其他角度時，橫封軸的速度需要改變，橫封的周期時間與主傳送帶送入一個包裝物品的時間相同。
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在這里，我們將進行橫封過程的角度稱為同步角，同步角的大小根據(jù)機械結(jié)構(gòu)而定，目前使用最多的角度大小是66°左右。橫封軸轉(zhuǎn)到同步角時，必須與送料軸保持速度同步，而轉(zhuǎn)到其它角度時，需要加速還是減速，取決于橫封軸固有長度與產(chǎn)品長度之間的大小關(guān)系，固有長度的定義如圖5所示：
圖5 固有長度的定義
根據(jù)固有長度與產(chǎn)品長度之間的關(guān)系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步角以外的角度時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，必須在送膜軸的控制中加入糾偏，以防止滑差導(dǎo)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：
送料軸：
按照一定的速度帶動包裝物，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的，可以保證物料被送入包裝膜時位置的準確性。但長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)可能會因為機械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號檢測進行實時糾偏，其運動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關(guān)，與主軸同步跟隨的參數(shù)也會有所不同。
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4. OMRON公司FQM1運動控制器的介紹以及在三伺服枕包機中的應(yīng)用
4.1 FQM1功能及特點描述
FQM1是OMRON的通用運動控制器，其特點就是可以進行靈活、快速的運動控制，適合需要8軸以下伺服控制且同步協(xié)調(diào)或跟隨要求高的包裝機械，如：多伺服枕包機、連續(xù)式立包機、瓦楞紙生產(chǎn)線的送紙機構(gòu)、全伺服臥式包裝機等。
FQM1可實現(xiàn)的控制功能如表１所示：
表1 FQM1的控制功能
FQM1的性能特點有：
——根據(jù)并列分散處理性系統(tǒng)，從2軸到最大8軸穩(wěn)定的運動控制周期（例：0.5～2ms）；
——內(nèi)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個周期0.5ms～2ms）；
——軸控制間的控制周期的同步化、高速脈沖起動（最高25μs～）、高速模擬量輸入輸出（40μs）、高速計數(shù)器自鎖（30 μs）、高速浮動小數(shù)點演算等；
——模塊化構(gòu)造，可將枕包機中的理料、飛剪等環(huán)節(jié)程序模塊化。
4.2 三伺服枕式包裝機的OMRON系統(tǒng)方案
對于三伺服枕式包裝機，F(xiàn)QM1是一款非常合適的運動控制器，配合OMRON的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)。
OMRON系統(tǒng)產(chǎn)品配置清單如表2：
表2 OMRON系統(tǒng)產(chǎn)品配置清單
OMRON系統(tǒng)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)如圖9：
圖9 三伺服枕包機OC配置圖
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4.3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點
4.3.1 主軸
如上所述，在三伺服滾刀式枕包機中，軸和軸之間的動作需要保持同步或相互協(xié)調(diào)，因此就需要定義一根軸作為主軸，其余軸都以它為參照，進行同步跟隨或凸輪定位。
主軸可以用實際存在的三根軸中的一根來定義，也可以用虛軸來定義，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。
本文中的虛軸實際上使用了一個MMP模塊的實際脈沖輸出通道（脈沖輸出2），設(shè)置方式如圖10：
圖10 MMP模塊設(shè)置圖
操作模式為絕對脈沖（環(huán)形模式），循環(huán)最大計數(shù)：30000。使用SPED指令直接輸出脈沖每到脈沖值到30000時自動清零。也就是每發(fā)送30000個脈沖相當于包裝一個包裝物，可以根據(jù)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(shè)備使用電子凸輪代替了機械凸輪結(jié)構(gòu)，其速度分為兩段速，因此采用APR指令與PULS指令結(jié)合應(yīng)用的方式對橫封橫切軸進行控制。
首先計算出橫封切刀的運行曲線跟虛軸脈沖的對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)關(guān)系如圖11所示：
圖11 橫封橫切軸與虛擬軸的對應(yīng)關(guān)系
由于FQM1傳承了OMRON PLC的功能塊及ST語言編程功能，因此在這里計算對應(yīng)關(guān)系的算式可以用ST語言執(zhí)行，并組成功能塊如圖12所示：
圖12橫封切刀與虛軸對應(yīng)關(guān)系計算
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計算出對應(yīng)關(guān)系后，將對應(yīng)關(guān)系得數(shù)據(jù)輸入APR指令的CAM表如圖13，再由APR指令根據(jù)虛擬軸的實時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(zhí)行
由于FQM1中的PULS指令經(jīng)過設(shè)置只需要給定絕對位置值就會自動計算出輸出頻率控制伺服系統(tǒng)，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(zhí)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發(fā)生位置的偏差，在工作中必須進行修正。
首先計算出送膜軸運行給定的袋長需要的脈沖數(shù)，然后與虛軸的脈沖數(shù)進行線性對應(yīng)，隨時讀取虛軸的脈沖值，然后根據(jù)線性關(guān)系求出膜軸應(yīng)該對應(yīng)的位置脈沖，通過PULS指令進行輸出。
如果出現(xiàn)色標偏差可以修改袋長對應(yīng)的脈沖數(shù)的最大值，即修改了線性對應(yīng)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膜軸與虛軸點數(shù)線性對應(yīng)關(guān)系圖
在這里需要注意的是：檢測出偏差后，需要進行判斷色標是超前還是滯后（可以在功能塊中計算，ST語言比較合適），但是超前和滯后會有四種情況，有超前一個袋長的情況，沒有一個袋長的情況；滯后一個袋長的情況，不到一個袋長的情況，如果不注意處理，就會發(fā)生誤糾偏的情況。在這里，我們?nèi)杂肧T語言編寫功能塊，對此情況進行處理，功能塊與ST源代碼如圖17、18所示：
圖17 糾偏判斷功能塊
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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(shù)有所變更，在此不再敘述。
4.3.5 其他注意事項
需要注意PULS指令的過零點判斷，如果判斷不好會出現(xiàn)伺服倒轉(zhuǎn)、突然高速運行、抖動的情況。
另外，如果伺服參數(shù)調(diào)整不對也就是伺服的相應(yīng)不一樣，在高速時會出現(xiàn)色標的偏差，此偏差不易在程序中修正。
5. 結(jié)束語
經(jīng)過測試，設(shè)備可按照客戶原先提出的以下要求正常運行：
?、偬岣甙b精度，正?？梢赃_到120～200包/分；
?、跍p少機械結(jié)構(gòu)，使機械結(jié)構(gòu)簡單，省去機械凸輪，易于維修，同時減少工作噪音；
?、凼褂糜|摸屏操作使操作方式人性化；
?、苁褂梅奖?，操作簡單，即便出現(xiàn)故障只要簡單處理就可繼續(xù)運行。
?、菹到y(tǒng)的穩(wěn)定性，特別重要。
整個系統(tǒng)設(shè)計過程中，OMRON的FQM1的電子凸輪功能、同步總線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(wěn)定地運行。
飛剪、電子凸輪、高速、實時糾偏等功能，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，在實現(xiàn)這些功能的同時，能夠?qū)⒃鹊纳a(chǎn)效率提高2～3倍甚至更多，在不久的將來會成為主流趨勢，而FQM1在三伺服枕包機中的成功應(yīng)用也證明了OMRON在遇到此類機械的開發(fā)時有很好的產(chǎn)品對應(yīng)，在此領(lǐng)域中的應(yīng)用將會越來越多。
（轉(zhuǎn)載）
