1 引言
包裝機械大致可以分為立式包裝機與枕式包裝機。牙簽包裝機屬于立式包裝，它主要依靠自身重力，必要時輔以一定的機械作用便可完成包裝，而且立式包裝機一般都具有兩種包裝功能，機器運轉(zhuǎn)時采用哪種包裝方式取決于包裝膜上分是有光標(biāo)還是沒有光標(biāo)的。沒有光標(biāo)的包裝膜只需滿足所有機構(gòu)線速度相同即可，而采用光標(biāo)裁切，則需通過光標(biāo)定位實現(xiàn)包裝。近日，采一套基于四方CA100
伺服驅(qū)動器及觸摸屏所設(shè)計的牙簽全自動包裝機控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于浙江某機械廠，運行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。
2 工藝分析
牙簽包裝機主要由送膜裝置、送料裝置、封膜裝置以及切割裝置構(gòu)成。其中送膜在設(shè)備的前后各有一部分，由送膜輥和送膜軸組成，主要負(fù)責(zé)把上下兩層包裝膜平整、均勻地送至封膜處，并與送料裝置送來的牙簽一起橫向封合。隨后在送至切割裝置進(jìn)行分包切割最后送至成品區(qū)。整個包裝的工藝流程如圖1所示。
牙簽包裝機實物如圖2所示。膜通過送膜軸帶動送膜輥旋轉(zhuǎn)送入封膜輥中，在初始位置有一個色標(biāo)傳感器，它通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點。色標(biāo)傳感器實際是一種反向裝置，光源垂直于目標(biāo)物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標(biāo)物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。其中，送膜輥和拉膜輥是同步相連，封膜輥和切刀輥是同步相連，從而簡化了整個設(shè)備運行的過程。
3 控制系統(tǒng)原理及架構(gòu)
牙簽自動包裝機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)由傳統(tǒng)上下位機結(jié)構(gòu)組成，上位機由EM1-070E系列觸摸屏作為人機界面進(jìn)行設(shè)備操作、參數(shù)設(shè)定及顯示等功能。下位機是一臺運動控制器，完成自動運行過程中送膜軸和封膜軸的定位控制。執(zhí)行機構(gòu)由CA100系列伺服系統(tǒng)完成。
包裝機有兩種工作模式：即膜有光標(biāo)和無光標(biāo)。無光標(biāo)情況下，兩個伺服間只需要進(jìn)行簡單的速度同步，使得送膜輥和封膜輥在線速度上一致，保證整個膜在運行過程中各部分速度相同即可。而有光標(biāo)模式下，封膜的位置必須嚴(yán)格與色標(biāo)的位置重合，這就需要送膜軸和封膜軸二者之間建立位置凸輪關(guān)系，在送膜軸將色標(biāo)送到封膜輥處，封膜的封口也需要同一時間到達(dá)相同的位置，二者之間類似一個飛剪機構(gòu)，整個過程由運動控制器控制伺服完成。
4 系統(tǒng)硬件及調(diào)試
牙簽自動包裝機控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括伺服系統(tǒng)，運動控制器，觸摸屏這幾部分，其中在整個設(shè)備運行過程中最重要的還是伺服系統(tǒng)，它決定了控制系統(tǒng)的整體定位精度以及響應(yīng)性。
4.1 伺服系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置
伺服系統(tǒng)主要包含了送膜伺服和封膜伺服，本次設(shè)計中送膜伺服選用了CA100-T3R0AP系列，封膜伺服為CA100-T4R5AP，主要參數(shù)如下表所示：
4.2 整機調(diào)試
整機調(diào)試為測試系統(tǒng)的整體性能是否能滿足實際生產(chǎn)的各項要求。整機調(diào)試需要注意以下問題：
（1）有光標(biāo)模式下，設(shè)備啟動前必須回零。
（2） 由于是面板電位計進(jìn)行自動時速度調(diào)節(jié)，調(diào)試時開機前請確認(rèn)速度是合理。
4.3 系統(tǒng)電氣圖
牙簽自動包裝機控制系統(tǒng)的電氣圖如圖4所示。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
5.1 上位機軟件設(shè)計
HMI主界面如圖5所示，可進(jìn)行產(chǎn)量的設(shè)定，并顯示設(shè)備的當(dāng)前運行的速度、產(chǎn)能、產(chǎn)量、機械和報警狀態(tài)等信息。整個人機界面分配了兩級用戶，分別提供給終端用戶和設(shè)備廠家，二者各自有各自的登陸ID及密碼，在特定的界面中，不同級別的用戶享有不同權(quán)限的參數(shù)設(shè)置。
如圖6所示參數(shù)設(shè)定界面，所有用戶均可對機械及包裝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，滿足更多包裝的場合。設(shè)備的運行方式及界面的語言均可以在此界面中進(jìn)行修改。
參數(shù)設(shè)置界面
5.2 下位機軟件設(shè)計
下位機軟件主要是運動控制器的程序設(shè)計。主要包括色標(biāo)檢測糾偏、色標(biāo)遮沒及偏離、送膜和封膜兩軸的電子凸輪控制三大部分。
由于機械以及色標(biāo)噴涂的誤差，設(shè)備運行過程中色標(biāo)與封膜位置會出現(xiàn)偏差，為了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須進(jìn)行糾偏。本此設(shè)計的控制系統(tǒng)利用在送膜初始端的色標(biāo)傳感器檢測的色標(biāo)個數(shù)計算出膜所行走的距離，與封膜電機編碼器反饋回的脈沖所折算的距離進(jìn)行比較，得出的偏差在凸輪控制中進(jìn)行補償，使得色標(biāo)與封膜位置始終保持在同一位置合理誤差范圍之內(nèi)，保證了成品的質(zhì)量。
程序內(nèi)色標(biāo)內(nèi)遮沒功能，可有效避免包裝膜污染，色標(biāo)錯印所引起的光電誤動作，增加了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且在色標(biāo)偏離色標(biāo)傳感器檢測范圍時，系統(tǒng)會自動停機并報警告知操作員。
6 結(jié)束語
本文基于四方電氣機電產(chǎn)品所設(shè)計的牙簽自動包裝機控制系統(tǒng)，較好的解決了傳統(tǒng)的手工牙簽包裝的效率低、成本高的問題。程序內(nèi)部采用色標(biāo)糾偏算法及凸輪控制，解決了生產(chǎn)過程中色標(biāo)偏離、位置不準(zhǔn)的問題。采用四方CA100系列伺服及EM1系列觸摸屏，性能穩(wěn)定、兼容性好、操作簡便。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高，滿足實際生產(chǎn)需求并得到了最終客戶的認(rèn)可。