包裝搬運自動生產線控制系統設計

蔣金偉，蔣正炎

（常州工業職業技術學院，常州 213164）

0 引言

包裝生產線是對半成品或完成加工的產品進行包裝處理的生產線，主要由多種不同的機械設備組成，其在提高產品美觀性的同時，也方便產品的統計與運輸[1]。全自動包裝生產線是利用機電自動化技術，按照設置好包裝步驟完成包裝工作的一種新型的包裝技術，能夠實現對不同形態、不同形狀產品的包裝，并應用于化工、食品以及醫藥等多個實體行業。從當前的生產性運行與應用情況來看，企業需要按照產品的形態與包裝形式選擇合適的包裝生產線，以此提升保證速度與質量。

全自動包裝生產線的工作主要受內部控制系統的調動與控制，由此可見控制系統的控制效果直接影響包裝生產線的生產效果。然而全自動包裝生產線發展至今，相關機械設備的專業化程序不高，大多數企業只能保障生產線只做到把物料包裝好，之后的搬運工作則完全由人工來完成，因此可見現階段包裝生產線的自動化程序還不夠完善。由于傳統控制系統存在控制效果不佳的問題，因此在該控制系統的作用下，包裝生產線存在較大的包裝偏差，具體現象為包裝錯位、包裝密封度不足等，主要原因是傳送帶的運行速度、物料抓取、機械手裝箱控制精度不佳。

為了解決現階段全自動包裝生產線控制系統在控制功能以及應用性能兩個方面存在的問題，引入ARM架構，設計一種全新的全自動包裝生產線控制系統。

1 全自動包裝生產線控制硬件系統設計

全自動包裝生產線控制硬件系統由機械、氣動和控制三個部分組成，機械部分主要完成生產線各個機械設備在不同工作狀態下的預定功能以及具體的工作模式執行。氣動部分為機械設備以及控制程序的運行提供傳動與操作支持[2]。而控制部分就是包裝生產線控制系統的執行部分，通過控制器數據的輸入，計算出具體的控制量和控制方式，并通過氣動部分將控制指令傳送到機械部分，通過三個部分的協同作用，實現系統的控制程序，進而完成對全自動包裝生產線的控制。

1.1 ARM控制器

ARM架構是一個精簡指令集處理器架構，該架構以ARM處理器為核心部件，能夠在保留32位系統所有優勢的同時，減少實際工作中產生的能耗。通過ARM架構的應用，希望能夠降低控制系統中單一部件對其他硬件設備的影響程度，間接的提升對軟件運行程序運行精準度，從而實現對控制效果的優化。

圖1為ARM控制器的硬件結構架構。

圖1 ARM控制器的硬件結構架構圖

將原控制器的三級流水線升級為五級流水線，并增加了緩存模塊及控制緩存的協處理器[3]。ARMv4指令體系結構共支持7種處理器模式，如表1所示。

表1 ARMv4指令體系結構控制器的運行模式

在表1中的三個場景模式中，如果出現IRQ中斷或FIQ中斷，系統就會進入適當的中斷模式[4]。在執行控制器指令時，發現它不能解析，就進入未定義的指令異常模式UND，在處理結束后，繼續返回發生前的模式，執行下一條指令或重新執行該指令。設計的ARM控制器的外圍設備主要用來接收生產線的實時運行信息，并為控制器產生的控制命令提供輸出出口。ARM控制器通過片上總線進行連接，保證各個元件之間的信息共享。

1.2 傳感器模塊

安裝傳感器的目的是檢測實時全包裝生產線的運行狀態，從而確定生產線的執行步驟[5]。安裝的傳感器分為稱重傳感器和光電傳感器兩種，其中稱重傳感器就是檢測生產線中的產品是否滿足包裝要求，且處于未被包裝狀態，而光電傳感器則是檢測生產線中各個機械設備的運行狀態。傳感器采用電容式接近開關，選擇適合包裝線多道鏈道的位置，將其安裝在輸送鏈道的護欄上，當產品接近開關時，自動控制系統就會對傳感器檢測到的信號作出反應。由于全自動包裝生產線上的物體大小與形態不固定，因此需要在原傳感器的基礎上擴大光電傳感器的檢測范圍[6]。因此在光電傳感器的設計過程中，將光電傳感器中的光線發生裝置從原來的2mm擴大至5mm，并結合優化設計結果對周圍部件的影響，調整傳感器中其他部件的安裝位置。

1.3 數據傳送通訊模塊

自動包裝生產線控制系統的通信電路包括各個包裝設備之間的通信以及RS232通信。其中RS232通訊電路的設計結果如圖2所示。

圖2 RS232通信電路圖

圖2中RS232通信電路使用收發器作為低壓供電設備，設定通信速率為9600bps。RS232通信電路通過DB9接口與各個硬件設備進行連接，實現設備之間的精準同步，并利用串口調試助手程序實時檢測調試信息，為系統調試提供接口[7,8]。

最終利用系統電源電路，連接硬件系統中的各個元件，實現硬件系統的協同工作。

2 全自動包裝生產線控制系統軟件功能設計

2.1 執行全自動包裝生產線工藝

在全自動包裝生產線工作中，首先將待包裝的產品放置在傳送帶上，并利用傳感器設備判斷該產品是否滿足包裝要求。在確定產品滿足要求的情況下，從供袋機中抽取包裝袋或包裝箱，檢測該包裝容器是否為空，若檢測結果為是，取袋器的真空吸盤將把供袋器上第一位置的空袋吸住，提起后再用夾拖器爪筒將空袋夾住[9]。將空袋移至上袋機械手位置，利用張袋器將袋口吸開，并在裝袋機或裝箱機的推動下將產品放入到包裝容器中。在完成上述操作后，利用自動封裝器以及真空裝置完成自動封口操作，此時裝袋機繼續下一次取袋、開袋循環操作[10]。在整個生產線中供袋與裝袋工作均以傳送帶為工作臺，經過一系列操作處理后，啟動真空泵以及封口設備，完成產品包裝，并利用送包車與縫包輸送機將包裝好的產品送出生產線。

2.2 計算生產線控制量

生產線控制量的計算程序主要發生在ARM架構控制器中，將傳感器的實時信號檢測結果輸入到ARM控制器中，并設定在實際包裝生產線中各個機械設備的運行參數，由此可以利用式(1)計算生產線的控制量。

式(1)中，變量n0和ni為生產線中任意一個機械設備的運行參數設定值和檢測值[11]。將式(1)的計算結果作為ARM控制器輸出的控制指令，分派到各個生產線機械設備中。

2.3 實現全自動包裝生產線控制功能

2.3.1 設定通信傳輸時鐘

系統軟件程序通信傳輸時鐘的設定決定了系統控制任務執行的頻率。由于ARM控制器內部有5個相互獨立的定時器設備，任意一個定時器能夠生場5中分配信號，那么各定時器的輸入時鐘頻率可以表示為：

其中，變量fPC、fTCFG0和fTCFG1分別表示的ARM控制器總線、配置寄存器以及定時器的分頻值[12]。按照上述方式，按照所設計的生產線工藝運行方式，按照先后順序完成對控制設備以及機械設備通信傳輸時鐘頻率的設置。

2.3.2 傳送帶速度控制

按照工作內容可以將生產線中的傳送帶分為機械手搬運端傳送帶、通孔和裝箱段傳送帶兩個部分，而按照傳送帶的組成結構，上述兩種類型的傳送帶均使用的是鏈傳動方式[13]。利用式(3)可以計算當前傳送帶的速度。

式(3)中，p表示的是傳送帶的邊長，z表示的傳感器數量，而變量n1和n2分別為兩個單一鏈輪的轉速。由此可見，在傳送帶的運行過程中可以通過控制兩鏈輪的轉速實現對傳送帶速度的控制。在速度控制過程中需要考慮傳送帶表面物體重量對速度產生的影響，保證速度控制精度。

2.3.3 包裝放料恒張力控制

恒張力的控制遵循剛體轉動物理原理，其表達式為：

式(4)中，M為力矩，d為控制轉軸的力臂，而F為作用力。在實際的包裝放料環節，d的取值可以為料盤半徑[14]。若位移電阻信號發生連續變化，信號的變化值直接用來驅動磁粉制動器，進而實現對控制器中制動力矩的調整使張力不變，這樣就可以實現轉矩的自動調節，實現包裝放料恒張力的控制。

2.3.4 機械手套袋與裝箱自動控制

在氣動裝置的協助下，通過對機械手的控制，完成包裝生產線中的裝袋與推袋操作，具體過程如圖3所示。

圖3 自動裝箱流程圖

按照圖3流程，判斷待包裝產品和包裝袋是否到達指定位置，并在推袋小車上安裝推袋板，通過擋板的起落實現推袋操作，完成機械手套袋包裝工作[15]。

3 系統測試

3.1 搭建系統測試實驗環境

設計系統以全自動包裝生產線中的機械設備為研究對象，連接控制系統的運行計算機、生產線的機械設備以及硬件系統的相關元件。生產線機械設備通過數據采集卡與PC連接，PC通過網線與實時控制器連接，ARM控制器通過其機箱上的I/O模塊與各電機驅動器連接，驅動器與各電機一一連接，并安裝在底座中。PC使用靜態IP，Compact RIO在MAX中配置IP地址，使它與PC在同一個子網上。將ARM控制器外部設置的8個端口設為輸入端口，實現數字脈沖信號的采集與傳輸。將設計的全自動包裝生產線控制系統的軟件部分轉換成程序，導入到PC機中。設置控制軟件程序的循環時間為15ms；對電機的轉速控制要設定為“停止”，在主從控制下再打開，程序的循環時間為25ms。流水線機械設備的接收和處理部分循環時間為50ms，機械設備的數據采集周期為25ms，以保證機器運行的每一組數據不被漏讀。

3.2 全自動包裝生產線機械設備聯機調試

全自動包裝生產線控制系統的聯機調試主要是將控制系統軟件下載到上位機上安裝系統軟件編寫完成的 ARM控制器，利用手持示教盒實現對機械設備的控制，主要步驟是：采用電機編碼器連接控制系統和生產線機械設備，為控制系統的所有硬件元件提供電力支持。調整控制開關，按下啟動按鈕，給控制系統供電。讀出并記錄ARM控制器的IP地址，控制系統運行PC機聯網后，將IP地址修改為192.168.1.6，實現PC機和 ARM控制器之間的通信。打開已經轉換為程序代碼的生產線控制系統程序，觸發啟動工程，保證程序已經下載到 ARM控制器。控制系統上電的統一時刻自動運行控制程序，實現對包裝生產線上機械設備的控制。若生產線中機械設備的行為動作與發布的調試控制指令一致，證明聯機調試成功，系統中的硬件設備運行正常，且與運行環境具有較高的適配度。

3.3 確定控制系統測試內容與指標

在硬件和軟件都設計完成，且調試成功的情況下進行系統功能測試實驗，通過試驗來調整軟件的設計方法以及對試驗中出現的各種問題進行解決。在現有條件下，可以對該生產線多個環節的控制精度和效果進行試驗。測試的生產線環節包括傳送帶速度、物料抓取和裝箱操作三個方面，其中傳送帶速度的控制測試指標為速度控制精度，其數值結果可以表示為：

式(5)中，vit和vjt分別為t時刻傳送帶的設置控制速度和實際控制速度，因此式(5)的計算結果v-始終為正數。物料抓取和裝箱操作控制功能的測試就是判斷兩個生產過程中機械設備是否按照設定路線完成包裝操作，將實時采集的位置信息代入到式(6)中，得出位置控制誤差的量化結果：

式(6)中，(xit,yit)和(xjt,yjt)分別為t時刻設置和實際的機械設備移動位置坐標，由此得出物料抓取和裝箱生產環節操作控制精度的量化測試結果。

3.4 系統測試過程與結果分析

3.4.1 設定產品與外包裝尺寸

在PC上運行控制軟件程序，得到軟件運行界面，在該界面上通過待包裝產品外形的測量，輸入產品尺寸數據，并選擇合適的外包裝，并將外包裝尺寸輸入到運行界面中。尺寸設定運行界面如圖4所示。

圖4 尺寸設定運行界面

通過相關數據的輸入，完成對產品與包裝尺寸的設定。

3.4.2 傳送帶速度控制功能測試

利用ARM控制器針對單個傳送帶的速度變化進行控制，手動連續修改設定速度，通過傳感器連續跟蹤實時運行速度。生產線中部分傳送帶的一次控制過程如圖5所示。

圖5 單個傳送帶速度控制波形圖

這些SD對應曲線表示設定速度，SJ曲線表示實際速度，KZ曲線表示ARM控制器輸出的控制量。通過波形圖可以看出，傳送帶對設定速度的跟蹤較快，穩定后藍色虛線幾乎與紅色實線相吻合。

3.4.3 物料抓取控制功能測試

物料抓放控制功能測試實驗是生產線機械設備調試中的一項重要試驗，它是實現生產線設備功能的重要環節，只有完整、流暢的物料抓放操作才能保證生產線整體功能的實現。因為在機械設備的軌跡規劃中，兩邊的軌跡是對稱的，所以這次實驗只檢驗了一邊的軌跡。將全自動包裝生產線中的物料抓取路線用A、B1、B2、C2、C1和D來表示，各個路徑點的坐標分別為(0,-570)、(0,-640)、(60,-680)、(140,-680)、(210,-640)、(210,-570)。從上述數據中可以看出，AB1、B2C2、C1D段為直線，B1B2和C2C1段是多項式曲線。先編制了物料抓取軌跡實現的控制程序，記錄物料抓取的實時位置坐標。最后將控制程序分配到ARM控制器中。接著操作機械設備，以完成一個回零程序，利用機械設備定位程序將該設備末端移動到A點位置，然后在上位機中打開檢測界面，運行物料抓放實驗后，檢測界面就可以捕獲機械設備運動的數據測試結果，如圖6所示。

圖6 物料抓取機械設備抓取軌跡測試結果

從圖6中可以看出，全自動包裝生產線中機械設備的物料抓取軌跡與設定路徑基本吻合，路徑點的平均誤差不超過0.5m。

3.4.4 機械手裝箱操作控制測試

利用裝箱作業記錄設備，記錄機械手裝箱操作生成的軌跡，成功地完成生產線包裝件的裝箱操作，裝箱操作結果如圖7所示。

圖7 裝箱操作結果實景圖

從圖7中可以直觀的看出，設計開發的基于ARM架構的全自動包裝生產線控制系統能夠精確的實現裝箱操作。在通過裝箱控制操作過程中，各個機械設備實時設定位置與實際位置的控制精度測試數據如表2所示。

由于0時刻為裝箱設備的起始位置，此時該設備的實際位置與設定位置相同，因此無信號采集意義。從表2中可以看出，位置信號從10s開始采集，采集間隔為20s。將表2中的數據代入到式(6)中，得出裝箱操作的平均控制誤差為0.22m，小于允許位置控制誤差的預定值0.5m，因此裝箱操作控制精度符合應用要求。

表2 裝箱操作控制精度數據表

4 結語

綜上所述，本文通過ARM架構的應用實現對全自動包裝生產線控制系統控制功能的完善，提高了生產線控制精度的同時，間接的提升產品包裝工作的效率。然而從系統測試中可以看出，設計系統在控制精度還有一定的提升空間，且在包裝質量方面未進行檢測，因此無法保障包裝的美觀度和安全度，因此下一步需要針對這一問題進行深入研究。