CN115285403A - 一种枕式包装机飞剪控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种枕式包装机飞剪控制系统，包括：储料装置；料卷；拉膜装置；送料装置；送料装置；切刀装置；送料装置、切刀装置分布通过其上设有的拉膜轴、送料轴、切刀轴带动运作；物料光电开关，安装于送料装置附近；所述送料装置上设有拨齿，通过所述物料光电开关时触发其导通；拉膜装置、运动色标光电开关，固定安装于从所述料卷拉出的包装膜上方；切刀光电开关，固定安装于切刀装置的上方；PLC控制拉膜轴、送料轴、切刀轴的运动。本发明采用PLC进行控制，伺服驱动设备、光电开关均和PLC连接,由PLC实现轴的控制和调整，对伺服驱动设备没有特殊的要求，具有较好的兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及枕式包装机领域。
背景技术
横向剪切运动中的线材的剪切机叫飞剪机，简称飞剪。飞剪控制系统可快速切断铁板、钢管、纸卷、包装膜等，广泛应用于冶金、造纸、包装等生产线上。
以往的飞剪控制装置，主要是针对飞剪电机的驱动器进行专用开发，在驱动器内增加专用扩展电路和专用控制程序，实现对旋转飞剪的工艺控制，控制系统在控制结构、设备选型、控制算法等方面具有相当的复杂性。然而专用驱动控制器不便于维护、维修，出现故障后对生产效率的影响较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种采用PLC作为飞剪控制器的枕式包装机飞剪控制系统。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种枕式包装机飞剪控制系统包括：
储料装置，放置待包装物料；
料卷，卷绕有包装膜；
拉膜装置，从料卷上拉出包装膜并完成纵向折叠和纵向封边工艺。拉膜装置的运动由对应的伺服电机带动，该伺服电机和配套的伺服驱动器构成拉膜轴；送料装置，将待包装物料从储料装置中推出，送至未封边的包装膜上；送料装置的运动由对应的伺服电机带动，该伺服电机和配套的伺服驱动器构成送料轴；
切刀装置，将装有物料的包装膜在色标位置切断并完成横向封边工艺；切刀装置的运动由对应的伺服电机带动，该伺服电机和配套的伺服驱动器构成切刀轴；
物料光电开关，安装于送料装置附近；所述送料装置上设有拨齿，通过所述物料光电开关时触发其导通；
色标光电开关，固定安装于从所述料卷拉出的包装膜上方；包装膜上的色标经过所述色标光电开关时触发其导通；
切刀光电开关，固定安装于切刀装置的上方；切刀装置上切刀经过所述切刀
光电开关时触发其导通；
PLC，与所述物料光电开关、色标光电开关、切刀光电开关连接，并控制拉膜轴、送料轴、切刀轴的运动。
本发明通过光电开关记录系统运动过程中的光电信号数据，由PLC计算调整值，通过控制伺服驱动器对拉膜装置、送料装置、切刀装置进行运动控制，无需在驱动器内额外增加专用扩展电路和专用控制程序，即可实现对剪切位置和送料位置的调整。
上述枕式包装机飞剪控制系统还包括人机交互界面，进行剪切位置和物料位置的微调。通过人机交互界面使得人机交互方便。
本发明还提供了一种枕式包装机飞剪控制方法，包括以下步骤：
(1)曲线轨迹生成：
PLC在所述枕式包装机飞剪控制系统启动时计算电子凸轮轨迹曲线和随动比例参数；所述电子凸轮轨迹曲线为五次多项式，采用归一化计算方法获得多项式的参数；
(2)轴控制：
所述PLC计算每个插补周期发送给送料装置、拉膜装置和切刀装置的脉冲数量；
(3)光电信号记录：
拉膜装置持续从料卷中拉出包装膜，包装膜上的色标经过所述色标光电开关时触发导通并记录拉膜轴的指令位置S1；送料装置通过等距布置的拨齿周期性地将待包装物料从储料装置中推出，放置在拉出的包装膜上，由所述拉膜装置完成包装膜的纵向折叠和纵向封边；拨齿经过所述物料光电开关时触发其导通并记录拉膜轴的指令位置S3；装有物料的包装膜送至切刀装置，由切刀装置在包装膜的色标位置处切断并完成横向封边；当切刀装置上的切刀经过切刀光电开关时触发其导通并记录拉膜轴的指令位置S2；
(4)轴运动调整：
所述切刀轴和拉膜轴以电子凸轮轨迹曲线进行同步运动，拉膜轴为主轴，切刀轴为从轴；所述送料轴和拉膜轴根据机械传动参数进行随动运动，拉膜轴是主轴，送料轴是从轴；
所述PLC通过((S1-S2)-U1)计算当前切刀对色标的相对位置和用户设置的切点位置U1之间的差值ADJ1；电子凸轮进行相位调整：从切刀光电开关导通上升沿时刻开始，在拉膜轴的位置变化长度△L内，对电子凸轮的主轴相位进行相位的叠加，叠加数值为ADJ1，叠加过程采用五次多项式曲线；
所述PLC通过公式((S3-S2)-U2)/L1*L3算出当前物料对切刀的相对位置和用户设置的物料位置U2之间的差值，并且转换为送料轴的调整值ADJ2；所述L1为包装长度，L3为拨齿长度。
本发明生成电子凸轮轨迹曲线和调整曲线均采用五次多项式曲线，系统运行更加平稳。
本发明飞剪控制方法还包括：
切刀角度计算：PLC计算切刀轴的实时角度；
掉电数据管理：管理系统的工艺参数，在系统断电之前存储切刀轴的角度信息。
更具体的，上述电子凸轮进行相位调整时，当ADJ1为正数时，相位将会提前，切刀轴将会加快旋转，包装膜剪切位置将会提前；当ADJ1为负数时，相位将会滞后，切刀轴旋转减慢，包装膜剪切位置将会滞后。
在部分实施例中，作为优选的，拉膜轴的位置变化长度△L为0.9×L1。
更具体的，送料轴的相位调整过程采用五次多项式曲线，拉膜轴的位置变化长度△L内，对送料轴的位置进行调整，调整量为ADJ2：ADJ2为正数时，送料轴转动的位置将会增加，待包装物料将会提前送出，ADJ2为负数时，送料轴转动的位置将会减少，待包装物料将会延后送出。
本发明飞剪控制系统进行如下初始设置：
切刀装置的分区设置：根据切刀装置与包装膜的位置关系分为同步区和非同步区；切刀在同步区范围内转动时，切刀的线速度和包装膜的线速度保持一致；
切刀装置的初始化：所述飞剪控制系统在首次上电时，PLC控制切刀轴缓慢转动，切刀光电开关导通上升沿时刻切刀轴停止转动，PLC将切刀轴当前的角度设置为切刀光电开关安装位置的角度；
拉膜装置的初始化：通过点动拉膜轴，使切刀装置中心位置位于前后两个色标的中垂线位置处。
更为具体的，电子凸轮轨迹曲线按照工作过程分为启动曲线、循环曲线和停机曲线；所述启动曲线主轴相位区间为[L1/2,L1]，从轴角度区间为[180°,360°]；循环曲线主轴相位区间为[0，L1]，从轴角度区间为[0°,360°]；停机曲线主轴相位区间为[0，L1/2]，从轴角度区间为[180°,360°]；在系统待机情况下，如果用户点动切刀轴，使得切刀轴偏离了180°的启动位置，PLC的曲线轨迹生成模块将会根据切刀轴的当前角度重新生成启动曲线，其主轴相位区间依旧为[L1/2,L1]，从轴角度区间变为[当前角度,360°]；所述电子凸轮轨迹曲线，当切刀位于同步区时，曲线类型为一次函数，位于非同步区时，曲线类型为五次多项式函数。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1)伺服驱动设备、光电开关均和PLC连接,由PLC实现轴的控制和调整，对伺服驱动设备没有特殊的要求，具有较好的兼容性；
2)加工过程中可以随时通过人机界面微调剪切位置和物料位置，人机交互方便；
3)飞剪轨迹曲线和调整曲线均使用五次多项式曲线，系统运行更加平稳。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的PLC功能模块示意图；
图3为本发明的相位叠加示意图；
图4为本发明的切刀装置局部示意图；
图5为本发明的电子凸轮轨迹曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明飞剪控制系统包括PLC13、人机界面14、送料装置4、拉膜装置1、切刀装置2、物料光电开关9、色标光电开关8、切刀光电开关7。其中，送料装置4、拉膜装置1、切刀装置2分别由伺服驱动器20、19、18和伺服电机17、16、15控制转动,对应的三套伺服驱动器和伺服电机分别构成控制系统的送料轴、拉膜轴、切刀轴，上述三个轴均为单方向运行，均由PLC13控制。所述PLC13包括轴控制模块、曲线轨迹生成模块、光电信号记录模块、切刀角度计算模块、掉电数据管理模块、轴运动调整模块。所述切刀轴和拉膜轴以电子凸轮轨迹曲线进行同步运动，拉膜轴是电子凸轮的主轴，切刀轴是电子凸轮的从轴；所述送料轴和拉膜轴根据机械传动参数进行随动运动，拉膜轴是随动的主轴，送料轴是随动的从轴。
所述的人机界面14用于设置:切点位置U1、物料位置U2、机械传动参数、包装长度L1、物料长度L2、拨齿长度L3、同步区角度A。所述拉膜装置1由上辊轮和下辊轮组成，上辊轮和下辊轮之间通过齿轮联动，通过拉膜轴带动转动，持续从料卷6拉出包装膜并完成纵向折叠和纵向封边工艺(纵向折叠和纵向封边的完成采用现有折叠、封边装置结构即可)；所述送料装置4(可采用皮带轮的方式进行送料，皮带上等间距设置拨齿进行物料推送，皮带轮由送料轴传动)通过等间距布局的拨齿5周期性地将待包装物料11从储料装置10(储料装置固定设于皮带轮上方，下方开口，开口处高度和物料的高度，使得物料刚好能够单个落下至皮带轮上，无拨齿带动的情况下并不会随着皮带轮前进)推出，放置在未封边的包装膜上；所述切刀装置2由上刀棍和下刀辊组成，上刀棍和下刀辊通过齿轮联动，上刀棍和下刀辊上分别设有切刀，且上刀棍和下刀辊由切刀轴带动转动，将装有物料的包装膜在色标12位置切断并完成横向封边工艺(横向封边工艺的完成采用现有横向封边装置结构即可)。其中切刀轴的角度，以上刀辊以垂直接触包装膜的位置作为0°位置，如图4给出了上刀辊的各角度位置示意图。所述PLC13的轴控制模块用于计算每个插补周期发送给三个轴的脉冲数量；曲线轨迹生成模块用于在系统启动时计算电子凸轮轨迹曲线和随动比例参数，其中，电子凸轮轨迹曲线为五次多项式，采用归一化计算方法获得多项式的参数；光电信号记录模块用于捕捉光电开关的上升沿并记录该时刻的拉膜轴指令位置；切刀角度计算模块用于切刀轴的实时角度；掉电数据管理模块用于管理系统的工艺参数；轴运动调整模块用于在运动过程中根据光电信号记录模块的记录数据计算得到调整值，实现对剪切位置和送料位置的调整。如图2所示。
以上各光电开关均和PLC13的数字量输入端子连接，光电开关导通上升沿均会触发PLC的光电信号记录模块工作，记录拉膜轴当前的指令位置。具体地，色标光电开关8安装在包装膜上方，色标12经过时触发导通并记录拉膜轴的指令位置S1；切刀光电开关7固定安装在切刀轴的180°位置(如图4所示)，切刀3经过时触发导通并记录拉膜轴的指令位置S2；所述物料光电开关9安装在送料装置10附近，拨齿5经过物料光电开关9时触发其导通并记录拉膜轴的指令位置S3。如果包装袋为无色标袋时，色标光电开关8将不会被触发。应当注意的是，记录的S1、S2和S3均为拉膜轴的指令位置，和理论上的拉膜轴的实际位置相比是存在位置偏差的，假设记录S1、S2、S3时，对应该的实际拉膜轴位置分别为SS1、SS2、SS3，电机位置偏差分别为E1、E2、E3,那么：
S1＝SS1+E1；
S2＝SS2+E2；
S2＝SS3+E3；
由于拉膜轴达到用户设定的加工速度时，处于恒定拉膜速度，很据伺服驱动设备的特性可知，上述的E1≈E2≈E3，那么如果S1、S2、S3在计算过程中进行减法运算，将会基本消除位置偏差的影响。
所述的PLC13的轴运动调整模块通过((S1-S2)-U1)算出当前切刀3对色标12的相对位置和用户设置的切点位置U1之间的差值ADJ1，ADJ1将会作为电子凸轮的相位调整值。所述相位调整过程从切刀光电开关7导通上升沿时刻开始，在拉膜轴的位置变化长度△L内，对电子凸轮的主轴相位进行相位的叠加，叠加数值为ADJ1，叠加过程采用五次多项式曲线，避免让切刀轴转动产生突变。图3给出了相位叠加过程的示意图，从图中可以看出，在拉膜装置1上包装膜变化长度△L内，原本电子凸轮的相位变化为PH，经过相位的叠加后，相位的变化量变成PH+ADJ1。如图3所示。
当ADJ1为正数时，相位将会提前，切刀轴将会加快旋转，包装膜剪切位置将会提前。当ADJ1为负数时，相位将会滞后，切刀轴旋转减慢，包装膜剪切位置将会滞后。所述拉膜轴的位置变化长度△L优选为(0.9*L1)，以便在下一次切刀光电开关7触发之前调整结束。经过若干次调整后，ADJ1将会在数值0左右摆动，对应剪切位置和色标12的相对位置将会保持稳定。用户可以通过人机界面14对切点位置U1的数值进行微调，从而调整剪切位置。上述相位调整过程仅对参与计算的电子凸轮主轴相位值进行了干预，对拉膜轴的运动没有影响，不会造成拉膜张力的波动。当包装袋为无色标袋时，系统不会计算ADJ1，不会对切刀轴进行调整。
PLC13的轴运动调整模块通过公式((S3-S2)-U2)/L1*L3算出当前物料11对切刀3的相对位置和用户设置的物料位置U2之间的差值，并且转换为送料轴的调整值ADJ2。实现物料轴送料动作的提前或延后，从而调整待包装物料11在包装膜放置的位置。和对切刀轴的调整类似，送料轴调整过程使用了五次多项式曲线，在在拉膜装置1上包装膜变化长度△L内,对送料轴的位置进行调整，调整量为ADJ2。ADJ2为正数时，送料轴转动的位置将会增加，图1中待包装物料11将会提前送出，ADJ2为负数时，送料轴转动的位置将会减少，图1中待包装物料11将会延后送出。经过若干次调整后，ADJ2将会在数值0左右摆动，对应物料位置和剪切的相对位置将会保持稳定。用户可以通过人机界面14对物料位置U2的数值进行微调，从而调整物料11在包装袋内的位置。
如图4所示，切刀装置2，根据和包装膜的位置关系分为同步区和非同步区。同步区位于切刀3和包装膜接触的0°附近，切刀3在同步区角度范围内转动时，切刀3的线速度和包装膜的线速度保持一致。
所述的飞剪控制系统，在首次上电时，切刀装置2和拉膜装置1需要先执行初始化。切刀装置2的初始化由PLC自动进行，初始化过程中，PLC13控制切刀轴慢速转动，切刀光电开关导通上升沿时刻切刀轴停止转动，PLC将切刀轴当前的角度设置为切刀光电开关安装位置的角度，一般为180°(如图4所示位置处)。后续的运动过程中，所述PLC的切刀角度计算模块将会持续计算切刀轴的实时角度。拉膜装置的初始化由操作人员完成，操作人员点动拉膜轴，使切刀装置中心位置位于前后两个色标的中垂线附近。所述PLC的掉电数据管理模块在系统断电之前存储切刀轴的角度信息，并且在系统上电时读取切刀轴角度信息，无需再次初始化切刀装置。
如图5所示，所述的电子凸轮轨迹曲线由所述PLC的曲线轨迹生成模块在系统启动时计算得出。所述电子凸轮轨迹曲线按照工作过程分为启动曲线、循环曲线和停机曲线。所述启动曲线主轴相位区间为[L1/2,L1]，从轴角度区间为[180°,360°]；循环曲线主轴相位区间为[0，L1]，从轴角度区间为[0°,360°]；停机曲线主轴相位区间为[0，L1/2]，从轴角度区间为[180°,360°]。在系统待机情况下，如果用户点动切刀轴，使得切刀轴偏离了180°的启动位置，PLC的曲线轨迹生成模块将会根据切刀轴的当前角度重新生成启动曲线，其主轴相位区间依旧为[L1/2,L1]，从轴角度区间变为[当前角度,360°]。所述电子凸轮轨迹曲线，当切刀轴位于同步区时，曲线类型为一次函数，位于非同步区时，曲线类型为五次多项式函数。
Claims (8)
1.一种枕式包装机飞剪控制系统，其特征在于，所述枕式包装机飞剪控制系统包括：
储料装置，放置待包装物料；
料卷，卷绕有包装膜；
拉膜装置，从料卷上拉出包装膜并完成纵向折叠和纵向封边工艺。拉膜装置的运动由对应的伺服电机带动，该伺服电机和配套的伺服驱动器构成拉膜轴；
送料装置，将待包装物料从储料装置中推出，送至未封边的包装膜上；送料装置的运动由对应的伺服电机带动，该伺服电机和配套的伺服驱动器构成送料轴；
切刀装置，将装有物料的包装膜在色标位置切断并完成横向封边工艺；切刀装置的运动由对应的伺服电机带动，该伺服电机和配套的伺服驱动器构成切刀轴；
物料光电开关，安装于送料装置附近；所述送料装置上设有拨齿，通过所述物料光电开关时触发其导通；
色标光电开关，固定安装于从所述料卷拉出的包装膜上方；包装膜上的色标经过所述色标光电开关时触发其导通；
切刀光电开关，固定安装于切刀装置的上方；切刀装置上切刀经过所述切刀光电开关时触发其导通；
PLC，与所述物料光电开关、色标光电开关、切刀光电开关连接，并控制拉膜轴、送料轴、切刀轴的运动。
2.一种采用权利要求1所述枕式包装机飞剪控制系统的飞剪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)曲线轨迹生成：
PLC在所述枕式包装机飞剪控制系统启动时计算电子凸轮轨迹曲线和随动比例参数；所述电子凸轮轨迹曲线为五次多项式，采用归一化计算方法获得多项式的参数；
(2)轴控制：
所述PLC计算每个插补周期发送给送料轴、拉膜轴和切刀轴的脉冲数量；
(3)光电信号记录：
拉膜装置持续从料卷中拉出包装膜，包装膜上的色标经过所述色标光电开关时触发导通并记录拉膜轴的指令位置S1；送料装置通过等距布置的拨齿周期性地将待包装物料从储料装置中推出，放置在拉出的包装膜上，由所述拉膜装置完成包装膜的纵向折叠和纵向封边；拨齿经过所述物料光电开关时触发其导通并记录拉膜轴的指令位置S3；装有物料的包装膜送至切刀装置，由切刀装置在包装膜的色标位置处切断并完成横向封边；当切刀装置上的切刀经过切刀光电开关时触发其导通并记录拉膜轴的指令位置S2；
(4)轴运动调整：
所述切刀轴和拉膜轴以电子凸轮轨迹曲线进行同步运动，拉膜轴为主轴，切刀轴为从轴；所述送料轴和拉膜轴根据机械传动参数进行随动运动，拉膜轴是主轴，送料轴是从轴；
所述PLC通过((S1-S2)-U1)计算当前切刀对色标的相对位置和用户设置的切点位置U1之间的差值ADJ1；电子凸轮进行相位调整：从切刀光电开关导通上升沿时刻开始，在拉膜轴的位置变化长度△L内，对电子凸轮的主轴相位进行相位的叠加，叠加数值为ADJ1，叠加过程采用五次多项式曲线；
所述PLC通过公式((S3-S2)-U2)/L1*L3算出当前物料对切刀的相对位置和用户设置的物料位置U2之间的差值，并且转换为送料轴的调整值ADJ2；所述L1为包装长度，L3为拨齿长度。
3.根据权利要求2所述的飞剪控制方法，其特征在于，所述飞剪控制方法还包括：
切刀角度计算：PLC计算切刀轴的实时角度；
掉电数据管理：管理系统的工艺参数，在系统断电之前存储切刀轴的角度信息。
4.根据权利要求3所述的飞剪控制方法，其特征在于，所述电子凸轮进行相位调整时，当ADJ1为正数时，相位将会提前，切刀轴将会加快旋转，包装膜剪切位置将会提前；当ADJ1为负数时，相位将会滞后，切刀轴旋转减慢，包装膜剪切位置将会滞后。
5.根据权利要求4所述的飞剪控制方法，其特征在于，所述拉膜轴的位置变化长度△L为0.9×L1。
6.根据权利要求5所述的飞剪控制方法，其特征在于，所述送料轴的相位调整过程采用五次多项式曲线，在拉膜轴的位置变化长度△L内，对送料轴的位置进行调整，调整量为ADJ2：ADJ2为正数时，送料轴转动的位置将会增加，待包装物料将会提前送出，ADJ2为负数时，送料轴转动的位置将会减少，待包装物料将会延后送出。
7.根据权利要求6所述的飞剪控制方法，其特征在于，所述飞剪控制系统进行如下初始设置：
切刀装置的分区设置：根据切刀装置与包装膜的位置关系分为同步区和非同步区；切刀在同步区范围内转动时，切刀的线速度和包装膜的线速度保持一致；
切刀装置的初始化：所述飞剪控制系统在首次上电时，PLC控制切刀轴缓慢转动，切刀光电开关导通上升沿时刻切刀轴停止转动，PLC将切刀轴当前的角度设置为切刀光电开关安装位置的角度；
拉膜装置的初始化：通过点动拉膜轴，使切刀装置中心位置位于前后两个色标的中垂线位置处。
8.根据权利要求7所述的飞剪控制方法，其特征在于，所述电子凸轮轨迹曲线按照工作过程分为启动曲线、循环曲线和停机曲线；所述启动曲线主轴相位区间为[L1/2,L1]，从轴角度区间为[180°,360°]；循环曲线主轴相位区间为[0，L1]，从轴角度区间为[0°,360°]；停机曲线主轴相位区间为[0，L1/2]，从轴角度区间为[180°,360°]；在系统待机情况下，如果用户点动切刀轴，使得切刀轴偏离了180°的启动位置，PLC的曲线轨迹生成模块将会根据切刀轴的当前角度重新生成启动曲线，其主轴相位区间依旧为[L1/2,L1]，从轴角度区间变为[当前角度,360°]；所述电子凸轮轨迹曲线，当切刀轴位于同步区时，曲线类型为一次函数，位于非同步区时，曲线类型为五次多项式函数。
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