CAM技術(shù)在柔性熱收縮薄膜包裝機上的應用

來源： 2007年02月06日 09:14

摘要：本文介紹了貝加萊伺服控制系統(tǒng)電子凸輪原理，并結(jié)合實際熱收縮薄膜包裝機的工作原理，描述了系統(tǒng)軟件設計方案，分析了柔性加工的特點。

1．前言
　　隨著國家對安全環(huán)保的要求提高，禁止對啤酒瓶等玻璃制品采用編織帶捆扎包裝運輸，以降低對接觸人員的傷害，同時以往飲料行業(yè)的包裝采用紙箱或周轉(zhuǎn)箱的方式，成本較高，回收困難，于是新型的熱收縮薄膜包裝機成為理想的選擇。
　　目前，市場上的熱收縮薄膜包裝機主要有進口和國產(chǎn)兩大類型，從控制電機上可分為七軸，五軸，四軸（伺服電機）方式。由于多數(shù)飲料啤酒廠家要求生產(chǎn)多種規(guī)格產(chǎn)品，瓶子的圓徑有64，66，68，75mm之多，高度從168，210，240，290mm不等，包裝數(shù)目有3X3，3X4，6X3，6X4…等各種排列方式。如何使用一臺設備滿足多個品種不同批量柔性化包裝的需求，成為生產(chǎn)廠商zui關(guān)心的問題。針對以上實際要求，控制技術(shù)上現(xiàn)多采用CAM（電子凸輪）來實現(xiàn)。本文就以寶雞新科機械制造有限公司XKBS-70C機器為例介紹貝加萊伺服產(chǎn)品CAM技術(shù)的應用特點。

2.控制原理
　　包裝機器的電氣控制全套采用了貝加萊控制器PP41，伺服驅(qū)動電機ACOPOS，結(jié)合編程軟件Automaton Studio，設計上以推瓶電機作為傳動主驅(qū)動電機，分瓶電機和送切膜電機作為跟隨從電機。在每個包裝過程中，推瓶桿推出一組瓶子完成一次包裝，推瓶電機的位置反映出包裝周期的位置數(shù)據(jù)。在每個包裝周期內(nèi)，送切膜電機，分瓶電機1，2同推瓶電機的位置有一一對應的數(shù)據(jù)關(guān)系，根據(jù)對應的數(shù)據(jù)對機器的動作進行控制。應用CAM電子凸輪技術(shù)實現(xiàn)多軸同步運行，從軸耦合主軸位置運動，從而達到包裝的目的。

2.1 分瓶電機設計要求
　　在熱縮膜包裝機中，包裝段的瓶傳送通過主驅(qū)動電機傳送，兩個分瓶電機的傳送鏈上，分別裝有等距離的兩組擋瓶爪，兩個電機快慢交替運行，將排列整齊的瓶子分成預定的瓶組，通過主驅(qū)動電機傳送到下一個工位。根據(jù)主驅(qū)動電機（推瓶電機）的運動位置，分瓶電機按照運動曲線與推瓶電機同步運行，作為推瓶電機的從機，有規(guī)律交替快慢運行，進行主從同步運行，在一個推瓶周期內(nèi)，實現(xiàn)一次分瓶過程。

2.2 送切膜電機設計要求
　　根據(jù)推瓶電機每推出的一組瓶子，送切膜電機實現(xiàn)對該瓶組的裹膜包裝，通常情況下，可以用曲線的三段變化實現(xiàn)，A段為瓶底下后半部壓膜的長度，B段為裹膜和瓶底下前半部壓膜的長度，C段為將膜切斷后，將膜送到膜出口的長度，保證下次膜順利導出。A段運行的位置要求為送切膜電機運動位置和推瓶電機運動位置相等，即主電機與送切膜電機的運動距離一致，保證送出的膜與瓶組移動位置的1：1關(guān)系。B段中送膜速度比較快，保證導膜桿順利地把膜裹在包裝產(chǎn)品上。C段為低速出膜結(jié)束過程。

　　CAM同步控制是熱縮膜包裝機的控制系統(tǒng)特點，伺服電機之間的主從同步數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳輸，多個從軸耦合一個主軸的位置實現(xiàn)相互聯(lián)動，提高了控制速度和控制精度。同步運動控制不需要PP41實時控制。
操作員在PP41上可以方便地編制凸輪曲線，通過現(xiàn)場總線下載到伺服驅(qū)動器中，同時修改系統(tǒng)參數(shù)，傳送伺服電機的開關(guān)命令，顯示主從軸位置速度，對驅(qū)動器內(nèi)部的扭矩電流溫度等狀態(tài)進行監(jiān)測。

3.貝加萊CAM電子凸輪原理

　　通常情況下，多軸運動的位置關(guān)系選定其中的某個軸作為主軸，其他的軸作為從軸，在一定的周期內(nèi)，根據(jù)主軸運動的位置，從軸的位置實現(xiàn)相應的變化，可以是直線關(guān)系，也可以是曲線關(guān)系。
　　圖示中，主軸因子為主軸在一個周期內(nèi)運動的位置，從軸因子為從軸在相應的周期內(nèi)耦合主軸位置相應運動的曲線位置?？梢允侵本€y=k*x，也可以是各種曲線關(guān)系。復雜關(guān)系曲線根據(jù)實際需要可以做到zui多6次方變化的關(guān)系
y = a + b x + c x2 + d x3 + e x4 + f x5 + g x6。

3.1 電子凸輪的控制流程
電子凸輪的控制流程由狀態(tài)和事件兩部分組成。
（1）狀態(tài)
狀態(tài)0 （基本）
　　在開始CAM曲線流程后，通常進入狀態(tài)0，該狀態(tài)僅執(zhí)行一些曲線過渡的位置處理，可以進行各種轉(zhuǎn)化到其他狀態(tài)中。
一般情況下，可以在主軸運動到某個特定的位置后啟動CAM曲線進行多軸同步運行。
狀態(tài) 1...11（耦合）

　　在一個CAM流程里，zui多可以有11個狀態(tài)，每個狀態(tài)都可以設定一個特殊凸輪曲線。使用狀態(tài)索引號1…11選擇進入相應的狀態(tài)中去，如果使用一個1:1的CAM直線，輸入0XFFFF狀態(tài)索引號即可。
　　從一個狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到別的狀態(tài)中時，可根據(jù)需要對過渡的拐點進行補償曲線設定，實現(xiàn)軟轉(zhuǎn)化，避免剛性沖擊。補償曲線的計算在不同的狀態(tài)中是可以不一樣的。
　　要從CAM流程的一個狀態(tài)中跳轉(zhuǎn)到別的狀態(tài)中，需要一個特殊事件的觸發(fā)來激活，如果主軸達到設定的CAM曲線相應的主周期終點位置后，仍然沒有任何事件來進行觸發(fā)，CAM曲線將自動在本狀態(tài)內(nèi)重復運行。
（2）事件
　　每個狀態(tài)zui多支持四個不同的事件，如果在同一時刻，有多個事件進行觸發(fā)，事件的索引號決定相應的優(yōu)先級別。（事件0級別高于事件1,依次類推E0>E1>E2>E3）
對于每個事件，在不同的狀態(tài)中可以定義為不同情況。
事件類型
類型說明
NcOFF 無事件
ncS_START 在主軸運動到位置后執(zhí)行
ncST_END 在設定的主軸達到正向終點位置后執(zhí)行
ncST_END + ncNEGATIVE 在設定的主軸達到負向終點位置后執(zhí)行
NcCOUNT 達到狀態(tài)循環(huán)的次數(shù)后執(zhí)行.
NcSIGNAL1,2,3,4 軟件信號1，2，3，4來觸發(fā)
NcTRIGGER1,2 + ncP_EDGE or ncN_EDGE 硬件信號1，2加上升下降沿電平來觸發(fā)
事件屬性
需要每個事件的屬性，具體說明每個事件觸發(fā)后執(zhí)行的時間。

屬性說明
ncAT_ONCE 轉(zhuǎn)換立即執(zhí)行
ncST_END 轉(zhuǎn)換在狀態(tài)結(jié)束后執(zhí)行

3．2系統(tǒng)控制方案
（1）熱收縮薄膜包裝機分瓶電機的運動，可以用以下三個狀態(tài)來實現(xiàn)其控制。

　　在更換包裝產(chǎn)品的種類時，僅需要改變狀態(tài)1和狀態(tài)2之間的位置差，即分瓶位置發(fā)生變化，主軸無須任何變動，實際上改變從軸因子，即可方便地實現(xiàn)。兩段直線之間的拐點過渡可以設置補償區(qū)間來緩和.
（2）熱收縮薄膜包裝機送切膜電機的運動，可以用以下兩個狀態(tài)來實現(xiàn)其控制。
曲線的生成可以使用貝加萊Automation Studio軟件實現(xiàn)，可以輸入坐標值自動生成，也可人為手動修改曲線。

　　在更換包裝產(chǎn)品的種類時，僅需要改變包裝膜的長度，即送切膜的運動距離發(fā)生變化，實際上改變從軸因子，即可方便地實現(xiàn)。包裝的快慢通過改動主軸因子實現(xiàn).

3．3系統(tǒng)優(yōu)點
（1）CAM凸輪設計容易應用，直線曲線實現(xiàn)簡單靈活；
（2）生成CAM曲線保存在PP41控制器上，更換伺服驅(qū)動器不受影響；
（3）生產(chǎn)中在線更換包裝曲線迅速方便；
（4）用戶擁有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)；
（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性；
（6）設計簡單，易于擴展升級。

4．結(jié)束語
　　以貝加萊CAM電子凸輪技術(shù)為基礎的熱收縮薄膜包裝機已在國內(nèi)多個廠家得到廣泛應用，包裝速度實現(xiàn)了無級調(diào)整，包裝規(guī)格可以實時在線修改。實際生產(chǎn)中取得了良好的經(jīng)濟效果，得到了用戶的廣泛好評。

參考文獻：
[1]張有良熱收縮膜包裝機的電氣控制 <包裝和食品機械> 2003.2
[2]張奔 ACOPOS在熱收鎖薄膜包裝機的應用 <制造業(yè)自動化> 2003.8

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