于 鐳，常 軍，黃存柱

(青島科技大學(xué) 自主導(dǎo)航與智能控制研究所，山東 青島 266042)

自動(dòng)包裝機(jī)[1]是指將具有熱塑特性的塑料復(fù)合膜經(jīng)加熱軟化制成包裝容器，在1臺(tái)設(shè)備上自動(dòng)完成制袋成型、填充物料、封合剪切等全過(guò)程的自動(dòng)包裝設(shè)備。通過(guò)控制橫封的變速，來(lái)保證在封合剪切時(shí)切割點(diǎn)正好在塑料復(fù)合膜的色標(biāo)點(diǎn)處，同時(shí)還要保證切割時(shí)三軸(即橫封軸、物料軸和塑料復(fù)合膜軸)的速度同步，以防止因速度不等產(chǎn)生劃膜或切料現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)自動(dòng)包裝機(jī)都采用機(jī)械凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)，機(jī)械磨損嚴(yán)重、控制精度較差、凸輪維修繁瑣，很難滿足當(dāng)今社會(huì)的生產(chǎn)需求。

通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裝機(jī)的電子凸輪，與傳統(tǒng)意義上的機(jī)械凸輪相比，具有成本低、易調(diào)整、精度高等特性。由于PLC計(jì)算速度相對(duì)較慢，難以快速實(shí)現(xiàn)電子凸輪運(yùn)動(dòng)。而數(shù)字信號(hào)處理器DSP具有在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的能力，本設(shè)計(jì)中使用Motorola DSP 56F807芯片為處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此DSP芯片在80 MHz時(shí)鐘頻率下，每秒可處理40×106條指令，并具有豐富的外圍接口，很容易滿足包裝機(jī)的各種功能需求。

1 包裝機(jī)控制原理

自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于三軸的位置及速度同步補(bǔ)償以及凸輪運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。位置同步是：橫封的切割點(diǎn)必須在塑料膜的色標(biāo)點(diǎn)內(nèi)，且保證橫封不能切到物料。速度同步是：橫封切割時(shí)的速度與此時(shí)塑料膜的速度以及物料速度要相等。例如：如果橫封切割時(shí)的速度不等于此時(shí)塑料膜的速度，兩者間的相對(duì)位移會(huì)導(dǎo)致加熱的橫封劃破塑料膜。凸輪運(yùn)動(dòng)是：由于包裝的袋長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)是可變的，橫封旋轉(zhuǎn)1周所經(jīng)過(guò)的距離一般不等于袋長(zhǎng)，這就要求橫封在一定時(shí)間內(nèi)要完成由同步速度到變速再到同步速度的凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

傳統(tǒng)自動(dòng)包裝機(jī)是采用“電機(jī)+機(jī)械凸輪”的方式，通過(guò)不同的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)三軸的速度和位置同步。對(duì)機(jī)械凸輪和傳動(dòng)鏈條的精度要求比較高，而對(duì)電機(jī)的勻速控制則比較簡(jiǎn)單，因此具有易磨損、維修繁瑣等不足。

基于DSP的自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)是采用“伺服電機(jī)+電子凸輪”的方式，通過(guò)控制三軸伺服電機(jī)的脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)橫封軸的電子凸輪運(yùn)動(dòng)和三軸的位置及速度同步功能。以DSP作為主控制器，采用了合理的凸輪運(yùn)動(dòng)控制算法以及同步差異時(shí)的補(bǔ)償算法。為達(dá)到很好的補(bǔ)償效果，在此采用了PID控制算法。

2 系統(tǒng)的用例建模

UML[2]是一種可用于大型系統(tǒng)建模的統(tǒng)一建模語(yǔ)言，它不僅支持面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)，而且還支持軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。本軟件設(shè)計(jì)采用UML建模語(yǔ)言對(duì)包裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。

本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)用例模型。系統(tǒng)功能主要包括：

(1)橫封凸輪運(yùn)動(dòng)控制：通過(guò)改變伺服電機(jī)在不同位置的脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)橫封的變速功能。

(2)送料控制：通過(guò)接近開(kāi)關(guān)來(lái)獲取撥叉位置，實(shí)現(xiàn)物料軸的速度和位置控制。

(3)送膜控制：通過(guò)光電傳感器來(lái)獲取色標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)色標(biāo)軸的速度和位置控制。

(4)溫度控制：控制橫封與縱封的溫度，防止溫度過(guò)高燙壞塑料膜或溫度過(guò)低導(dǎo)致封合不好。

(5)自動(dòng)對(duì)刀功能：實(shí)現(xiàn)三軸獨(dú)立尋找切割標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。

(6)點(diǎn)動(dòng)功能：可以對(duì)包裝機(jī)三軸進(jìn)行獨(dú)立的位置調(diào)整。

(7)切割標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位置調(diào)整功能：可以針對(duì)不同的包裝長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整三軸的切割標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。

(8)自動(dòng)找零功能：上電后三軸自動(dòng)尋找各自的傳感器位置，從而實(shí)現(xiàn)了三軸機(jī)械的絕對(duì)位置找零。

(9)定點(diǎn)停車功能：橫封在指定位置停車，防止因隨意停車使橫封燙壞塑料復(fù)合膜。

(10)故障檢測(cè)與自動(dòng)停車：根據(jù)當(dāng)前故障情況進(jìn)行信息提示，并在伺服報(bào)警、溫控過(guò)熱等故障時(shí)，自動(dòng)控制包裝機(jī)在設(shè)定位置停車并顯示停車原因。

(11)信息管理功能：可進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的設(shè)定，控制狀況的顯示、各種生產(chǎn)信息的統(tǒng)計(jì)。

(12)掉電保護(hù)：當(dāng)控制器檢測(cè)到掉電時(shí)，將包裝機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、重要參數(shù)保存在Flash，重上電時(shí)讀取這些參數(shù)。

圖1 包裝機(jī)電控系統(tǒng)用例圖

根據(jù)以上功能系統(tǒng)用例如圖1所示。操作者、觸摸屏、傳感器、三軸伺服電機(jī)編碼器都是本系統(tǒng)參與者。操作者通過(guò)操作面板控制包裝機(jī)的啟停，通過(guò)觸摸屏可以修改包裝機(jī)的工藝參數(shù)，顯示運(yùn)行信息，改變袋長(zhǎng)控制模式。三軸編碼器是包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)的核心，包裝機(jī)的各種動(dòng)作都是基于三軸反饋的位置信息發(fā)生的。傳感器系統(tǒng)用例可擴(kuò)展為：協(xié)助三軸控制、自動(dòng)找零、對(duì)刀等功能的實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件狀態(tài)模型

狀態(tài)圖可以比較直觀地顯示包裝機(jī)各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，描述實(shí)時(shí)系統(tǒng)并發(fā)任務(wù)中對(duì)象之間的交互信息。根據(jù)包裝機(jī)電控系統(tǒng)的功能分析及用例，可以構(gòu)造出如圖2所示的DSP程序的狀態(tài)圖。

圖2 包裝機(jī)電控系統(tǒng)狀態(tài)圖

包裝機(jī)電控系統(tǒng)可分為：初始化狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、輔助動(dòng)作狀態(tài)、工作狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)。某一時(shí)刻包裝機(jī)只能處在1個(gè)狀態(tài)，2種狀態(tài)不能同時(shí)被激活。

系統(tǒng)上電進(jìn)入初始化狀態(tài)后，系統(tǒng)讀取Flash內(nèi)的工藝參數(shù)并賦予相應(yīng)內(nèi)存變量，初始化硬件接口，初始化完畢進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。通過(guò)觸摸屏上的按鍵可進(jìn)入輔助動(dòng)作狀態(tài)和工作狀態(tài)。在輔助動(dòng)作狀態(tài)內(nèi)，包裝機(jī)可完成對(duì)刀、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)找零、定點(diǎn)停車和產(chǎn)量清零等功能。操作者按開(kāi)車鍵，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)進(jìn)行產(chǎn)品加工以及偏差補(bǔ)償。

4 電子凸輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]

伺服電機(jī)作為電子凸輪系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的輸出精度直接影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度。伺服電機(jī)的功能是將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移，即給1個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)將轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)固定的角度(可通過(guò)設(shè)置伺服電機(jī)軸分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)固定角度)。由于伺服電機(jī)的角位移與輸入脈沖成比例，因此，調(diào)整DSP發(fā)出的電脈沖頻率，就可以對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。下面給出本系統(tǒng)采用伺服電機(jī)的電脈沖頻率的推導(dǎo)過(guò)程及其關(guān)系式。

設(shè)包裝機(jī)加工速度為N包/min，袋長(zhǎng)為L(zhǎng)，橫封寬度為 C(L＞C)，橫封半徑為 R，機(jī)械傳動(dòng)比為 n。

同理，可推導(dǎo)出回程對(duì)應(yīng)的電脈沖頻率f關(guān)系式為：

5 同步補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同步補(bǔ)償控制系統(tǒng)是包裝機(jī)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，同步補(bǔ)償控制的好壞直接影響產(chǎn)品切割點(diǎn)的位置，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。同步補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 同步補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)以軸位置為控制量，將設(shè)定切割標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)與反饋軸位置進(jìn)行比較，偏差量通過(guò)控制器控制伺服電機(jī)速度微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)切割位置的微調(diào)。由于包裝機(jī)塑料膜以及物料的變化會(huì)使軸位置發(fā)生變化，因此每1次速度的調(diào)整都是由基本速度加上或減去補(bǔ)償速度量。補(bǔ)償速度量的計(jì)算可采用PID[4]控制算法，PID控制中的3個(gè)參數(shù)分別表示:比例(P)、積分(I)和微分(D)。 根據(jù) PID的 3個(gè)參數(shù)的含義，可以得到控制算法為：

在實(shí)際系統(tǒng)中，為使得控制算法易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)上述公式利用矩形法代替積分部分，則可以得到差分方程如下:

PID控制易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可以滿足包裝機(jī)切割點(diǎn)位置控制的要求，因此在包裝機(jī)切割點(diǎn)位置控制中得到了應(yīng)用。

中國(guó)是包裝行業(yè)大國(guó)，智能化的包裝機(jī)控制系統(tǒng)具有巨大市場(chǎng)，并且通過(guò)研制具有自主產(chǎn)權(quán)的高檔次自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)將會(huì)提高我國(guó)包裝機(jī)制造的檔次，對(duì)于我國(guó)包裝機(jī)占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)具有重大意義。

[1]張聰.自動(dòng)化食品包裝機(jī)[M].廣州：廣東科技出版社，2006：21-23.

[2]GOMAA H.用UML設(shè)計(jì)并發(fā)、分布式、實(shí)時(shí)應(yīng)用[M].呂慶中，李燁，羅方斌，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]劉文采.可編程電子凸輪開(kāi)關(guān)在TPA系列自動(dòng)壓縮機(jī)中的應(yīng)用[J].電子世界，2002(9)：18-19.

[4]任琪.基于模糊PID控制的交流伺服系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(3-1)：57-58.