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牙签包装机控制系统
摘要：近年来，随着国民经济的不断发展，传统的手工牙签包装已经无法满足市场的需求。为了提高生产效率，降低生产成本，本文基于四方CA100伺服系统所设计的牙签全自动包装机控制系统，自动完成送膜、包装、封膜及切割，运行稳定、生产效率高。
关键词：牙签包装机，伺服，控制系统
1 引言
包装机械大致可以分为立式包装机与枕式包装机。牙签包装机属于立式包装，它主要依靠自身重力，必要时辅以一定的机械作用便可完成包装，而且立式包装机一般都具有两种包装功能，机器运转时采用哪种包装方式取决于包装膜上分是有光标还是没有光标的。没有光标的包装膜只需满足所有机构线速度相同即可，而采用光标裁切，则需通过光标定位实现包装。近日，采一套基于四方CA100伺服驱动器及触摸屏所设计的牙签全自动包装机控制系统成功应用于浙江某机械厂，运行稳定、生产效率高。
2 工艺分析
牙签包装机主要由送膜装置、送料装置、封膜装置以及切割装置构成。其中送膜在设备的前后各有一部分，由送膜辊和送膜轴组成，主要负责把上下两层包装膜平整、均匀地送至封膜处，并与送料装置送来的牙签一起横向封合。随后在送至切割装置进行分包切割最后送至成品区。整个包装的工艺流程如图1所示。
牙签包装机实物如图2所示。膜通过送膜轴带动送膜辊旋转送入封膜辊中，在初始位置有一个色标传感器，它通过与非色标区相比较来检测特定色标或物体上的斑点。色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。其中，送膜辊和拉膜辊是同步相连，封膜辊和切刀辊是同步相连，从而简化了整个设备运行的过程。
3 控制系统原理及架构
牙签自动包装机控制系统整体结构如图3所示。
系统由传统上下位机结构组成，上位机由EM1-070E系列触摸屏作为人机界面进行设备操作、参数设定及显示等功能。下位机是一台运动控制器，完成自动运行过程中送膜轴和封膜轴的定位控制。执行机构由CA100系列伺服系统完成。
包装机有两种工作模式：即膜有光标和无光标。无光标情况下，两个伺服间只需要进行简单的速度同步，使得送膜辊和封膜辊在线速度上一致，保证整个膜在运行过程中各部分速度相同即可。而有光标模式下，封膜的位置必须严格与色标的位置重合，这就需要送膜轴和封膜轴二者之间建立位置凸轮关系，在送膜轴将色标送到封膜辊处，封膜的封口也需要同一时间到达相同的位置，二者之间类似一个飞剪机构，整个过程由运动控制器控制伺服完成。
4 系统硬件及调试
牙签自动包装机控制系统的硬件部分主要包括伺服系统，运动控制器，触摸屏这几部分，其中在整个设备运行过程中最重要的还是伺服系统，它决定了控制系统的整体定位精度以及响应性。
4.1 伺服系统及参数设置
伺服系统主要包含了送膜伺服和封膜伺服，本次设计中送膜伺服选用了CA100-T3R0AP系列，封膜伺服为CA100-T4R5AP，主要参数如下表所示：
4.2 整机调试
整机调试为测试系统的整体性能是否能满足实际生产的各项要求。整机调试需要注意以下问题：
（1）有光标模式下，设备启动前必须回零。
（2） 由于是面板电位计进行自动时速度调节，调试时开机前请确认速度是合理。
4.3 系统电气图
牙签自动包装机控制系统的电气图如图4所示。
5 系统软件设计
5.1 上位机软件设计
HMI主界面如图5所示，可进行产量的设定，并显示设备的当前运行的速度、产能、产量、机械和报警状态等信息。整个人机界面分配了两级用户，分别提供给终端用户和设备厂家，二者各自有各自的登陆ID及密码，在特定的界面中，不同级别的用户享有不同权限的参数设置。
如图6所示参数设定界面，所有用户均可对机械及包装参数进行设定，满足更多包装的场合。设备的运行方式及界面的语言均可以在此界面中进行修改。
参数设置界面
5.2 下位机软件设计
下位机软件主要是运动控制器的程序设计。主要包括色标检测纠偏、色标遮没及偏离、送膜和封膜两轴的电子凸轮控制三大部分。
由于机械以及色标喷涂的误差，设备运行过程中色标与封膜位置会出现偏差，为了产品的质量，因此必须进行纠偏。本此设计的控制系统利用在送膜初始端的色标传感器检测的色标个数计算出膜所行走的距离，与封膜电机编码器反馈回的脉冲所折算的距离进行比较，得出的偏差在凸轮控制中进行补偿，使得色标与封膜位置始终保持在同一位置合理误差范围之内，保证了成品的质量。
程序内色标内遮没功能，可有效避免包装膜污染，色标错印所引起的光电误动作，增加了整个系统的稳定性。并且在色标偏离色标传感器检测范围时，系统会自动停机并报警告知操作员。
6 结束语
本文基于四方电气机电产品所设计的牙签自动包装机控制系统，较好的解决了传统的手工牙签包装的效率低、成本高的问题。程序内部采用色标纠偏算法及凸轮控制，解决了生产过程中色标偏离、位置不准的问题。采用四方CA100系列伺服及EM1系列触摸屏，性能稳定、兼容性好、操作简便。系统稳定可靠，生产效率高，满足实际生产需求并得到了最终客户的认可。
参考文献
1、深圳市四方电气EM1系列触摸屏编程手册. 深圳：深圳市四方电气技术有限公司. 2016
2、深圳市四方电气CA100系列伺服驱动器使用说明书. 深圳：深圳市四方电气技术有限公司. 2016
