包裝行業(yè)高速套標機控制方案設計

摘 要：套標機是指用熱收縮或彈性收縮的方法將筒狀標簽緊套在包裝件或產(chǎn)品上的機器。收縮套箍標簽可緊貼于瓶子的口蓋、瓶子全身、瓶身中段等處。其作為后段包裝技術(shù)含量較高的設備之一，在食品行業(yè)有著廣泛的應用。當前，國內(nèi)分為高速套標機和低速套標機。文章設計開發(fā)的高速套標機可以達到600瓶/分的要求。

關鍵詞：收縮套標；自動送膜；定長裁斷；伺服控制；四軸驅(qū)動

概述

現(xiàn)在我們隨處可以看到瓶裝礦泉水，通過其外包裝我們可以看出，瓶裝礦泉水包括瓶體、外部標簽和瓶蓋三個部分。套標機是指用熱收縮或彈性收縮的方法將筒狀標簽緊套在包裝件或產(chǎn)品上的機器。收縮套箍標簽可緊貼于瓶子的口蓋、瓶子全身、瓶身中段等處。這種經(jīng)過精心印制的塑料薄膜標簽，其套封操作過程比起粘貼要簡單方便，目前許多玻璃瓶或塑料瓶采用熱收縮薄膜的收縮標簽已相當普遍。收縮標簽預制成管狀或筒狀，在貼標時繞容器一周套在容器上，但不與容器粘牢，收縮膜套標簽機近年來發(fā)展十分迅速。

收縮套標是一種印刷在塑料或軟管上，可以隨容器的輪廓經(jīng)加熱而收縮變形的標簽。它由羥苯基乙酰胺材料逐漸發(fā)展而來，起初是為了防止塑料藥瓶的造假，直到Dean公司的牛奶瓶也使用了這種標簽后，才使其正式推向大眾消費市場。隨后，收縮套標在奶制品產(chǎn)品的應用上日益盛行。

1 收縮膜套標簽機的主要組成與作用

一般的直線套標機主要由送瓶鏈道、標膜預牽引、送標、切膜、刷膜（套膜）、標紙整理、熱縮通道等組成。

送瓶鏈道：主要是將待套標的瓶子進行傳送，經(jīng)過螺旋棒將瓶均勻分布在傳送鏈上，通過套標、標紙整理后，傳送到熱收縮通道內(nèi)進行收縮固標。

標膜預牽引：主要是為了將標膜從膜卷上預牽引到送標機構(gòu)前端，供送標機構(gòu)送標。

送標機構(gòu)：由伺服電機驅(qū)動送標機構(gòu)，進行送標（取標），每次送一個標。

切膜機構(gòu)：由伺服電機驅(qū)動多頭刀片，旋轉(zhuǎn)切膜，使標紙脫開，由刷標機構(gòu)傳送到被套的瓶子中去。

刷膜（套標）：采用變頻器驅(qū)動刷下電機，將刷下兩組傳送輪調(diào)整至中心柱下方滾輪輕微接觸，待標簽通過時以較高轉(zhuǎn)速將標簽套入瓶子。

標紙整理機構(gòu)：其主要作用是將標定位，保證套好的標紙在所需的位置，確保產(chǎn)品合格。標紙整理機構(gòu)一般是由毛刷組組成，其主要作用機理是利用束帶或橡膠將套入瓶子的標簽刷打至定位（為瓶體指定套標部位）。

熱縮通道：將套標的產(chǎn)品進行加熱使其收縮，是標紙緊貼于瓶子（容器）表面，完成套標后的最后一個過程。

2 套標機的工藝流程

設備啟動后，切刀尋原點，刷標電機啟動，允許套標動作執(zhí)行。待套標瓶子在傳送帶上經(jīng)過分瓶裝置進行等距分瓶。瓶檢測傳感器檢測到瓶后，啟動旋切電機進行切標。切標完成后，啟動送標電機送下次標膜。送標方式分為兩種：（1）色標方式--由送標光纖檢測標簽的色標（即空白處），然后用中斷的方式停止送標伺服；（2）定長方式-由PLC控制脈沖個數(shù)。

3 套標機控制方案

3.1 控制需求分析

3.1.1 套標機輸入點：9點，輸出點：18點。其中四個IO點為脈沖輸出，用于控制送標伺服與切標伺服。因此，只能為晶體管輸出。考慮到預留備用點，故而選用一體機CP1L-M60DT-D。當然，也可以選擇CP1H+擴展模塊。

3.1.2 套標機所使用的變頻器要求（傳送帶除外）不高，簡易型變頻器即可滿足要求。故而，傳送帶上選用3G3MX2系列變頻器，其他位置選用3G3JZ系列變頻器.觸摸屏只需要帶有RS-232口即可。

3.1.3 通用低速套標機采用的伺服，切標伺服為0.4kw，送標伺服為0.75kw。由于高速套標機速度在原有的基礎上提高很大達到100%以上，故而高速套標機的切標伺服為0.75kw，送標伺服1kw。

3.1.4 瓶子有無檢測選用E3Z-D61系列光電開關即可，切刀原點檢測傳感器可選用槽型光電開關如：EE-SX672等等，通常色標為白色透明的膜，其余部分不透明，故而，可選用普通的光纖傳感器如：E32-TC200+E3X-HD11等等。

系統(tǒng)配置圖如規(guī)圖1。

4 控制系統(tǒng)完成的功能

作為自動套標機一定要能實現(xiàn)自動送膜、切送標動作銜接連貫、速度提升等等，下面將詳細介紹套標機實現(xiàn)的方法。

4.1 自動送膜

送膜由一臺變頻器控制料架盤轉(zhuǎn)動，送膜的速度一定（可以通過變頻器進行設定，最大50HZ），送膜電機的啟動停止由料架光電控制，當膜的預送量達到要求時，電機自動停止。

原理如圖2所示。

4.2 驅(qū)動系統(tǒng)改造

常用的驅(qū)動機構(gòu)采用雙軸驅(qū)動系統(tǒng)--低速套標機采用該結(jié)構(gòu)方式，該結(jié)構(gòu)在運行過程中，容易出現(xiàn)中心柱會偏向一邊。此時，穩(wěn)定性較差。容易出現(xiàn)標簽撕裂等問題。在開發(fā)高速套標機的過程中變雙軸驅(qū)動為4軸驅(qū)動，可以有效的夾緊套標筒，可以防止套標筒在高速運行時出現(xiàn)的傾斜、撕標、滑標等問題。

4.3 定長裁斷

定長裁斷要求根據(jù)用戶標簽長度的要求進行裁斷，誤差<1mm，而且要保證所有標簽的均勻度，不能有長短標出現(xiàn)。實現(xiàn)標長一致，通常采取以下兩種方法：

（1）采用中斷方式控制送標伺服的停止，消除掃描周期影響。

（2）伺服參數(shù)的調(diào)整，增益PN10、PN11（PN10-位置回路增益、PN11-速度回路增益）在機械不震動的情況下盡可能的調(diào)大，提高響應特性，這樣在使用INI停止伺服的情況下，不會產(chǎn)生過沖或者回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以保證定位準確。

4.4 切標動作

切標動作比較簡單，要求切刀伺服在收到瓶到位信號后，觸發(fā)外部中斷，使切刀運行一周即可，為了提高動作頻率縮短運行周期，在PLC100KHZ脈沖輸出的情況下，將伺服改為2500脈沖/轉(zhuǎn)，我們還是采用SPED的方式來進行切刀伺服的控制，這樣伺服可以做到25MS轉(zhuǎn)一周。

4.5 套標動作銜接

套標整個過程由切標伺服、送標伺服、刷標電機三部分動作組成，為了達到600瓶/分的速度，要求在100MS內(nèi)完成所有動作，要求在收到瓶到位信號后，觸發(fā)外部中斷0，使用獨立模式SPED指令驅(qū)動切刀伺服運行一周，在切刀碰到刀盤內(nèi)的切到原點信號時，觸發(fā)外部中斷1，使用連續(xù)模式（色標進給）或者獨立模式（定長進給）SPED指令驅(qū)動送標伺服運行，如果采用色標模式那么就利用標長到位的光纖傳感器信號觸發(fā)外部中斷2，來執(zhí)行INI指令停止送標伺服運動。刷標電機為恒速電機即將標切下后，由刷標電機到實際套上瓶子的時間為固定的。這樣可以方便用戶根據(jù)實際套標要求調(diào)整瓶到位傳感器位置。

4.6 堵標問題

套標機切刀位置是唯一的-在刀盤電眼附近，當套標速度在250瓶/分時，套標動作正常。套標速度在250瓶/分以上時，就會發(fā)生堵標現(xiàn)象。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：切刀停止的位置在刀口向內(nèi)時，就會避免堵標現(xiàn)象的發(fā)生。

為此，增加了回原點功能，切刀的位置由中斷進給的方式給定。通過ACC+PLS2指令確定切刀停止時的位置，這樣切刀的位置就可以通過觸摸屏設定，切刀停止的位置可以在調(diào)整時進行設定。以達到切刀停止時刀口向內(nèi)，這樣就解決了堵標問題。

4.7 套標過程周期計算

根據(jù)要求要達到600瓶/分的速度，需要在100MS內(nèi)完成切標、送標兩個動作。

首先看伺服參數(shù)：（1）切刀伺服為定長運行，每次運行一周，那么他的運行時間是固定的，如果10000脈沖/轉(zhuǎn)，CP1L脈沖輸出為100KHZ，那么在不計算伺服的響應時間的前提下，切刀伺服旋轉(zhuǎn)一周需要100MS，這是不符合要求的，我們將伺服電子齒輪比調(diào)整到2500脈沖/轉(zhuǎn)，這樣切刀伺服旋轉(zhuǎn)一周需要25MS。（2）送標伺服經(jīng)過減速比計算，如果為2000脈沖/轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)對應送標長度為125mm，而實際標長為250mm，經(jīng)計算需要40MS，所以送標伺服電子齒輪比改為2000脈沖/轉(zhuǎn)，此時，0.0625mm/脈沖。能夠滿足精度（誤差<1mm）要求。

4.8 變頻器控制

變頻器的作用就是對各電機的速度進行調(diào)整，其控制方式有兩種方式：

4.8.1 外部端子：該種控制方式，通過外部旋鈕或者模擬量對頻率進行控制。

4.8.2 現(xiàn)在很多變頻器都支持通訊功能，故而，也可以采用MODBUS-RTU或者其它通訊方法來實現(xiàn)對變頻器的控制。

5 程序流程圖

5.1 套標機設備構(gòu)成圖

5.2 套標機時序圖

套標整個過程由切標伺服、送標伺服、刷標電機三部分動作組成，在收到瓶到位信號后，觸發(fā)外部中斷0，使用獨立模式SPED指令驅(qū)動切刀伺服運行一周，在切刀碰到刀盤內(nèi)的切到原點信號時，觸發(fā)外部中斷1，使用連續(xù)模式（色標進給）或者獨立模式（定長進給）SPED指令驅(qū)動送標伺服運行，如果采用色標模式那么就利用標長到位的光纖傳感器信號觸發(fā)外部中斷2，來執(zhí)行INI指令停止送標伺服運動。刷標電機為恒速電機即將標切下后，由刷標電機套到瓶子。時序圖如4：

6 結(jié)束語

本方案可以實現(xiàn)最高達到600瓶/分的套標速度，在速度上比常規(guī)控制系統(tǒng)提高30%-50%，現(xiàn)在使用外部端子對變頻器進行控制，如果使用通訊方法進行變頻器的控制可以方便的進行速度控制及相應電流、電壓、故障等參數(shù)的讀取。

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