畢業(yè)設計論文-包裝機三軸同步控制算法研究

1、好文檔1 緒 論1.1課題研究的背景和意義 隨著社會的發(fā)展、生活水平的提高，人民對商品包裝提出了更高的要求。與人民生活和工農業(yè)生產密切相關的生活日用品、營養(yǎng)食品、藥品，種子、化肥、農藥、化工原料等工農業(yè)生產用品，都需要精確的定量包裝。這些物料如果用手工進行包裝，其勞動強度大，速度慢，效益和質量差;而食品、藥品類若采用手工包裝不能滿足衛(wèi)生要求。因此，需采用自動包裝機來完成這些工作。包裝機械是現代包裝工業(yè)的基本設備，是商品生產中必不可少的關鍵性技術設備。隨著人類社會的進步，國民經濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們越來越重視包裝的質量、品種類型，包裝機械在包裝領域中起著重要的作用。包裝機械是使產品包

2、裝實現機械化、自動化的根本保證。它能夠大幅度地提高生產效率;降低勞動強度，改善勞動條件;保護環(huán)境，節(jié)約原材料，降低產品成本;有利于被包裝產品的衛(wèi)生，提高產品包裝質量，增強市場銷售的競爭力;由于包裝機械的計量精度高，產品包裝的外形美觀、整齊、一、封口嚴密，提高了產品包裝的質量，增強了產品銷售的競爭力，可獲得較高的經濟效益;延長產品的保質期，方便產品的流通。包裝機械保證包裝產品質量高、生產效率高、品種多、生產環(huán)境好、生產成本低、環(huán)境污染小，因而獲得較強的市場競爭能力，帶來巨大的社會效益和經濟效益。自動包裝機被堪稱為擁有漫長發(fā)展歷史和富有強大生命力的主導機型。現已被各國視為前景較好的包裝機械。由于現

3、有國產袋成型自動包裝機存在的軟硬件問題，并且缺少相應的設計指導理論，所以對其進行研究改進是非常有意義的。包裝容器的制袋一充填一封口，是包裝工藝中必須的工序。充填的精確影響到廠家經濟效益;封口的好壞則影響包裝產品的外觀質量和保質期。因此，包裝質量在很大程度上取決于袋長的精確控制以及封口質量，所以封口機構及其控制的研究改進對提高制袋質量有著重要的意義，本研究對整機結構了解的基礎上，針對縱封、橫封的封口形式完成了對薄膜輸送系統(tǒng)等關鍵部分軟硬件設計，其在實際生產中也具有十分重要的指導意義.1.2國內外研究現狀為滿足現代商品包裝多樣化的要求，目前國內外開始不斷發(fā)展適應多品種、小批量的通用包裝機械和設備，

4、從而使得包裝機械的形式日趨增多。袋成型自動包裝機是將具有熱塑特性的塑料復合膜經加熱軟化制成包裝容器，在一臺設備上自動完成制袋成型、計量充填、封合剪切等全過程的自動包裝設備。按包裝物料的不同，可分為如下的幾類:(1)粉粒料包裝設備。如小袋奶粉、咖啡等物料的包裝。(2)流體、半流體粘稠類包裝設備。如調味品、醬類、油脂類等物料的包裝。(3)定型類包裝設備。由于固體定型類物料的大小及形狀差異頗大，所以需根據不同的物料，采用不同的充填形式，或采用電子稱量機計量。1.2.1國外袋成型包裝機發(fā)展現狀國外袋成型包裝機發(fā)展全面，優(yōu)勢明顯，主要特點有:l、結構設計標準化、模組化。用一臺包裝機完成對不同物料的包裝時

5、，利用原有機型的模組化設計可在短時間內迅速進行規(guī)格更換或轉換為其它包裝形式的機型，并為不同的計量系統(tǒng)提供了足夠的空間。如利用枕型包裝機稍加調整就可實現三角袋的包裝。2、包裝速度高速化。目前，國外的小袋包裝機單列包裝速度一般為3080袋/分，近些年來很多公司推出的多列式包裝機(從2列到10列)可使包裝速度大大提高。如意大利ILAPAK公司的300和400系列枕型包裝機，計量范圍1504509，包裝速度120袋/分;日本橫濱電機制作所的YDE一70型四邊封合包裝機，計量范圍:0.530ml，可以210列，最高速度為800袋/分;日本三光機械的FC一1000型小袋枕型包裝機，最高可達12列，速度可達

6、1000袋/分。3、結構運動高精度化。由于采用各種新技術，如通過伺服電機、編碼器及數字控制(NC)動力負載控制PLC等高精密執(zhí)行機構控制各種動作，使整機的充填計量精度和制袋精度都有所提高。如日本東京自動機械的SIGMA3型粉末計量機，配有可調速驅動馬達，采用螺桿下料充填，最大充填為每次1.ZKg，充填精度60.25%;日本，丫少社的臺式液體充填機，根據不同機型充填量可做到0.1600ml，充填精度為0.5%。4、控制智能化、彈性化。國外大多機器都通過智能型控制儀表和觸摸屏上的菜單式應用軟件對機器的各種參數進行跟蹤調整。電子顯示屏顯示切袋長度、包裝速度、充填物的凈含量以及包裝產量等，一目了然。標

7、準的色標跟蹤光電系統(tǒng)能絕對保證包裝產品的印刷圖案正確。另外，機器可對工作過程進行在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷分析，一旦發(fā)生問題，自動停機，并顯示故障原因及解決方法。5、包裝形式多樣化。國外的袋包裝目前既有三邊封合袋、四邊封合袋、枕形袋，還有風琴式、自立袋等。用戶可以根據市場的需要，具有更大的選擇空間。國外的袋包裝機執(zhí)行機構和傳動系統(tǒng)趨于簡單，橫封、縱封等動作的執(zhí)行機構采用氣動元件，包裝動作簡捷快速，整機噪聲小;采用變頻調速裝置，實現無級變速，不僅調速范圍大、平滑性好、低速特性，而且可實現恒轉矩調速，節(jié)電效果也十分明顯。1.2.2國內袋成型包裝機發(fā)展現狀 我國包裝機械發(fā)展較晚，目前正處于起步應用階段。

8、而且由于用戶的技術水平和各種環(huán)境因素的限制，我國包裝機械的需要就像一座“金字塔”。對高、精、尖設備的需求就是塔尖，越尖端的設備需求越小;對中、低檔設備的需求就像“金字塔”底部，量大面廣，商機無限。隨著市場需求的不斷增加，九十年代后，我國袋成型自動包裝機有了較快的發(fā)展。通過參考國外產品，進行消化、吸收及自主開發(fā)、研制，技術上有了很大的提高，計量范圍從lg到1000g不等，特別是產品功能和自動化方面也有了長足的進步。我國通過參考國外同類型產品，進行消化、吸收及自行開發(fā)研制，技術上有了很大的發(fā)展和提高。我國現有的袋成型自動包裝機應用廣泛，機型分為立式和臥式兩種，可包裝液體、糊狀物料、粉狀物料、顆粒和

9、固體物料，包裝形式有枕形袋、三封袋、四封袋、磚形袋、屋形袋、角形自立袋等多種類型。通過PLC和PC控制技術的不斷推廣和應用，使袋成型自動包裝機的自動化程度得到了很大的提高。我國生產的袋成型自動包裝機以普通型、通用型為主，即在同一臺設備上，同一豎直方向上自動完成包裝袋成型、計量、打印日期、充填、封口、切斷、輸出等工序。包裝物料一般為:液體、粘稠體、顆粒物料、粉料、膏體、片劑、膨化食品等。充填計量方式一般為:容積式、稱重式。容積式又可分為量杯式、旋轉閥式、柱塞式:稱重式又可分為電子秤、杠桿秤兩種。有些包裝機還采用組合式，如粗供料采用容積式，精供料采用稱重式等。所用包裝材料主要是具有可熱封的塑料單膜

10、和各種復合膜(如:紙一塑復合、塑一塑復合、鋁一塑復合等)。包裝成形袋以扁平袋為多(如:枕形袋、三邊封口袋、四邊封口袋)。熱封方式主要有:往復式、L型閉合式、旋轉式。國產中型袋包裝機多采用的橫封裝置是連續(xù)對輥式，其缺點是開機和關機時，在輥輪中間都要夾持部分包裝材料，既難于清洗，又浪費材料。小型袋包裝機，橫封裝置采用的是扇形開合的封口方式，當包裝袋的尺寸擴大后，其封口質量難以保證?？陀^地說，我國生產的袋成型自動包裝機綜合性能指標與國外先進國家的產品相比還存在著很大差距。比較突出的問題是;機械加工工藝技術水平低;機構動作的同步、協(xié)調性差;關鍵零部件、易損件、電氣元件壽命短、可靠性差;生產速度一般都比

11、較慢，自動化水平不高，自動化調節(jié)、自動化控制水平低;設備的可操控性差，維護保養(yǎng)較麻煩;充填精度低、速度慢;外觀造型和表面質量差。1.2.3自動包裝機存在的問題據調查，現有自動包裝機存在以下問題:1.包裝機長期存在著包裝材料(薄膜)輸送速度難以控制的問題，薄膜輸送速度不穩(wěn)，對袋長精度和袋形質量的影響很大:工作初期和末期，帶膜卷的直徑變化很大，轉動慣量變化，造成包裝材料輸送時拉力不均勻，使得封袋長度變化，袋長控制精度不高。2.包裝精度(充填精度)低且工作時不穩(wěn)定。3.包裝速度低:目前國產包裝機的包裝速度，小袋包裝在60120袋/分之間，包裝速度超過80袋/分時包裝質量將下降;中袋包裝為3560袋/

12、分。國外設備的包裝速度已達到小袋包裝為1200袋/分，中袋包裝為160袋/分。3.封口質量難以保證。(l)外觀質量。國家規(guī)定，包裝袋的封口處應平整、網紋清晰，不得有灼化和壓穿現象。而現有的包裝機不能很好的達到國家的標準;(2)包裝成品的封口強度低;(3)由于塑料包裝材料與被包裝物之間的靜電作用，在塑料袋內壁上會吸附細小的被包裝物粉粒，若不除去會造成橫封口處封口不牢，嚴重影響包裝袋封口質量。(4)自動包裝機的橫封機構運動形式的不合理，將導致封口質量問題。傳統(tǒng)的包裝機的封口機構，其左右封塊是扇形開合，封口部位熱封時間不同，導致封口處不平滑，部分灼化或者部分強度不夠。兩橫封塊機構采用左橫封塊運動時，

13、兩橫封塊對包裝袋的作用力不同，會造成其封口不勻。而且封口周期長，包裝速度慢。自動包裝機的功能多樣、種類繁多，如枕式自動包裝機、立式自動包裝機等，其中本課題是以新型三伺服枕式自動包裝機為研究平臺展開的。1.3 自動包裝機基本結構概述枕式自動包裝機普遍采用的流程如圖1-1所示，根據不同的機型，包裝流程及其機構會有所不同，但包裝原理大同小異。圖1-1 自動包裝工藝流程Fig.1-1 The flowchart of automatic packaging新型三伺服枕式自動包裝機的執(zhí)行機構由自動接膜裝置、物料輸送機構、制袋成型器、牽引輥輪、縱封輥輪、橫封切斷裝置和卸料傳送裝置等組成，圖1-2所示是新型

14、三伺服枕式自動包裝機工作原理圖。圖1-2 三伺服自動包裝機工作原理圖Fig.1-2 Working principle of thr-servo automatic packing machine從圖中看到，該機橫封切斷輥刀、包裝膜軸和卸料傳送帶、送料撥叉軸分別由單獨的伺服電機作為動力。該機集自動送料、包裝物品、封口、切斷于一體，是一種高效率的連續(xù)式的包裝機，廣泛應用于食品、肥皂、藥品等的自動包裝上。其包裝材料為復合材料，采用卷筒薄膜供料，由牽引輥輪經導向輥進入制袋成型器，由于受成型器作用，薄膜自然形成卷包的形式。同時待包裝物品由供料鏈撥叉推動至薄膜卷包的空間。卷包的薄膜在牽引輥輪的作用下向前

15、運行并被縱封輥輪實施縱封熱融封合。包裝物品在最后由橫封輥刀封合切斷，形成一個包裝成品，由卸料傳送帶輸出。由于其包裝形式為枕狀，故稱其為枕式包裝機。1.4 本文的研究內容為滿足客戶對新型三伺服自動包裝機功能和性能的需求，以自主研發(fā)的多軸（四軸）通用運動控制器為平臺，在現有研究成果的基礎上，本課題通過軟件算法進行新功能的開發(fā)，提高包裝機的整體性能，完善之前的研究成果。主要進行了以下幾個方面的工作：（1）根據用戶對包裝機性能的特殊需求，對控制系統(tǒng)的軟件進行改進，且驗證了設計方案的可行性及研究包裝機控制系統(tǒng)的可靠性（2）用UML建模語言，針對新型三伺服自動包裝機新功能的開發(fā)，給出了基于UML模型的軟件

16、設計方法。（3）采用三臺伺服電機分別控制橫封刀軸、包膜軸和送料軸獨立運動，采用基于電機編碼器位置的控制方式，實現了包裝過程中定長與追蹤兩種包裝模式。將追蹤量與PID補償算法相結合，實現了合理的位置偏差補償，提高了包裝精度。（4）為了滿足用戶防止切料、保護橫封刀的要求，開發(fā)了電子防切功能，在橫封之前提前檢測到是否切料，并作出相應的處理，提高了生產效率。 枕式包裝機采用三伺服方案，使得控制更加方便，機械結構大大簡化，速度快，效率高，便于操作。具有電子防切斷功能，在物料進入成型器后，如果物料檢測傳感器檢測到物料錯位時，即實現橫封輥刀停止，送膜軸與送料軸繼續(xù)運動，將錯位的物料送出橫封輥刀，然后實現自動

17、開車正常加工。這樣就可以實現對橫封輥刀的保護作用，同時不影響生產的繼續(xù)進行。對于撥叉中有空料的情況，通過空包檢測傳感器檢測到撥叉中缺料時，橫封輥刀和送膜軸停止，讓送料撥叉繼續(xù)運動，當把空包讓過去之后，包裝機自動開車，減少了廢品率，提高了工作效率。該機還裝有自動接膜裝置，在全自動的生產線不停機狀態(tài)下，自動接膜，減少人工接膜的時間，提高生產效率。通過以上新功能的介紹，可以看出三伺服包裝機的優(yōu)勢在于以下幾個方面：（1）簡化傳動系統(tǒng)，較之傳統(tǒng)的機械凸輪，新型電子凸輪方式有效降低了機械磨損，控制精度高、柔性好、機械噪音小等優(yōu)點。提高機械運轉的穩(wěn)定性和可靠性，降低機械運轉的噪音，大大延長了使用壽命和最大限

18、度的降低故障率，減小企業(yè)維護的費用。（2）增加產量、降低成本?？梢蕴岣呱a技術，使產品產量和品質都得到提高，并能有效節(jié)約成本，實現利潤最大化。（3）實現包裝機的高效、低損耗、自動檢測等多功能，使產品質量穩(wěn)定、效率提高。2 電子凸輪簡介2.1電子凸輪的概念圖2-1電子凸輪Fig.2-1 Electronic cam文獻簡要地提出了電子凸輪的概念，即一套數字控制系統(tǒng)在沒有傳統(tǒng)機械凸輪存在的情況下，通過編制控制程序，讓該數控系統(tǒng)精密的模擬凸輪工作曲線，而完成相應的機械動作,即由一套數字控制系統(tǒng)實現了凸輪機構的運動規(guī)律。電子凸輪與機械凸輪的比較示意圖可如圖2-1所示，在圖中，所示的數控系統(tǒng)可以實現圖所

19、示的機械凸輪的從動件的運動規(guī)律，中從動件通過驅動裝置(如伺服電機、伺服電機等)直接驅動而實現上下運動，而驅動裝置是由PLC控制系統(tǒng)控制的，由PLC控制的驅動裝置的輸出運動曲線是某一凸輪運動曲線，所以該數控系統(tǒng)中的從動件可以與圖中的從動件一樣實現凸輪從動件的預期運動。由于不存在機械凸輪，各種機械運動可協(xié)調工作在最理想的狀態(tài)，作用力方向與運動方向一致，因而也就不存在壓力角的問題，使效率大大提高。采用計算機或PLC控制使輸出運動的軌跡、速度及加速度可隨意控制，如要改變運動規(guī)律，只需改變相應的控制數據。在特殊的情況下，甚至可以根據當前被加工物體的運動規(guī)律來修改數控凸輪的運動軌跡。2.2電子凸輪的構成電

20、子凸輪由硬件和軟件兩部分組成。硬件由微機、軸位置編碼器、D/A轉換器和執(zhí)行機構組成。微機采用單片機、PLC或者PMAC等作為凸輪控制器，軸位置編碼器用于檢測輸出軸的角度，如果采用伺服電機作為執(zhí)行部件，則編碼器將檢測到的轉角反饋回控制器，對轉角進行校正，由此達到高精度的轉角輸出，而執(zhí)行機構則采用伺服電機或者伺服電機，軟件產生凸輪從動件運動規(guī)律的算法。電子凸輪機構根據應用場合的不同，其系統(tǒng)組成也可以分為以下三種：(1)慢速高精度這種機構可采用伺服電機帶動精密絲桿，使伺服電機的轉動轉變?yōu)橹本€運動，適合于控制自動機一類的刀具自動進給，由于進給運動功率很小，小型伺服電機足以勝任工作。(2)高速低精度這種

21、機構對行程的精度要求不高，但在速度上有一定要求。可采用齒輪齒條傳動方式，適合于像數控切紙機一類的機械。由于速度較高，又有一定的作用力，故需采用較大功率的伺服電機，同時要注意消除齒側間隙，以免在反向時造成較大的沖擊。(3)分度凸輪機構模擬伺服電機與減速器相結合，可模擬分度凸輪運動規(guī)律，該機構可在360度的平面上實現任意角度的位移、任意角速度及角加速度的運行，成為具有數控功能的分度工作臺，其功能也超出了機械凸輪機構的應用范圍。2.2.3電子凸輪的優(yōu)點在自動包裝機中，用圖2-1所示的電子凸輪機構替代圖2-1所示的機械凸輪機構，可使自動包裝機的傳控系統(tǒng)得到優(yōu)化。因為電子凸輪較機械凸輪而言,具有如下優(yōu)點

22、：(1)凸輪輪廓曲線是存儲在計算機中，電子凸輪系統(tǒng)不存在磨損，因而從動件重復實現預期運動的精度高、穩(wěn)定性好。(2)電子凸輪系統(tǒng)可按不同從動件的運動規(guī)律選擇存儲器中的凸輪輪廓曲線，當輸出運動改變時只需簡單地改變一下數值或設定，而不需要重新加工制作新凸輪，機構的輸出柔性好。(3)電子凸輪系統(tǒng)沒有機械凸輪的慣性力、彈性變形、剛性沖擊等因素，故響應速度快，能適合高速運動的傳動裝置。(4)生產效率高電子系統(tǒng)中有更多的部件可能失效而導致系統(tǒng)終止。盡管這樣，電子系統(tǒng)沒有機械系統(tǒng)那么容易損壞。即便是損壞了，電子系統(tǒng)修復的時間要比機械系統(tǒng)短得多。模塊化的電子部分加速了更換時間，因為是可編程的，所以可以從計算機上

23、下載指令，可以輕松的配置。電子凸輪系統(tǒng)的更換時間在分鐘這一級，而相比之下，機械凸輪在小時、天這一級。電子凸輪的特點是不管是在伸展還是在收縮時，能全面控制驅動器運動，在機械凸輪系統(tǒng)中，從動件的回歸速度受到系統(tǒng)的回復彈簧和動態(tài)特性的限制，巨大的彈簧能保證快速回復，但由于壓縮過程中要克服彈簧力，需要較大的功率，比較會產生問題。如果凸輪在主軸的下部，扭轉變形的可能性需要很大的主軸來維持同步。(5)安全電子凸輪系統(tǒng)結合了保護機械免于失效的機制。伺服傳動部分的失效能夠用監(jiān)督的微處理器檢測出來，然后順序關閉；如果微處理器失效，預置的信號不能發(fā)送到監(jiān)視計時器電路，系統(tǒng)也將會關閉。電子系統(tǒng)中，使馬達停止的應急方

24、法是動態(tài)制動。在伺服系統(tǒng)中，馬達在急停時停止速度更快。在這種情況下，伺服系統(tǒng)提供一個負力矩，一般伺服系統(tǒng)終止馬達需50毫秒，而動態(tài)制動僅需1秒左右。鑒于上述電子凸輪的諸多優(yōu)點，對于機械凸輪機構占有很大分量的自動包裝機機來說，采用電子凸輪來對傳統(tǒng)的機械凸輪結構進行改造和優(yōu)化無疑對提自動包裝機的性能帶來很大的幫助。2.3電子凸輪的研究現狀和發(fā)展趨勢 電子凸輪的研究可追溯到20世紀50年代中后期，當時有學者提出采用控制系統(tǒng)取代凸輪機構，因為數字控制系統(tǒng)有良好的可調節(jié)性，在需要柔性生產的場合，這一優(yōu)勢尤為重要。例如，在驅動分度工作臺時，如果需要改變分度角，用傳統(tǒng)的凸輪分度機構是不能實現的，而利用伺服馬

25、達的所謂“電子凸輪”，只需要改變控制軟件即可。又如以伺服系統(tǒng)控制的機器手取代凸輪式固定程序型機器手，以數控機床取代應用凸輪分配軸的自動機床等，均是這種例子。國外在電子凸輪的研究與應用方面，Mike Woelfel給出了電子凸輪在包裝切紙機上的一個應用實例，并分析了電子凸輪在解決機械凸輪所帶來的速度、加速度的沖擊方面的優(yōu)點。Makino提出將智能凸輪運用于機器人機械手臂的控制，從而提高了機械手臂的速度和柔性。Lesile Langnu對電子凸輪的運動控制進行了簡要的論述，并且給出了電子凸輪在傳送控制上的優(yōu)點，電子凸輪可以根據傳送的距離要求自動編程精確實現，而在傳送過程中的加速、恒速、減速段，電子

26、凸輪可以采用最合適的曲線來實現，從而改善了機構的運動性能。同時文獻也論述了電子凸輪和電子齒輪之間的關系及它們各自的應用場合。與此同時，國外一些廠家已經生產出了采用PLC或者單片機作為凸輪運動控制器，用伺服電機或者伺服電機為執(zhí)行元件，通過編程模擬凸輪運動曲線，從而代替機械凸輪的電子凸輪機構。美國、德國、日本的一些公司已經生產出了一些型號的電子凸輪控制器，比如德國倫茨(Lenze)公司生產的9300凸輪型伺服控制器(EVS9300-EK)，內置電子凸輪發(fā)生器，可同時編程8條凸輪曲線，能實現復雜輪廓曲線的加工和工藝的快速改變。電子凸輪的研究和應用在國內不是很深入。文獻對于電子凸輪這一概念做了一般性的

27、表述，而對電子凸輪的設計及實際應用研究沒有進行深入具體的論述。李瑞琴、鄒慧君在文獻中將電子凸輪歸為可控機構一類，對電子凸輪的優(yōu)點做了總結。文獻針對船舶和港口自動化設備，研制了一種基于可編程序控制器的電子凸輪。該電子凸輪的控制是用OMR0N的C40P可編程邏輯控制器中的高速計數器來實現的。文獻以NSD 公司生產的VS-5E 系列為例介紹電子凸輪的硬件組成、功能和主要性能參數，并給出了它在生產應用中的實例及相關的PLC程序。文獻對虛擬凸輪機構的實現作了一般論述，并對該機構的應用前景進行了展望。3 電子凸輪機構的運動分析3.1引言本章建立了電子凸輪機構的運動控制函數。根據控制函數，采用伺服電機作為電

28、子凸輪機構的執(zhí)行機構，通過編程控制電機的運動使機構的輸出具有可控性。作為一種數字伺服執(zhí)行元件，伺服電機具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，廣泛應用于數控機床、機器人、自動化儀表等機械中。不僅在開環(huán)伺服系統(tǒng)，而且在強調速度控制、位置控制的閉環(huán)以及半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)中伺服電機的應用也越來越廣泛。為了實現伺服電機的運動控制，較多采用的一種方案是以單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出個數，實現伺服電機的速度和位置定位。本文也是采用這一方案，以單片機作為控制器，實現伺服電機的控制。本章將建立電子凸輪系統(tǒng)的運動控制函數方程。3.2凸輪機構的運

29、動規(guī)律凸輪機構的運動規(guī)律是指凸輪機構中的從動件的運動曲線，它是由所設計的凸輪輪廓決定的。根據各種不同的工況要求，長期以來發(fā)展了幾種常用的從動件曲線，從形式上分為不連續(xù)曲線和雙停留對稱曲線。不連續(xù)曲線有等速度曲線、等加速度曲線和簡諧運動曲線。雙停留對稱曲線有等躍動曲線、5次曲線、修正梯形曲線、修正正弦曲線、修正等速度曲線等。所有凸輪運動曲線都是使凸輪機構從動件產生往復、間歇性運動，只是在凸輪機構的動力學和運動學性能方面，有各自的優(yōu)缺點。1969年，Neklutin提出了三種在實際應用中被廣泛使用的凸輪曲線，即：修正梯形曲線(MT)、修正正弦曲線(MS)、修正等速度曲線(MCV)。MT和MS曲線已

30、被廣泛應用于自動機械中的高速分度凸輪曲線設計。MT曲線具有較低的加速度峰值，適合于高速輕負荷；MS曲線由于均衡性較好，適合用于負載未知的場合，特別是重負載場合；MCV曲線適合于某些要求較小的特殊場合。作為三種常用的凸輪曲線，它們是影響凸輪機構動力學性能的因素之一，特別是在分度運動系統(tǒng)中，直接影響步進系統(tǒng)的動力學和運動學性能。在從動件運動規(guī)律研究方面，文獻建立了通用簡諧梯形組合曲線方程利用該方程不僅可構造出如MS、MT、MCV等多種常用的凸輪運動曲線，且通過變換組合段長度值，可以構造出多種加速度連續(xù)、躍度連續(xù)以及在跨越點處理論碰撞速度為零的運動曲線。如圖3-1所示，圖中實線表示曲線的加速度，虛線

31、表示越度。為升程（或分度加速）期的加速度最大值，為回程（或分度減速）期的加速度最大值。該曲線由11段組成，第3、6、9三段為恒加速度段其余八段均為不同相位正弦函數的一部分。第6段可設計為等速段，即令也可不設此段，設置此段可使組合曲線越度連續(xù)，且更具通用性與一般性。通過對每段曲線進行選取，可以組成常用的MS、MT、MCV曲線。圖3-1 通用簡諧梯形組合曲線Fig .3-1 General harmonic trapezoid curve3.2.1運動參數無因次化在凸輪機構設計中，為了衡量各種不同運動規(guī)律的運動特性，通常將運動規(guī)律采用無量綱的形式進行表達，并選取某些運動學和動力學參數作為運動規(guī)律的

32、特性值，對不同運動規(guī)律進行分析和比較。參見圖3-2，設由凸輪所驅動的從動件位移為， (3-1)設從動件從時刻開始運動，位移逐漸增大，當的時刻達到最大位移，這時無因次時間及無因次位移可定義為 (3-2) (3-3)式中 是實際時間（單位：s）為達到最大位移的時間(單位：s)無因次時間從動件無因次位移圖3-2 凸輪運動規(guī)律無因次化表Fig.3-2 The dimensionless form of cam motion law則式(3-1)可改寫成下式 (3-4)式(3-4)稱為無因次化的從動件位移曲線。且有時 時 (3-5)將式(3-4)對微分可得無因次速度為 (3-6) (3-7)上述值與實際

33、位移、速度、加速度關系如下 (3-8) (3-9) (3-10)對于凸輪機構的實際最大速度，最大加速度可由下式計算， (3-11)根據式(31)(310)可將任意凸輪運動規(guī)律轉化為無因次方程形式。凸輪機構常用運動規(guī)律無因次化方程推導參見文獻。無因次化最大速度、加速度、躍度稱為凸輪運動規(guī)律的特性參數。常用運動規(guī)律特性參數參見表1。表1 常用運動規(guī)律特性參數Table 1 Common motion characteristic parameters曲線名稱VmAmJmAx擺線2.00±6.28±39.5±8.16梯形2.00±4.89±61.4&

34、#177;8.09修正等加速度1.28±8.01201.4±5.463.3伺服電機的控制方式在電子凸輪系統(tǒng)中，伺服電機作為電子凸輪系統(tǒng)的執(zhí)行機構，它的輸出精度直接影響電子凸輪系統(tǒng)的運動精度。伺服電機又稱為脈沖控制電動機，其功能是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機將轉動一個角度，如圖3-3所示。脈沖分配器和功放伺服電動機輸出軸控制電脈沖控制電脈沖轉角圖3-3 伺服電機的控制Fig.3-3 Servo motor control圖3-4 伺服電機的控制特性s0k0vf(a)(b)Fig.3-4 Servo motor control charac

35、teristics伺服電機的角位移量或線位移量與脈沖數成正比，如圖3-4(a)所示。它的轉速或線速度與脈沖頻率成正比，如圖3-4(b)所示。在負載能力范圍內這些關系不因電源電壓、負載大小，環(huán)境條件的波動而變化，因而可適用于閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)中做執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。伺服電機可以在很寬的范圍內通過改變脈沖頻率來調速，能夠快速啟動、反轉和制動。它不需要變換能直接將數字脈沖信號轉換為角位移，很適合采用計算機控制。特別是近十幾年來，數字技術和電子計算的迅速發(fā)展為伺服電機的應用開辟了廣闊的前景。由于伺服電機具有高精度，沒有累積誤差等優(yōu)點，易于控制，所以可以利用伺服電機作為電子凸輪系統(tǒng)的執(zhí)行機構，由它帶動

36、從動機構實現機械凸輪機構的運動。3.4電子凸輪運動控制函數本文通過機械偏心圓盤凸輪機構的運動規(guī)律來反求出電機的運動控制函數,進而推導出電子凸輪運動控制函數。3.4.1電機運動控制函數顏鴻森等發(fā)現，用微機控制的直流伺服馬達使凸輪變速運動，可以改變從動件的運動學特性。在此基礎上，顏鴻森提出了盤形凸輪標準化的技術設想，即在有相同升程和基圓的前提下，設計與制造出標準的盤形凸輪，再利用適當的凸輪轉速變化，來改變從動件的運動特性，以符合不同的從動件的運動要求。即如果采用偏心圓盤凸輪機構，通過控制其輸入運動，可以得到所期望的輸出運動?？捎蓤D3-5表示，若已知從動件的期望運動規(guī)律，通過偏心圓盤凸輪機構的結構位

37、置關系可以反求出電機的控制運動方程，從而得到所期望的輸出運動?？刂葡到y(tǒng)伺服電機偏心圓盤凸輪期望運動規(guī)律圖3-5變速輸入凸輪機構示意圖Fig 3-5 Schematic diagram of the transmission input cam mechanism設凸輪機構從動件運動規(guī)律(采用無因次化表示)為 (3-12) (3-13) (3-14)通過偏心圓盤凸輪機構的機構位置關系建立凸輪輸入軸與從動件期望運動規(guī)律的函數關系如下 (3-15) (3-16)(3-17)式中 為偏心圓盤凸輪輸入軸轉角為偏心圓盤凸輪輸入軸的角速度為偏心圓盤凸輪輸入軸的角加速度偏心圓盤凸輪由伺服電機驅動，其控制量為脈

38、沖量，所以應將凸輪輸入軸運動函數方程轉化為電機的控制脈沖頻率方程，假定伺服電機與凸輪輸入軸的傳動比=1，由于式(3-15)(3-17)均為無因次化表示，所以只要將凸輪輸入軸方程乘以一個常數量(如脈沖當量)就可得到電機的控制函數方程。伺服電機每收到一個脈沖轉過一個步距角，而每一步距角對應于偏心圓盤凸輪機構的一輸入轉角，將凸輪輸入軸位移方程式(315)乘以位移當量(單位：脈沖個數/度)即可確定伺服電機的位移控制函數方程。若對伺服電機采用速度控制，則將凸輪輸入軸的轉速函數方程式(3-16)乘以脈沖當量即可得到電機的速度控制方程，如下 (3-18)式中脈沖當量由所給定的伺服電機的最高運行的頻率和啟動頻

39、率及所期望的凸輪運動曲線形式所確定，為伺服電機的啟動頻率。因為是一無因次化的凸輪速度曲線，而是一常量，所以，式(3-18)確定的曲線與凸輪機構的速度曲線是一致的，故式(3-18)即是凸輪機構的速度控制函數。假如已知凸輪機構從動件達到最大位移運行時間，根據式（3-2)可得實際運行時間與電機控制頻率之間的函數方程為 (3-19) 3.4.2電子凸輪運動控制函數電子凸輪系統(tǒng)直接由控制系統(tǒng)控制伺服電機輸出凸輪曲線。它是在不使用機械凸輪機構的工況下，直接由電機驅動從動件得到凸輪運動規(guī)律，可由圖3-6表示。由于由電機直接輸出凸輪運動曲線，所以將從動件的速度運動函數方程乘以脈沖當量即可以得到伺服電機的速度控

40、制運動函數 (3-20)式中 為伺服電機的啟動頻率 為脈沖當量，由所給定的伺服電機的最高運行頻率和啟動頻率及所期望的凸輪運動曲線形式所確定即為所期望的從動件速度函數 實際運行時間與電機控制頻率之間的函數方程為 (3-21)凸輪曲線存儲器控制系統(tǒng)伺服電機凸輪運動曲線圖3-6 電子凸輪示意圖Fig 3-6 Schematic diagram of electronic cam3.5 包裝機的橫封電子凸輪運動控制3.5.1 包裝機的橫封簡介橫封是枕式自動包裝機的一道重要工序。它通常位于縱封工序的后面，作用是使填充了物料并經過縱封的袋子橫向密封并切斷。橫封通常安裝在一對對滾得軸上，如圖3-7所示為橫封

41、加工過程簡圖。兩軸對滾時，被加熱的熱封頭壓向兩塊包裝物之間的間隙，包裝薄膜被熱封。由于熱封頭的中間裝有切刀，使得包裝薄膜材料被熱封的同時被切斷，成為包裝成品。圖3-7 橫封加工過程簡圖Fig.3-7 The chart of the traverse seal process在封切工作過程中，切斷動作要求勻速或近似勻速運動，使得橫封圓周上MQN弧線上的任意一點的線速度與包裝袋移動的線速度相等，即速度同步。由于封切在一周中占用時間短，大多數用于空轉，如果讓空轉也做勻速運動，則造成浪費，所以橫封處于非勻速運動的狀態(tài)，即對于短袋長，熱封與切斷時間短，空轉時間長；而對長袋長來說，熱封與切斷時間長，空轉

42、時間短。傳統(tǒng)的枕式包裝機一般采用機械凸輪的方式。但機械凸輪屬于高副點線接觸，加工困難、運動缺乏柔性、凸輪和輥輪易磨損，從而導致定位精度降低，振動和噪聲加劇，加工成本提高；且改變袋長時，需要人工調整偏心量，使得操作較為繁瑣。因此，在本設計中采用電子凸輪的控制方式，它不存在磨損、精度高、柔性好，且只需在觸摸屏上改變袋長參數，即可實現偏心自動調整功能。電子凸輪系統(tǒng)具有機械凸輪機構所不具備的優(yōu)點，在包裝機械上具有廣闊的應用前景。在圖3-7中可以看到，對包裝薄膜的密封是由一對橫封滾軸上的熱封頭同步轉動過程中完成的。橫封熱封頭在點M處開始變速與包裝薄膜的線速度同步，運轉至點Q處施壓封合，切刀切斷。完成切割

43、之后，當運轉至N點時進行變速，為下一次的運動過程做準備。在熱封頭由M點到Q點再由Q點至N點的過程中橫封的線速度始終與包裝薄膜的速度保持同步，這樣才能保證不會出現“逮”膜或“蹙”膜現象。根據橫封包裝的特點，采用同步段長度固定的電子凸輪算法來控制，將運動過程分為同步區(qū)和非同步區(qū)，在同步區(qū)上運行時間占袋長的時間是一定的。根據包裝袋長的不同，電子凸輪的變速點N點不變，M點自動調整。假設上下橫封軸之間的中心距為120mm，則熱封頭旋轉一周為376.990mm，由于是雙刀，熱封頭轉一周包裝兩包產品，所以完成一包的周長為一半，即188.495mm對應180度。因為同步區(qū)是半個袋長的長度，其大小取決于橫封熱封

44、頭的寬度（本設計中橫封熱封頭寬度為25mm），將點M、N作為凸輪的變速點。3.5.2 橫封電子凸輪算法電子凸輪是通用運動控制器控制伺服電機由信號直接輸出轉角，伺服電機兼具驅動與控制的雙重功能。電子凸輪的工作原理如圖3-8所示。通用運動控制器輸入預期的參數，發(fā)出位置指令信號C(t)，伺服放大器控制伺服電機產生轉角(t)，從而控制橫封機構的輸出實現角位移(t) 。 圖3-8 電子凸輪控制原理圖 Fig.3-8 The principle of Electronic cam control如上所述的電子凸輪原理，下面給出該系統(tǒng)的伺服電機電脈沖頻率的推導過程及關系式。設自動包裝機包速為包/，袋長為，橫

45、封刀寬為 ( >)，橫封刀半徑為，機械傳動比為。（1）因橫封刀封合切割時的線速度與包裝薄膜的速度一致，所以線速度公式為： （3-22）即可得橫封刀角速度的公式為 （3-23）又有，本設計采用通用運動控制器給伺服放大器發(fā)脈沖的形式控制伺服電機運轉，因此控制器發(fā)的脈沖頻率公式為 （3-24）其中，為伺服電機編碼器分辨率。（2）由電子凸輪推程和回程分別做等加速運動和等減速運動，加速度的絕對值相等，且二者用時相等，即，故可知存在一個速度最大點，此時的速度為 （3-25）故推程段線加速度為 （3-26）同時推程段每時刻的線速度為 （3-27）其中，故此時推程對應的電脈沖頻率關系式為 （3-28）其

46、中 同理，可推導出回程對應的電脈沖頻率關系式為 （3-29）其中3.6電子凸輪機構的控制原理電子凸輪機構的運動控制核心是由單片機控制伺服電機實現式(3-18)或(3-20)所確定的運動規(guī)律，若上式確定的運動是一變速運動，則可由伺服電機的變頻控制來實現電子凸輪機構的變速輸入運動，從而使該機構的從動件輸出運動達到所期望的運動特性。3.5.1伺服電機的定步法控制該控制系統(tǒng)采用單片機作為控制器，其控制方法可采用定步法，具體實現如下：若式(3-18)所確定的曲線如圖3-9所示，假定升速段伺服電機運行的總步數為，等分總步數得，可得個無因次時間點，然后求取每個時間點所對應的值，將其轉化為單片機定時器的時間常

47、數，則形成了一個關于總步數、頻率、等分數的數據表，存入單片機內存中形成控制表格，當伺服電機在升降頻過程中每走過步后，改變一次時間常數，輸出進給脈沖，以實現定步升降頻。由于在相鄰的兩個脈沖處，頻率突跳是根據由升頻曲線得到的表格查取的，因而這種頻率突跳能為伺服電機所接受，故定步法能較好的使伺服電機不丟步運行。用定步法控制時，要求每個脈沖之間必須有一定的脈沖寬度(一般不小于5s)。圖3-9 定步法升、降速曲線Fig. 3-9 Step rise, drop speed curve3.7程序設計解析程序設計介紹電子凸輪的控制程序編制，其程序結構如圖3-10所示。分為在微機上進行的運算程序和單片機控制程

48、序兩部分。由于單片機對復雜函數的運算能力較差，所以單片機的控制數據表格在微機上用高級語言編寫程序形成，然后寫入到單片機的控制程序中。運算程序包括：主程序、曲線離散運算子程序、牛頓迭代子程序、顯示子程序。根據運算程序流程圖3-10，對運算主程序做如下幾點說明：1運動參數的輸入包括：凸輪曲線形式；電子凸輪系統(tǒng)從動件的運行位移、伺服電機與從動件之間的減速比，并由此轉化為伺服電機的運行位移(單位：步數)；伺服電機的最高運行頻率和啟動頻率；2運動參數的計算：調用曲線離散運算子程序和牛頓迭代子程序，根據2.5節(jié)所述的原理計算出單片機控制伺服電機的數據表；3顯示預運行曲線：將電子凸輪預運行的凸輪曲線顯示出來

49、；4將計算得到的數據表格轉化為單片機定時器的定時初值表。程序設計高級語言編制的運算程序單片機控制程序曲線離散運算子程序牛頓迭代子程序鍵盤子程序中斷控制子程序圖3-10 程序結構圖Fig. 3-10 Program structure diagram單片機控制程序包括主程序、中斷控制輸出程序、鍵盤輸入程序，報警急停子程序。鍵盤輸入程序是在控制程序寫入到單片機存儲器后，可由鍵盤選擇要求電子凸輪系統(tǒng)運行的凸輪運動曲線。報警急停子程序是在電子凸輪出現運行故障時使電機停止運行。開始輸入運動參數調用運算子程序，得到運行總步數、數據表調用顯示子程序，顯示運行參數與預運行曲線將控制數據表寫入到單片機中斷子程序

50、中結束圖3-11 程序結構圖Fig.3-11 Program structure diagram根據圖3-12單片機控制主程序框圖，對單片機控制主程序做如下說明：主程序處于中斷響應等待狀態(tài)，按鍵中斷優(yōu)先級高于定時中斷，在有按鍵時，響應按鍵中斷，判斷按下鍵值，如果是停機鍵則電子凸輪停止運行，并重新初始化系統(tǒng)，如果是參數輸入鍵則等待參數輸入，確認運行。單片機根據輸入的凸輪曲線形式，自動調用相應的凸輪曲線定時中斷程序，啟動電機運行。在電機運行過程中，為保證電子凸輪運動的連續(xù)性，如果沒有按鍵輸入，則電機在完成一個分度行程后，自動進行下一個分度運動。 如果要求電子凸輪運行程序存儲器存儲的常用凸輪曲線之外

51、的其他曲線，則只需將單片機的控制數據表重新改寫即可。圖3-12 單片機控制主程序框圖Fig.3-12 MCU control main program diagram根據電子凸輪機構變速中斷子程序，對定時中斷子程序做如下說明：單片機每響應定時中斷一次發(fā)一驅動脈沖使伺服電機轉過一個角度，而每次中斷定時器的定時初值都是通過查表子程序在控制數據表格中查取。電子凸輪在一個行程中一般包括加速，恒速，減速三個階段，但是對于MS、MT曲線，沒有恒速過程，則在完成加速后自動轉入減速階段。每次中斷過程中都判斷運行總步數是否為零，如果為零則電子凸輪完成一次行程，如果沒有停機鍵按下，程序則轉入主程序重新開始下一次運

52、動行程。 4 包裝機的三軸PID同步控制4.1 三軸同步控制原理新型三伺服自動包裝機采用三臺伺服電機分別控制橫封軸、包裝膜軸和送料軸的三軸協(xié)調運動。三軸同步控制是通過通用運動控制器對橫封刀軸、包裝膜軸及送料軸伺服電機的控制，使橫封切刀正好切在物料輸送到包裝袋位置之間的間隔上，保證包裝袋的速度與橫封切刀切割點的線速度同步，實現產品的精確包裝。 圖4-1 同步控制示意圖Fig.4-1 The schematic diagram of synchronous control 如圖4-1所示為同步控制示意圖。其中，橫封刀伺服電機主要實現電子凸輪運動，完成對包裝膜的橫封封合與切斷。包裝膜軸伺服電機不僅控

53、制薄膜的輸送，還控制縱封輥輪以及輸出機的運動。送料軸伺服電機主要控制送料撥叉將物料送入成型器中，并保證物料輸送到包裝膜的料位位置，實現橫封刀封合切割在物料的間隙。但是，在實際的包裝過程中包裝膜有時與橫封刀的同步速度不一致，就會出現“逮”膜或“蹙”膜等現象。如果送料撥叉送料位置不匹配，還會出現切料的情況。因此，需要對包裝膜軸和送料軸進行補償，采用PID補償算法。4.2 PID補償算法PID控制器就是將偏差的比例(P)積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制。模擬(PID)控制原理：模擬PID控制系統(tǒng)原理圖如圖所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成 圖4-

54、2 PID控制框圖Figure 4-2 PID control block diagram圖4-2中，r(t)為電機M2給定轉速值,y(t)是M2的實際輸出值，由槽型光藕、碼盤和霍爾開關測得，給定值與實際輸出值構成控制偏差 e(t) = r(t) y(t) 。e(t)作為PID控制器的輸入， u(t) 作PID控制器的輸出和被控對象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為：u(t)=Kpe(t)+1IT0e(t)dt+TDde(t)dt+u(0).其中: KP 比例系數、IT 積分常數、TD 微分常數、u(0)控制常量比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應。偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用， 使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹奒P會導致系統(tǒng)震蕩， 破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制過程中， 只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大。積分環(huán)節(jié)的調節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應過程，但可以減少超調量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它是根據偏差的變化趨勢（變化速度） 進行控制。偏差變化得越快，微分控制器e的輸出越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調量，克服震，使系統(tǒng)趨