基于plc和伺服電機(jī)的色標(biāo)定位方案設(shè)計(jì)

基于plc和伺服電機(jī)的色標(biāo)定位方案設(shè)計(jì)

枕式收割機(jī)集裝載量、包裝、密封和包裝于一體。是一種最廣泛、自動(dòng)化的連續(xù)機(jī)械。它是系列品種中最完整的連續(xù)式收割機(jī)。而連續(xù)式包裝機(jī)通常采用卷筒包裝材料,由于種種原因,送膜速度會(huì)經(jīng)常變化,從而引起封切位置的誤差。為了消除封切時(shí)產(chǎn)生的誤差以保證包裝圖案的完整性,枕形包裝機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用都需具有光電跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng),以期達(dá)到如下目的:即時(shí)消除機(jī)械傳動(dòng)誤差,確保每一包裝成品印刷圖案的完整性等。這里主要分析雙傳動(dòng)同步式色標(biāo)定位方案的設(shè)計(jì)。1橫封的控制和控制包裝機(jī)工作過(guò)程如下:包裝薄膜由卷筒引出,通過(guò)光電檢測(cè)器檢測(cè)色標(biāo),再經(jīng)成型、輸送輥和縱封制成套筒,同時(shí)包裝物由勾爪輸送鏈輸送到套筒中,經(jīng)回轉(zhuǎn)裝置橫封并切斷排出成品。主電機(jī)為三相電機(jī),經(jīng)中間機(jī)構(gòu)傳入橫封裝置后并輸出產(chǎn)品。在枕形包裝機(jī)中,橫封是決定包裝物品質(zhì)好壞的最關(guān)鍵部件,要同時(shí)滿足袋長(zhǎng)和包裝工藝的要求,其運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜,空轉(zhuǎn)時(shí)速度要快,而在封口所對(duì)應(yīng)的一小段區(qū)間內(nèi)速度要慢,以確保與包裝薄膜的傳遞速度相匹配,保證包膜被可靠封住。一般采用交流伺服電機(jī)來(lái)帶動(dòng)縱封執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)包裝機(jī)生產(chǎn)率確定以后,以橫封速度為基準(zhǔn),根據(jù)色標(biāo)間距(即包裝袋長(zhǎng)),由可編程控制器(PLC)發(fā)出脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對(duì)縱封速度的控制。調(diào)節(jié)包裝薄膜的速度,可以獲得所需的袋長(zhǎng)。包裝工藝過(guò)程示意圖如圖1。2卷筒薄膜的色標(biāo)滯后和超前發(fā)展圖2所示為包裝薄膜輸送原理圖,在成型器前端安裝一色標(biāo)傳感器,檢測(cè)包裝薄膜上的定位色標(biāo)。安裝時(shí)要求當(dāng)橫封切斷位置與包裝袋色標(biāo)切斷位置對(duì)齊時(shí),色標(biāo)傳感器必須對(duì)齊包裝材料上某個(gè)特定的色標(biāo)圖案中心位置。色標(biāo)圖案的標(biāo)記必須滿足如下條件:與包裝袋底色差明顯,以便準(zhǔn)確捕捉到色標(biāo),這里選用漫反射式光電傳感器來(lái)檢測(cè)色標(biāo),其具體型號(hào)可以根據(jù)包裝袋的具體顏色來(lái)選擇。一個(gè)包裝袋長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)目n2為:通過(guò)袋長(zhǎng)儀操作面板設(shè)定包裝袋長(zhǎng)值為l,再由PLC通過(guò)上式,求出相應(yīng)的運(yùn)行頻率f和脈沖數(shù)目n2,同時(shí)把這兩個(gè)參數(shù)傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器,進(jìn)而使伺服電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。雖然PLC已將相應(yīng)的參數(shù)傳入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中,但由于在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中,卷筒薄膜所受到的張緊力并不是絕對(duì)的均衡,再加上機(jī)器震動(dòng)等其他外在因素的影響,總會(huì)出現(xiàn)色標(biāo)滯后或超前的情況,下面具體說(shuō)明一下如何解決色標(biāo)滯后和超前的問(wèn)題。開(kāi)機(jī)運(yùn)行后,如圖3所示,包裝薄膜以某個(gè)給定的速度向成型器方向前進(jìn),薄膜上的色標(biāo)每經(jīng)過(guò)色標(biāo)傳感器,色標(biāo)傳感器都會(huì)發(fā)出一個(gè)檢測(cè)電信號(hào)M,橫封刀切斷卷筒包裝袋時(shí)凸輪開(kāi)關(guān)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)切斷電信號(hào)N。假設(shè)M、N兩電信號(hào)的周期分別為T1、T2,一般只有在理想的工作情況下,T1=T2,為了研究分析方便,在信號(hào)時(shí)序分析圖中近似認(rèn)為兩周期相等,均為T。在包裝生產(chǎn)過(guò)程中,卷筒包裝薄膜被切斷的情況下只有以下三種時(shí)序圖,如圖4所示,圖中均以橫封切斷信號(hào)N為基準(zhǔn)。由圖4可知,圖4(A)中M、N信號(hào)同時(shí)到達(dá),這是最優(yōu)的情況,其實(shí)在運(yùn)行周期內(nèi),時(shí)序圖中M、N信號(hào)只要部分重疊就屬于正常情況,無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償。圖4(B)表示在一個(gè)周期內(nèi),M信號(hào)滯后N信號(hào)的情況,即縱向封合速度滯后封切速度,切口位置出現(xiàn)偏差,需要伺服電機(jī)加速運(yùn)行。圖4(C)表示在一個(gè)周期內(nèi),M信號(hào)超前N信號(hào)的情況,即縱向封合速度超前封切速度,切口位置出現(xiàn)偏差,需要伺服電機(jī)減速進(jìn)行補(bǔ)償。假設(shè)包裝機(jī)工作過(guò)程中,色標(biāo)檢測(cè)電信號(hào)M到的時(shí)刻記為t1,橫封切斷信號(hào)N到的時(shí)刻記為t2。印刷色標(biāo)的寬度一般為5mm,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)可知,通常要求封切點(diǎn)距離邊緣不能超過(guò)2.5mm,即卷筒包裝薄膜尺寸誤差極限為±5mm,超出這一規(guī)定區(qū)域,可視為封切位置不當(dāng),需要補(bǔ)償,直到滿足要求為止。當(dāng)t1-t2>0,表示縱封速度滯后于橫封速度;當(dāng)t1-t2<0,表示縱封速度超前于橫封速度;當(dāng)-t<t1-t2<t,表示卷筒包裝袋切口位置在允許誤差區(qū)域內(nèi)。當(dāng)t1-t2<-t或t1-t2>t時(shí),表示切口位置不在允許誤差區(qū)域內(nèi),需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償,也就是更正伺服電機(jī)的相關(guān)控制參數(shù)。直到-t<t1-t2<t,伺服系統(tǒng)就停止補(bǔ)償,把伺服電機(jī)控制參數(shù)又改為正常時(shí)的參數(shù),避免出現(xiàn)一直追蹤的情況。3系統(tǒng)硬件配置3.1速度與封切速度同步控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示?？刂破鞑捎萌釬X1S-30MT,它是30路I/O板式小型可編程控制器,輸入16路,輸出14路(晶體管型),工作電源220V,是一種數(shù)字量輸入輸出接口性能比較高的PLC。為了與其他設(shè)備串行通訊,增加通訊模塊FX1N-485-BD。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),由電磁感應(yīng)式傳感器CPS來(lái)檢測(cè)封切刀的同步位置信號(hào),而色標(biāo)定位信號(hào)的捕捉由光電傳感器GD來(lái)完成,2種傳感器信號(hào)通過(guò)光電隔離后,與PLC上的相應(yīng)端子相連。選用三菱MR-J2S-70A作為伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊,要求能快速、準(zhǔn)確地將速度與位置控制指令傳送給伺服電機(jī),其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng),通過(guò)內(nèi)置編碼器,實(shí)時(shí)反饋位置信號(hào),控制精度高。通常用速度-轉(zhuǎn)矩模式來(lái)描述電機(jī)的特性。控制器從SP1端輸入脈沖信號(hào),由ST1端改變電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)方向。包裝機(jī)工作時(shí),控制器檢測(cè)并比較2路電信號(hào),判別送紙速度是正常、超前還是滯后,經(jīng)PLC的輸出點(diǎn)Y0發(fā)出控制信號(hào),通過(guò)補(bǔ)償控制器SP1端來(lái)改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)送膜速度與封切速度同步。在滿足系統(tǒng)控制要求的情況下,變頻器選用三菱的FR-S540-1.5K,其RS-485接口連接通訊模塊FX1N-485-BD,控制器采集變頻器的命令頻率和輸出頻率,用串行數(shù)據(jù)傳送命令,經(jīng)RS-485口發(fā)出指令,以改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.2信號(hào)轉(zhuǎn)換的信號(hào)枕形包裝機(jī)色標(biāo)定位系統(tǒng)中,輸入信號(hào)包括色標(biāo)傳感器信號(hào)、橫封切斷信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)與急停信號(hào)。輸出信號(hào)有伺服電機(jī)速度信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)等。4控制污染控制流程系統(tǒng)軟件主要是PLC控制程序的設(shè)計(jì),而PLC控制程序主要包括伺服系統(tǒng)和串行通訊等程序。三菱FX1S-30MT系列的PLC具備豐富的指令系統(tǒng),強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制指令,便捷的通訊功能,靈活的擴(kuò)展模塊。擴(kuò)展后具有多路A/D和D/A通道,可進(jìn)行多點(diǎn)速度檢測(cè)與控制?；締卧渲孟鄳?yīng)的擴(kuò)展單元后,能滿足包裝機(jī)色標(biāo)準(zhǔn)確定位的控制要求?？刂破髦饕脕?lái)轉(zhuǎn)化各工作信號(hào)并控制伺服驅(qū)動(dòng)器,協(xié)調(diào)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。伺服系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制,檢測(cè)位置和速度等相關(guān)信息,將數(shù)據(jù)反饋到PLC中。伺服系統(tǒng)接受控制器發(fā)出的脈沖信號(hào),根據(jù)接收到的脈沖數(shù)目控制電子凸輪的旋轉(zhuǎn)角度,而脈沖頻率對(duì)應(yīng)電機(jī)的速度。同時(shí)控制器還要判別色標(biāo)與封切位置的相關(guān)信息,確定封切位置是否在允許的范圍內(nèi),調(diào)整脈沖頻率以修正伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,使封切點(diǎn)能準(zhǔn)確對(duì)齊色標(biāo)位置。枕形包裝機(jī)色標(biāo)定位控制流程圖如圖6所示,系統(tǒng)運(yùn)行前先判斷系統(tǒng)是否有故障,如無(wú)故障則按下啟動(dòng)按鈕,變頻器有輸出,主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)行過(guò)程中,控制器判斷橫封與縱封信號(hào)是同步,滯后還是超前,驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的補(bǔ)償。按下停止按鈕,系統(tǒng)停止運(yùn)行。5高速運(yùn)動(dòng)時(shí)方程研究結(jié)果表明,在枕形包裝機(jī)上采用以PLC、變頻器、伺服系統(tǒng)與編碼器構(gòu)建的這種色標(biāo)定位方式,解決