往復式高速枕式包裝機多軸控制模式研究

林潘忠 - 孫蓓蓓 - 郎文昌 -

(1. 溫州職業技術學院機械工程系，浙江 溫州 325035；2. 東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189)

枕式包裝機生產對象量大面廣，廣泛應用于食品、醫藥、農業、電子等領域，可完成物料自動填充、封口、切斷等一系列動作。隨著包裝機械技術的不斷發展，枕包機的生產效率、穩定性以及可靠性需滿足更高的要求，如何提高枕式包裝機的包裝速度和精度成為了國內外研究的重點[1]。在運動控制系統方面，絕大部分自動包裝機都采用三伺服控制系統，主要研究包裝機械智能化控制[2-3]和伺服系統控制[4-6]。基于智能控制器和伺服系統可以在一定程度上提升枕包機的智能化水平和效率，隨著精度和穩定性要求的提升，單純依靠PLC控制已很難滿足多軸控制的要求。

在鋁塑版板式藥品枕式包裝機械研究方面，90%的中國外包聯動線整體速度<240包/min，其主要原因是枕包環節制約了整線速度。就復合膜而言，在一定熱封溫度下，薄膜從常溫開始升溫再到完全熱封，用時是固定的。單封切往復式枕包機其熱封與切斷處于同一時間，熱封時間有限，為保證熱封效果，只能控制設備運行速度，導致設備速度無法進一步提升，生產效率較低。

針對上述問題，試驗擬以往復式枕式包裝機為研究對象，對其機械結構和控制系統進行優化改進，采用運動控制器結合PLC控制的方式，實現運動軸的同步控制和封切溫度的控制，減輕控制系統編程難度，提升機器運行精度和穩定性，旨在降低枕式包裝機控制系統故障率。

1 枕式包裝機機械結構與工作流程

枕式包裝機是一種以復合膜為主要包裝材料，對食品、藥品及其他日化材料進行快速包裝的智能設備[7]，包裝速度>200包/min。雙端封往復式高速枕式包裝機機械結構如圖1所示，主要由送料裝置、送膜裝置、放膜裝置、雙膜對接裝置、預熱封裝置、熱封切裝置等組成。送料裝置由一道加料組件與二道加料組件構成，中間裝有補料檢測組件，保證物料準確傳送。放膜裝置為雙膜對接放膜方式，在物料包裝輸送裝置的上方處裝有一道下壓排氣裝置，對物料包裝袋內的空氣進行排空處理。

雙端封往復式枕式包裝機包裝工藝流程如圖2所示。雙端封同步封切機構由預熱封裝置和正常封切裝置組成雙端封結構，熱封時，裝有物料的包裝膜首先經過第一道無紋路、無切斷功能的預熱封裝置進行預先熱封處理，然后進入封切裝置進行第二道熱封并同時由切刀進行切斷處理。兩道端封均采用伺服電機單獨驅動，封合時間點任意可調，從而保證兩次封合的位置完全吻合。

1. 伺服加料器 2. 制袋器 3. 放膜部 4. 承膜輥 5. 雙膜對接裝置 6. 上壓刷 7. 操作面板 8. 出料輸送 9. 牽引輪部 10. 中封加熱 11. 中封輪 12. 送料輸送 13. 預熱封裝置 14. 過渡輸送 15. 封切裝置

圖1 枕式包裝機機械結構

Figure 1 Mechanical structure of pillow packaging machine

1. 加料 2. 補料 3. 膜A 4. 雙膜對接 5. 膜B 6. 物料入袋 7. 一次排氣 8. 二次排氣 9. 異常品剔除 10. 送料 11. 物料異常檢測 12. 膜成型制袋 13. 中封 14. 端封預熱封 15. 端封熱封切 16. 成品輸出

圖2 枕式包裝機工藝流程圖

Figure 2 Process flow chart of pillow packing machine

包裝袋經過二次熱封而封合，提高了熱封時間，包裝更加牢固可靠。

2 多軸控制模式研究

2.1 現有控制系統分析

枕式包裝機的控制系統由單變頻發展到目前的三伺服系統[8-9]，控制精度不斷提高。要實現高速、高精度的包裝過程，其控制重點在于送料、送膜以及橫封橫切軸三軸的配合[10]。單封切往復式枕式包裝機主要部件包含加料、送料、承膜、放膜、雙膜對接、成型制袋、中封、上排氣、端封前輸送、端封熱封切、成品輸出部件，其中承膜、送料和端封熱封切部件均已采用獨立伺服驅動，而放膜、中封、上排氣、端封前輸送和成品輸出部件則通過機械傳動相連接，再由一個電機驅動，整機伺服布局較為復雜，其布局圖如圖3所示。

由于復合膜存在拉伸率因素，設備運行時需要送膜線速度和中封牽引線速度存在一個微小的差值，這樣才能保證復合膜在牽引時始終處于張緊的狀態，從而保證設備正常運行，而不同成分的復合膜拉伸率不同，上述速度差也應隨著復合膜拉伸率的不同進行相應的改變。單封切往復式枕式包裝機送膜和中封等部件為機械聯動關系，在線運行速度差難以調節，因此在高速運行模式下會影響產品的外觀和包裝質量，次品率高。此外，單封切往復式枕式包裝機存在多個部件的聯動關系，容易出現振蕩現象，各機組互相干擾，在設備裝配、調試和后期保養維護上較為麻煩，且高速運行時噪音較大。

圖3 現有整機伺服布局圖

2.2 多軸系統非線性同步控制理論

在實際應用中，根據拉格朗日方程，忽略非線性摩擦和外部擾動的影響，多個運動軸的機械系統的動力學方程可以表示為：

(1)

式中：

Mx(q)——對稱正定慣性矩陣；

Gx(q)——重力矢量，N；

x——末端位姿向量。

對于多軸系統的位置誤差控制問題[11-12]，當給定期望位置qd，通過設計控制力矩F使位置誤差和同步誤差漸近趨向于零，定義位置誤差矢量為：

e=qd-q，

(2)

式中：

e——位置誤差矢量；

q——實際位置。

同步誤差矢量定義為該軸的位置誤差與其相鄰兩軸的位置誤差，各軸的位置關系如下：

(3)

式中：

ei——第i個軸的位置誤差；

Ei——第i個軸的位置同步誤差。

在式(3)中，如果位置同步誤差Ei均為零，則同步的位置誤差e1=e2=···=en即可自動實現，將式(3)整理成矩陣形式可表示為：

(4)

即

E=T·e，

(5)

式中：

定義耦合的位置誤差變量如下：

ε=e+φE。

(6)

將式(5)代入式(6)可得：

ε=Ie+φTe，

(7)

式中：

I——單位對角矩陣；

φ——同步控制相關的正數。

其中，φ越大，同步控制作用也越強，由式(7)可知，當e=0，E=0時，耦合的位置誤差ε=0。

2.3 枕式包裝機控制系統設計

基于目前單封切往復式枕式包裝機傳動復雜、送膜線速度和中封牽引線速度差無法調節等問題，在三伺服控制基礎上對枕式包裝機的控制系統進行優化，通過運動控制器驅動獨立的伺服電機來控制各運動部件，各部件主軸間均存在相應的聯動關系。采用該種控制模式后，送膜線速度和中封牽引線速度均可獨立調節，極簡的傳動模式為設備裝配和后期維護帶來了極大的便利。而溫度控制和色標跟蹤等其他部件則采用PLC控制方式，根據包裝工藝流程，控制系統整體框圖如圖4所示。

2.3.1 運動軸控制及同步控制原理 PLC系統作為控制

圖4 控制系統整體框圖

裝置時，其控制方便、通用性強，但對于精度要求高，如同步控制或反應靈敏性要求高時難以做到或編程非常困難，而且成本較高。采用運動控制器代替PLC控制各軸轉動，運動控制器為TRIO MC4N P908型，配備專用的TRIO擴展I/O模塊，具有控制精度高、反應靈敏等優點。設備共有12根可控軸，在運行過程中，加料、補料、送料、放卷、送膜、中封、端封預熱封、中輸和端封熱封切9大部件主軸可以同時進行差速運動控制，均由獨立的伺服驅動控制，從而實現包裝機的速度、位置同步，以保證包裝質量和效率。各軸的獨立伺服布局如圖5所示。

1. 中封伺服 2. 放膜伺服 3. 放卷伺服 4. 封切伺服 5. 中輸伺服 6. 端封預熱伺服 7. 送料伺服 8. 補料伺服 9. 給料伺服

圖5 各軸獨立伺服布局

Figure 5 Independent servo layout of axis

在實際控制中，根據主從同步控制原理[13-14]，定義放膜軸為主動軸，其余8軸均為從動軸。放膜軸位置誤差可表示為e1、其余各軸的位置誤差可分別表示為ei(i=2，3，…，9)，主動軸的同步誤差可表示為ε1=0，各軸同步誤差可表示為εi=ei-e1，若能使εi=0，即可實現放膜軸和其余各軸的速度或位置匹配，實現同步控制。伺服電機的運動均由TRIO運動控制器控制，驅動系統采用伺服電機及相應伺服驅動器，各軸的運轉速度根據編程事先輸入的邏輯關系實現關聯，當其中一軸速度出現變化時，其余各軸均會做出相應變化。

2.3.2 封切溫度控制模塊和其他硬件設計 除運動軸外，系統中其他控制采用PLC控制，設計成本低、效率高。

圖6 同步控制原理

針對枕式包裝機功能實現目標，選擇松下FP0R-C16T PLC主機，主要組成單元包括CPU、電源、溫度控制以及基本I/O模塊等。溫度控制模塊采用松下FP0-TC8熱電偶和松下FP0R-DA4模擬量模塊完成溫度模擬量的采樣，并將溫度信號傳送至PLC進行處理，實現包裝機封裝溫度的精確控制。在物料傳輸方面，通過色標傳感器、物料檢測傳感器反饋給PLC，實現閉環控制。當物料供應出現無料情況時，機器不停止運行，但送膜和刀封電機相對無料位置會停止運行，待無料工位運行完后重新啟動運行。

由于枕式包裝機包裝對象多樣，采用PROFACE觸摸屏作為枕式包裝機的控制媒介，通過該觸摸屏可實現包裝參數的輸入、包裝速度設定和各軸點動控制等功能，觸摸屏主控界面如圖7所示。

3 實例論證

為驗證所述控制系統和雙端封熱封結構的有效性，在實驗室階段研制適合鋁塑版包裝的食品、藥品雙端封枕式包裝機樣機如圖8所示。該枕式包裝機采用上述控制系統，摒棄了現有產品復雜的運動軸機械連接方式，中封、放膜、放卷、封切、中輸、端封預熱、送料、補料和給料機構等主軸均采用運動控制器控制的伺服電機直接驅動。

圖7 觸摸屏主控界面

圖8 枕式包裝機樣機

以包裝尺寸60 mm×100 mm的鋁塑藥板為例，目前通用的單封切枕式包裝機的包裝速度為220包/min左右，最高速度為240包/min，但隨著包裝速度的增加，封切時間縮短，包裝氣密性合格率減低，次品率也隨之增加，在240包/min的包裝速度下，通過色標跟蹤誤差測試，測得偏差數值為2 mm。

對上述樣機進行試驗，測得最高穩定包裝速度可達321包/min，較現有產品提高了33%；色標跟蹤誤差測試測得偏差數值為1.5 mm，與現有產品相比，其包裝精度提高了25%以上；通過真空檢測測試包裝氣密性(以1萬包為例)，將鋁塑復合袋放置在色水中真空(80±13) kPa，保壓30 s檢漏，以封口無漏氣和氣泡為標準，合格率達99.96%以上，鋁塑板密封性好，具體參數對比如表1所示。

表1 現有枕式包裝機與樣機包裝參數對比

由表1可知，基于運動控制器控制的多軸同步控制技術可將包裝誤差控制在±1.5 mm以內，與傳統枕式包裝機械相比，其機械速度和包裝速度都有大幅提高，包裝精度大大提高；包裝對象的參數設置十分便捷，只需通過觸摸屏修改設定即可。

4 結論

以雙端封往復式枕式包裝機為例，介紹了其結構、功能和特點。雙端封預熱封系統使每個產品的相同位置可以受到兩次熱封，提升了單位時間內的有效熱封時間，提高了包裝質量。在系統控制方面，研究了多軸非線性同步控制在枕式包裝機中的應用，采用TRIO運動控制器+PLC的控制，驅動各軸的伺服電機均由運動控制器控制，送膜線速度和中封牽引線速度均可獨立調節，解決了由于復合膜拉伸率因素導致的各項問題，提高了枕式包裝機的包裝精度和效率。該控制算法有待優化，通過對多軸系統相關控制算法的研究和學習，如迭代學習控制、容錯控制等方法應用于枕式包裝機控制系統，以期找到更佳控制效果的控制算法。此外，裝備制造業引入大數據控制，實時對用戶參數進行分析，實現遠程運維，也是枕式包裝機的發展方向。