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　　本文主要介紹了永宏產(chǎn)品在油包包裝機(jī)上的應(yīng)用，其中包含行業(yè)情況、設(shè)備介紹、設(shè)備工藝以及永宏產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用情況。油包包裝機(jī)是立式包裝機(jī)的一種，行業(yè)應(yīng)用廣泛，如食品行業(yè)、日用化工、茶葉、醫(yī)藥等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的流水線包裝。

　　文/廈門永陞科技有限公司行業(yè)應(yīng)用部 劉漢興

　　1 前言

　　1.1 行業(yè)介紹

　　在中國，隨著人工成本不斷的增加，自動(dòng)化設(shè)備的需求也隨之增長，特別體現(xiàn)在包裝機(jī)械行業(yè)，市場巨大，不僅在汽車配件、玩具文具、五金行業(yè)使用量大，而且食品行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等具有更大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢S著科技發(fā)展，市場需求也在發(fā)生變化，更多的追求品質(zhì)與效益，因此對包裝機(jī)械也提出了更高的要求。

　　目前市場上的包裝機(jī)械，種類繁多，功能各異，各種廠牌的控制器都有，因此也存在同質(zhì)化的問題。在競爭如此激烈的環(huán)境下，產(chǎn)品的性價(jià)比越高越能在其中脫穎而出。

圖1 油包包裝機(jī)

　　1.2 方案背景

　　油包包裝機(jī)是立式包裝機(jī)的一種，市場上使用的控制系統(tǒng)方案有很多，較老的機(jī)型有用脈沖型PLC,依靠編碼器反饋，再經(jīng)過計(jì)算控制相應(yīng)伺服電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備要求，該方案的缺點(diǎn)是速度不快，效率不夠高。

　　另一方面，傳統(tǒng)的油包包裝機(jī)，縱封、橫封、冷封、的運(yùn)動(dòng)軌跡是由機(jī)械齒輪，通過鏈條傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械加工要求高、設(shè)備安裝復(fù)雜，運(yùn)行噪音大，效率低，維護(hù)困難;而使用MPLC的電子凸輪功能代替機(jī)械凸輪，對于機(jī)械安裝、運(yùn)行效率等都會(huì)有很大的提高。油包包裝機(jī)包含制袋、填充、橫封、縱封、冷封、切斷、成品排出等(還可以選配打碼等功能)。功能全面、設(shè)定簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、性價(jià)比高。

　　1.3 客戶需求

　　根據(jù)客戶設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，和使用客戶群體，油包包裝機(jī)主要用于包裝油包、醬包等液體類物料的包裝。通過在觸摸屏上設(shè)置包裝模式(定長/色標(biāo))以及一些選擇功能，完成油料、醬料包裝。

　　油包包裝機(jī)采用大功率電熱棒加熱方式，其特點(diǎn)為上溫快，穩(wěn)定性好，維修成本低等特點(diǎn)，封口溫度和電機(jī)傳動(dòng)速度穩(wěn)定可調(diào)，且調(diào)節(jié)范圍廣;旋轉(zhuǎn)封口裝置可連續(xù)工作，性能穩(wěn)定可靠;包裝封口效果好;機(jī)械結(jié)構(gòu)新穎美觀，操作維修方便等，既可用于無商標(biāo)包裝材料的包裝，也使用于印有色標(biāo)的包裝膜進(jìn)行高速包裝;需要連包計(jì)數(shù)，定量生產(chǎn)，連包切割，料泵清洗，攪拌控制等操作需求;觸摸屏上能微調(diào)縱封位置，橫封位置，切點(diǎn)位置，產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等;設(shè)備能記憶輥軸當(dāng)前位置，一鍵啟動(dòng)，無需繁雜的手動(dòng)復(fù)位等。圖 2為設(shè)備包裝完成實(shí)物圖。

圖2 設(shè)備包裝完成實(shí)物圖

　　2 方案配置

　　2.1 方案說明

　　根據(jù)設(shè)備工藝和控制要求，油包包裝機(jī)的控制系統(tǒng)選用永宏M系列ME2C3-1616T四軸總線帶電子凸輪功能的控制器,實(shí)現(xiàn)橫封、冷封、切刀凸輪運(yùn)動(dòng)控制;上位機(jī)選擇C2系列C2070NA-GF的觸摸屏作為操作界面，用于功能選擇設(shè)置、參數(shù)修改、手動(dòng)調(diào)試、運(yùn)行狀態(tài)檢測、故障報(bào)警提示等功能;伺服系統(tǒng)選擇A6系列的DA6-0003H2G04S總線驅(qū)動(dòng)器和MA6-040D3065A06C26的23位絕對值伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)拉膜、封口、切斷等動(dòng)作。圖3為產(chǎn)品配置圖。

圖3 產(chǎn)品配置圖

　　2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖4為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　2.4 技術(shù)指標(biāo)

　　表1為設(shè)備技術(shù)指標(biāo)。

表1 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

　　3 設(shè)備介紹

　　3.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

　　油包包裝機(jī)主要有9部分組成。圖5為油包包裝機(jī)機(jī)構(gòu)說明圖。

圖5 油包包裝機(jī)機(jī)構(gòu)說明圖

　　(1)縱封軸

　　縱封軸也是拉膜軸，帶動(dòng)包裝膜，夾拉、整形、縱封。根據(jù)控制要求不同，在運(yùn)行過程中采集色標(biāo)檢測傳感器信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)切換到色標(biāo)模式時(shí)，每一刀都要切在色標(biāo)點(diǎn)上，因此必須在縱封軸的控制中加入補(bǔ)償，以防止薄膜滑差導(dǎo)致的累計(jì)誤差。

　　(2)橫封軸

　　由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對輥軸旋轉(zhuǎn)，對包裝物進(jìn)行橫向熱封，同時(shí)觸發(fā)注料電磁閥進(jìn)行注料，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到嚙合的角度時(shí)，橫封軸必須與主軸保持同步，當(dāng)轉(zhuǎn)到其他角度時(shí)，橫封軸的速度可以改變，保證橫封的周期時(shí)間與拉膜主軸送一個(gè)袋長的時(shí)間相同。橫封過程的區(qū)間稱為同步區(qū)。橫封軸轉(zhuǎn)到同步區(qū)時(shí)，必須與送料軸保持速度同步，而轉(zhuǎn)到其它角度時(shí)，需要加速還是減速，取決于橫封軸的周期與產(chǎn)品長度之間的大小關(guān)系。橫封軸周期=2π*輥軸半徑/刀頭數(shù)量。

　　根據(jù)橫封軸的周期與產(chǎn)品長度之間的關(guān)系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步區(qū)以外的角度時(shí)速度控制要求。圖6為橫封軸非同步區(qū)速度與產(chǎn)品周期關(guān)系圖。

圖6 橫封軸非同步區(qū)速度與產(chǎn)品周期關(guān)系圖

　　(3)冷封軸

　　冷封軸與橫封軸機(jī)構(gòu)一樣，運(yùn)行軌跡也相同，相異于橫封軸，冷封軸不需要加熱，在嚙合處根據(jù)客戶實(shí)際需要，裝上特定的鋼印碼，生產(chǎn)時(shí)在封口處印上相應(yīng)鋼碼，比如生產(chǎn)批號(hào)，logo，等特殊標(biāo)記。

　　冷封軸另外一個(gè)重要的功能是使得包裝封口更加緊實(shí)，橫向熱封后，包裝膜還有余熱，再經(jīng)過冷封軸壓實(shí)，溫度迅速降低封合，防止油料滴漏滲漏。

　　(4)切刀軸

　　切刀軸單獨(dú)一個(gè)機(jī)構(gòu)，包含手動(dòng)離合器、旋轉(zhuǎn)刀頭、切斷刀頭、分包刀頭等。

　　油包包裝機(jī)可以根據(jù)客戶實(shí)際生產(chǎn)需求，選擇連包切割，或者每包切割，由電磁閥控制切換分包刀頭和切斷刀頭實(shí)現(xiàn)。連包切割數(shù)量可自由設(shè)定，計(jì)數(shù)數(shù)量沒到時(shí)分包刀頭伸出，在封口處切成鋸齒狀，又沒有完全切斷，計(jì)數(shù)數(shù)量到后，切斷刀頭伸出，完成連包切割功能。每包切割時(shí)，只需要包切斷刀頭伸出，即可實(shí)現(xiàn)每包切斷。

　　(5)撕口電機(jī)

　　撕口電機(jī)，機(jī)構(gòu)由一個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，每生產(chǎn)一包旋轉(zhuǎn)一圈，在包裝上切開一道口子，方便使用。不同袋長，不同速度，撕口電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)機(jī)不同，需要經(jīng)過計(jì)算。

　　(6)打標(biāo)機(jī)

　　根據(jù)客戶使用需求，是否選擇啟用打標(biāo)機(jī)，打印日期、時(shí)間、生產(chǎn)批號(hào)等，打標(biāo)時(shí)機(jī)可以在觸摸屏調(diào)整設(shè)定，以滿足不同包裝膜不同圖案的要求。

　　(7)攪拌電機(jī)

　　攪拌料筒里的醬料，以免生產(chǎn)包裝時(shí)注料不均勻，導(dǎo)致成品重量不一，產(chǎn)生不合格品。

　　(8)加熱部分

　　縱封加熱，包裝膜經(jīng)過縱封加熱機(jī)構(gòu)時(shí)，受熱軟化再經(jīng)過滾壓成形封口。同樣，橫封加熱后，隨著輥軸旋轉(zhuǎn)嚙合使包裝膜封合。由于不同包裝膜材質(zhì)不同，厚度不同，所以加熱溫度也不同。

　　3.2設(shè)備工藝介紹

　　3.2.1工藝描述與流程

　　油包包裝機(jī)自動(dòng)完成打碼、制袋、注料、填充、封口、切斷、成品排出等工序。其中拉膜、橫封、冷封和切刀是同步進(jìn)行的，根據(jù)規(guī)劃好的電子凸輪曲線動(dòng)作，由色標(biāo)檢測信號(hào)對送膜的位置進(jìn)行檢測，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材ぃ⑦M(jìn)行縱向熱封，同時(shí)根據(jù)設(shè)定的角度進(jìn)行注料，由回轉(zhuǎn)式的橫封輥軸、冷封輥軸對筒膜進(jìn)行熱封封口、冷封壓緊，再向下由切刀軸對筒膜進(jìn)行切斷，最后輸出包裝成品。圖7為油包包裝機(jī)流程圖。

圖7 油包包裝機(jī)流程圖

　　3.2.2工藝結(jié)構(gòu)圖

　　圖8 為油包包裝機(jī)工藝結(jié)構(gòu)圖。

圖8 油包包裝機(jī)工藝結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.3 控制流程

　　按照控制工藝和控制要求，油包包裝機(jī)最終確定為如圖9所示的控制流程圖。

圖9 油包包裝機(jī)控制流程圖

　　3.3 電氣分布

　　配電柜輸入電壓是3相380VAC，經(jīng)過一個(gè)變壓器將380V轉(zhuǎn)換成220V電壓，供電其他設(shè)備。圖10為油包包裝機(jī)電氣控制原理圖，圖11油包包裝機(jī)電氣控制柜接線圖。

圖10 油包包裝機(jī)電氣控制原理圖

圖11 油包包裝機(jī)電氣控制柜接線圖

　　3.4 IO配置

　　根據(jù)控制要求和設(shè)備工藝，規(guī)劃IO點(diǎn)位，圖12為油包包裝機(jī)IO配圖。

圖12 油包包裝機(jī)IO配置圖

　　3.5 HMI畫面設(shè)計(jì)

　　根據(jù)控制要求以及人機(jī)交流的實(shí)用性、美觀度等，結(jié)合客戶要求規(guī)劃如圖操作界面，圖13為開機(jī)畫面，在此畫面可以跳轉(zhuǎn)到任何設(shè)置畫面;圖14為主畫面，此畫面顯示/設(shè)置生產(chǎn)需要的主要參數(shù)，以及需要經(jīng)常微調(diào)的參數(shù);圖15為系統(tǒng)設(shè)置畫面，為設(shè)備出廠時(shí)設(shè)置的畫面，進(jìn)入此畫面需要輸入密碼，而且只有工程師才有權(quán)限。

圖13 開機(jī)畫面

圖14 開機(jī)畫面

圖15 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面

　　4 方案綜合

　　4.1 方案特點(diǎn)

　　(1)電子凸輪功能

　　傳統(tǒng)的油包包裝機(jī)，橫封、冷封、切刀的同步運(yùn)動(dòng)大部分是通過齒輪比數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，這種機(jī)構(gòu)的局限性是運(yùn)行效率不高，維護(hù)不方便，通用性不高。近年來，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)越來越成熟，很多需要凸輪軌跡的設(shè)備都改用電子凸輪功能來實(shí)現(xiàn)。電子凸輪的優(yōu)勢是精度更高、效率更高，適應(yīng)性更強(qiáng)。

　　(2)系統(tǒng)操作便利性

　　其他品牌控制系統(tǒng)的油包包裝機(jī)，參數(shù)設(shè)置繁瑣，切換不同規(guī)格的包裝膜要調(diào)整十幾個(gè)參數(shù);每次啟動(dòng)都需要手動(dòng)回原點(diǎn)等;這些對于一線的操作工人來說比較吃力，因此我們根據(jù)實(shí)際情況，把大部分參數(shù)以公式的形式整合在程序里面，以此減少操作工人的工作量。比如更換包裝膜時(shí)，只要輸入對應(yīng)袋長就能自動(dòng)生成凸輪曲線進(jìn)行生產(chǎn)，比如開機(jī)時(shí)，一鍵啟動(dòng)，自動(dòng)找原點(diǎn)等等，使系統(tǒng)操作更加便利。

　　(3)設(shè)備通用性

　　該油包包裝機(jī)可實(shí)現(xiàn)60-160mm之間的袋長，適用性更廣;可生產(chǎn)包裝油料、醬料等流體性物料。

　　(4)參數(shù)設(shè)置人性化

　　軸參數(shù)里可規(guī)劃0-360顯示，直觀反應(yīng)輥軸當(dāng)前位置，與設(shè)備其他輔助功能設(shè)定的參照數(shù)據(jù)一致。

　　5 方案優(yōu)勢

　　l 速度快：75mm袋長時(shí)，運(yùn)行速度可達(dá)到130包每分鐘;

　　l 精度高：色標(biāo)模式切點(diǎn)精度達(dá)到±1mm;

　　l 適應(yīng)性：方案提供定長模式、色標(biāo)模式、色標(biāo)修正等功能適應(yīng)各種應(yīng)用場景。

　　6 其他說明

　　該油包包裝機(jī)設(shè)備廠家有用過其他廠牌的控制器，但都達(dá)不到客戶要求：

　　原因1：系統(tǒng)操作繁瑣，一有故障要調(diào)整很多東西、切換不同規(guī)格的包裝膜同樣也要修改很多參數(shù);

　　原因2：裁切精度超過正負(fù)1mm達(dá)不到客戶要求。

　　7 方案難點(diǎn)

　　7.1同步參數(shù)及凸輪應(yīng)用

　　油包包裝機(jī)中，軸和軸之間的動(dòng)作需要保持同步或相互協(xié)調(diào)，因此就需要定義一個(gè)軸作為主軸，其余軸都以它為參照，進(jìn)行同步跟隨或凸輪定位。

　　由于設(shè)備需要適應(yīng)多種規(guī)格的包裝膜，不同規(guī)格的曲線也不盡相同，因此需要一個(gè)方便修改的方案，本案例中定義拉膜軸為主軸，橫封軸、冷封軸、切刀軸為從軸。定義好主從軸后，設(shè)定對應(yīng)軸的同步參數(shù)，指定輸入軸(主軸)輸出軸(從軸)，設(shè)定輸入軸周期，輸出軸周期，離合器ON延時(shí)，凸輪輸入相位等。根據(jù)主從軸關(guān)系設(shè)定同步參數(shù)及凸輪曲線。圖16為凸輪生成指令，圖17為凸輪曲線。

圖16 凸輪生成指令

圖17 凸輪曲線

　　7.2 色標(biāo)補(bǔ)償計(jì)算

　　色標(biāo)模式時(shí)，由于包裝過程中包裝膜的張力會(huì)發(fā)生變化導(dǎo)致色標(biāo)位置的偏差，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)要進(jìn)行補(bǔ)償，本方案根據(jù)計(jì)算的結(jié)果利用相位補(bǔ)償功能進(jìn)行疊加補(bǔ)償動(dòng)作，以保證封口和切刀每一次都在色標(biāo)點(diǎn)上。

　　(1) 補(bǔ)償步驟

　　A. 色標(biāo)信號(hào)中斷采集拉膜軸當(dāng)前位置，并記錄;

　　B. 色標(biāo)采集時(shí)到PLC接收到信號(hào)存在時(shí)間差，觸發(fā)補(bǔ)償時(shí)，通過設(shè)置固定滯后時(shí)間去推斷實(shí)際位置;

　　C. 觸發(fā)補(bǔ)償時(shí)，采集拉膜軸位置和橫封、冷封、切刀軸位置;

　　D. 計(jì)算補(bǔ)償值，分別補(bǔ)償。

　　(2) 計(jì)算公式：

　　當(dāng)前位置=色標(biāo)至橫封點(diǎn)長度/拉膜周期;

　　拉膜軸位置=拉膜軸實(shí)時(shí)位置+滯后長度-色標(biāo)采集位置;

　　色標(biāo)位置=色標(biāo)至橫封點(diǎn)長度-拉膜軸位置;

　　橫封軸理論位置=拉膜軸周期/2-色標(biāo)位置;

　　補(bǔ)償值=橫封軸理論位置-橫封軸實(shí)際位置;

　　注：冷封軸與切刀軸的計(jì)算方式與橫封軸一樣。

　　8 方案總結(jié)

　　在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，永宏M系列PLC的電子凸輪功能、同步總線高速運(yùn)算功能起到了關(guān)鍵作用，使得機(jī)器在保證切刀位置精準(zhǔn)的情況下高速穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　飛剪、電子凸輪、高速、實(shí)時(shí)糾偏等功能，是目前很多機(jī)械尤其是包裝機(jī)械行業(yè)的高端機(jī)型提出的需求，在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，相較于普通電機(jī)加編碼器的控制系統(tǒng)，生產(chǎn)效率提高2～3倍甚至更多，這也會(huì)成為主流趨勢。而MPLC在油包包裝機(jī)中的成功應(yīng)用也證明了永宏在遇到此類設(shè)備的開發(fā)時(shí)有很好的產(chǎn)品對應(yīng)，在此領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來越多。圖18為油包包裝機(jī)生產(chǎn)成品。

圖18 油包包裝機(jī)生產(chǎn)成品

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1] 永宏可編程控制器使用手冊I 和使用手冊II.臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司

　　[2] 永宏P(guān)LC編程軟件使用手冊.臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司

　　[3] 永宏MPLC操作手冊.臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司