引言
　　枕式包裝機(jī)又稱接縫式裹包機(jī)，是一種臥式三面封口,，自動完成制袋,、填充、封口,、切斷,、成品排除等工序的包裝設(shè)備，實際應(yīng)用中,，與相應(yīng)衍生機(jī)種,、輔助機(jī)種相配合，能實現(xiàn)食品,、日用化工,、醫(yī)藥等行業(yè)自動化生產(chǎn)線的流水包裝。適應(yīng)的包裝物為一般塊狀、筒狀規(guī)則物品,，無規(guī)則異形物品,，如：餅干、蛋糕,、化妝品,、紙巾等。包裝成品的形式有單件包裝,、集合包裝,、帶托盤包裝、無托盤集合包裝等,。
　　傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)橫封刀的運(yùn)動曲線是由機(jī)械的凸輪來實現(xiàn)的,，機(jī)械加工、安裝復(fù)雜,，運(yùn)行噪音大,，效率低；如果使用伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)電子凸輪功能,，對于機(jī)械安裝,、運(yùn)行效率會有一定的提高。本文詳細(xì)介紹BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器,，BWS-BH系列異步伺服電機(jī)在包裝機(jī)中實現(xiàn)電子凸輪的應(yīng)用,。

1. 枕式包裝機(jī)的工藝簡介

　　枕式包裝機(jī)的送膜和進(jìn)料是同步進(jìn)行的，由色標(biāo)檢測和接近開關(guān)分別對送膜和送料的位置進(jìn)行檢測,，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材?，并進(jìn)行縱向熱封，同時物料被送進(jìn)筒膜內(nèi),，一起向前經(jīng)過橫封橫切部位,，由回轉(zhuǎn)式或往復(fù)式的橫封橫切刀對筒膜進(jìn)行橫向封切，輸出包裝成品,，具體工藝流程圖和工藝結(jié)構(gòu)圖分別參照圖1,、圖2：

圖1 枕包機(jī)工藝流程圖

圖2 枕包機(jī)工藝結(jié)構(gòu)圖

2. 枕式包裝機(jī)自動化程度的發(fā)展

　　隨著食品包裝行業(yè)的飛速發(fā)展，對類似枕包機(jī)這樣的機(jī)械提出的要求是提高包裝速度與精度,，全面包裝品規(guī)格,，操作趨于人性化以及售后維護(hù)成本降低。根據(jù)枕包機(jī)的工藝不難看出,，其控制重點(diǎn)在于送料,、送膜以及橫封橫切軸三軸的配合，因此從第一代枕包機(jī)發(fā)展至今,，主要就是對這三軸的控制進(jìn)行改進(jìn)以滿足行業(yè)不斷提升的要求,，從低端到高端、從機(jī)械控制為主到電氣控制為主,，枕包機(jī)控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個階段：

階段一：單變頻
　　使用一臺變頻器加一臺交流電機(jī)來工作,，為了成比例的同時帶動橫封刀（加輸送機(jī)）跟包裝膜，需要一臺無極變速箱來根據(jù)不同的膜長調(diào)節(jié)膜軸的速度,。從而實現(xiàn)了兩路速度的輸出,，但是無極變速箱會隨著使用時間的增長出現(xiàn)磨損影響使用精度，因此有他的局限性,。橫封刀的運(yùn)行曲線是由機(jī)械凸輪來實現(xiàn)的,，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動機(jī)構(gòu)多,。

階段二：單變頻+單伺服
　　使用一臺變頻驅(qū)動橫封刀（加輸送機(jī)）,，一臺伺服驅(qū)動包裝膜，取消了無極變速箱,。各部分運(yùn)行獨(dú)立,，由PLC控制器協(xié)調(diào)兩部分速度。橫封刀運(yùn)動軌跡仍有機(jī)械凸輪實現(xiàn),。

階段三：雙伺服
　　原理同單伺服+單變頻,，但其控制精度進(jìn)一步提高。

階段四(目前最先進(jìn)的控制方式,本文介紹重點(diǎn))：三伺服
　　三個伺服分別驅(qū)動橫封刀,、包裝膜,、供料輸送機(jī)，橫封刀的運(yùn)行軌跡完全有伺服來實現(xiàn),，取消機(jī)械凸輪,，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。三部分的運(yùn)行速度需要有高性能的控制器來控制,，因此對于控制器的要求比較高,，經(jīng)過試驗的BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器，BWS-BH系列異步伺服電機(jī)能完成這項功能,，并且能提高包裝速度速度,。

3. 三伺服枕式包裝機(jī)的詳細(xì)工藝及控制要求

　　三伺服枕包機(jī)是在雙伺服枕包機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種高端枕式包裝機(jī)，其技術(shù)核心就是用運(yùn)動控制器中的電子凸輪功能替代原先的機(jī)械凸輪,，完成機(jī)器中橫封橫切與拉膜牽引以及送料的配合,，要求橫切的位置能精確地定位在包裝袋的色標(biāo)上，誤差范圍應(yīng)小于±2.5mm(根據(jù)色標(biāo)寬度定),，速度一般能達(dá)到200包/分鐘,。

3.1 機(jī)器的啟動檢測定位
　　由于在機(jī)器的整個運(yùn)行過程中保持送膜、送料,、橫封橫切軸的位置準(zhǔn)確非常重要,，軸與軸之間按照包裝物規(guī)格的不同有不同的位置對應(yīng)點(diǎn)，因此在機(jī)器啟動時就因?qū)⑷S的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，找到位置對應(yīng)點(diǎn)以便機(jī)器正常運(yùn)行時按照對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行檢測糾偏,。

三軸的偏差檢測通過不同的傳感器進(jìn)行：
　　送膜軸：膜的色標(biāo)位置通過色標(biāo)傳感器和伺服驅(qū)動器的編碼器分頻進(jìn)行檢測,。
　　送料軸：輸送帶的位置通過安裝在輸送帶的接近開關(guān)和輸送帶伺服驅(qū)動器的編碼器分頻信號位置檢測。
　　橫封橫切軸：橫封刀位置的檢測通過安裝在橫封刀上的接近開關(guān)和設(shè)定的橫封刀每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)進(jìn)行檢測,。

機(jī)器啟動時的檢測定位流程如圖3：

圖3 機(jī)器啟動時三軸的檢測定位流程

3.2 機(jī)器運(yùn)行時的工藝及控制
　　啟動檢測定位完成后,，機(jī)器將進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，其控制重點(diǎn)仍在于三軸的配合運(yùn)行,，工藝結(jié)構(gòu)及控制圖如圖4：

圖4 三伺服枕式包裝機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及控制圖

　　圖中所標(biāo)的三軸的功能及控制要求分別為：

橫封橫切軸：
　　切割包裝膜,，把每包包裝物分離，并且熱封包裝口,， 由伺服電機(jī)驅(qū)動一對帶刀導(dǎo)輥旋轉(zhuǎn)對包裝物進(jìn)行橫封橫切,，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到橫封過程的角度時,，橫封軸必須與主軸保持同步,，當(dāng)轉(zhuǎn)到其他角度時，橫封軸的速度需要改變,，橫封的周期時間與主傳送帶送入一個包裝物品的時間相同,。
　　在這里，我們將進(jìn)行橫封過程的角度稱為同步角,，同步角的大小根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)而定,，目前使用最多的角度大小是66°左右。橫封軸轉(zhuǎn)到同步角時,，必須與送料軸保持速度同步,，而轉(zhuǎn)到其它角度時，需要加速還是減速,，取決于橫封軸固有長度與產(chǎn)品長度之間的大小關(guān)系,，固有長度的定義如圖5所示：

圖5 固有長度的定義

　　根據(jù)固有長度與產(chǎn)品長度之間的關(guān)系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步角以外的角度時加減速控制要求入圖6所示：

圖6 橫封橫切軸控制速度要求

送膜軸：
　　帶動包裝膜,，夾運(yùn),，縱封軸，使包裝膜與包裝物同步,，當(dāng)包裝薄膜上需要色標(biāo)定位時,，必須在送膜軸的控制中加入糾偏，以防止滑差導(dǎo)致的累計誤差,，保證橫切位置準(zhǔn)確如圖7：

圖7 正確的橫切位置

　　送膜軸的糾偏流程如圖8所示：

送料軸：
　　按照一定的速度帶動包裝物,，把包裝物送入包裝膜中，物料間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開的,，可以保證物料被送入包裝膜時位置的準(zhǔn)確性,。但長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會因為機(jī)械損耗導(dǎo)致偏差,，因此送料軸也需要定位信號檢測進(jìn)行實時糾偏，其運(yùn)動控制及糾偏的模式與送膜軸幾乎一致,，只是檢測定位為信號采用了接近開關(guān),，與主軸同步跟隨的參數(shù)也會有所不同。

4. BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器,，BWS-BH系列異步伺服電機(jī)的介紹以及在三伺服枕包機(jī)中的應(yīng)用

4.1BWS的伺服控制系統(tǒng)：BWS-BBR輪切伺服控制器,，BWS-BH系列異步伺服電機(jī) 功能及特點(diǎn)描述
　　BWS-BBR系列是BWS伺服的飛剪型運(yùn)動控制器,，其特點(diǎn)就是可以進(jìn)行靈活,、快速的運(yùn)動控制，適合需要8軸以下伺服控制且同步協(xié)調(diào)或跟隨要求高的包裝機(jī)械,如：多伺服枕包機(jī),、連續(xù)式立包機(jī),、瓦楞紙生產(chǎn)線的送紙機(jī)構(gòu)、全伺服臥式包裝機(jī)等,。
　　BWS-BBR系列可實現(xiàn)的控制功能如表１所示：

表１　BWS-BBR的控制功能

BWS-BBR的性能特點(diǎn)有：
——根據(jù)并列分散處理性系統(tǒng),，從2軸到最大8軸穩(wěn)定的運(yùn)動控制周期（例：0.5～2ms）；
——內(nèi)置直接控制脈沖輸入輸出/模擬量輸入輸出的高速周期處理型引擎（例：從輸入信息到控制輸出1個周期0.5ms～2ms）,；
——軸控制間的控制周期的同步化,、高速脈沖起動（最高25μs～）、高速模擬量輸入輸出（40μs）,、高速計數(shù)器自鎖（30 μs）,、高速浮動小數(shù)點(diǎn)演算等；
——模塊化構(gòu)造,，可將枕包機(jī)中的理料,、飛剪等環(huán)節(jié)程序模塊化。

4.2 三伺服枕式包裝機(jī)的BWS伺服系統(tǒng)方案
　　對于三伺服枕式包裝機(jī),，BWS-BBR是一款非常合適的運(yùn)動控制器,，配合BWS伺服的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)

4.3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.3.1 主軸
　　如上所述,，在三伺服滾刀式枕包機(jī)中,，軸和軸之間的動作需要保持同步或相互協(xié)調(diào)，因此就需要定義一根軸作為主軸,，其余軸都以它為參照,，進(jìn)行同步跟隨或凸輪定位。
　　主軸可以用實際存在的三根軸中的一根來定義,，也可以用虛軸來定義,，定義成虛軸的優(yōu)勢在于可以省去控制器對主軸位置的判斷處理時間。
　　由于BWS-BBR支持虛軸功能,，因此在這里我們定義一根虛軸為主軸,。
　　本文中的虛軸實際上使用了一個MMP模塊的實際脈沖輸出通道（脈沖輸出2）,，設(shè)置方式如圖10：

圖10 MMP模塊設(shè)置圖

　　操作模式為絕對脈沖（環(huán)形模式），循環(huán)最大計數(shù)：30000,。使用SPED指令直接輸出脈沖每到脈沖值到30000時自動清零,。也就是每發(fā)送30000個脈沖相當(dāng)于包裝一個包裝物，可以根據(jù)包裝速度計算出發(fā)送的脈沖頻率,。

4.3.2 橫封橫切軸的位置控制
　　由于本設(shè)備使用電子凸輪代替了機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu),，其速度分為兩段速，因此采用APR指令與PULS指令結(jié)合應(yīng)用的方式對橫封橫切軸進(jìn)行控制,。
　　首先計算出橫封切刀的運(yùn)行曲線跟虛軸脈沖的對應(yīng)關(guān)系,，對應(yīng)關(guān)系如圖11所示：

圖11 橫封橫切軸與虛擬軸的對應(yīng)關(guān)系

　　由于BWS-BBR傳承了BWS伺服PLC的功能塊及ST語言編程功能，因此在這里計算對應(yīng)關(guān)系的算式可以用ST語言執(zhí)行,，并組成功能塊如圖12所示：

圖12橫封切刀與虛軸對應(yīng)關(guān)系計算

　　計算出對應(yīng)關(guān)系后,，將對應(yīng)關(guān)系得數(shù)據(jù)輸入APR指令的CAM表如圖13，再由APR指令根據(jù)虛擬軸的實時位置信息求出橫封橫切軸的位置,，如圖14：

圖13 APR指令表的制作

圖14 APR指令執(zhí)行

　　由于BWS-BBR中的PULS指令經(jīng)過設(shè)置只需要給定絕對位置值就會自動計算出輸出頻率控制伺服系統(tǒng),，因此最后只需將APR指令中橫封橫切刀的位置地址作為PULS指令的目標(biāo)位置，即可完成橫封橫切軸的凸輪控制,，如圖15：

圖15 PULS指令執(zhí)行

4.3.3 送膜軸的位置控制
　　送膜軸的位置控制跟橫封刀的方式相同,，只是由于包裝膜的張力的變化會發(fā)生位置的偏差，在工作中必須進(jìn)行修正,。
　　首先計算出送膜軸運(yùn)行給定的袋長需要的脈沖數(shù),，然后與虛軸的脈沖數(shù)進(jìn)行線性對應(yīng)，隨時讀取虛軸的脈沖值,，然后根據(jù)線性關(guān)系求出膜軸應(yīng)該對應(yīng)的位置脈沖,，通過PULS指令進(jìn)行輸出。
　　如果出現(xiàn)色標(biāo)偏差可以修改袋長對應(yīng)的脈沖數(shù)的最大值,，即修改了線性對應(yīng)關(guān)系,，如圖16所示，從而在下一周期中改變膜軸的位置,，保證色標(biāo)位置的準(zhǔn)確性,。

圖16膜軸與虛軸點(diǎn)數(shù)線性對應(yīng)關(guān)系圖

　　在這里需要注意的是：檢測出偏差后，需要進(jìn)行判斷色標(biāo)是超前還是滯后（可以在功能塊中計算,，ST語言比較合適）,，但是超前和滯后會有四種情況，有超前一個袋長的情況,，沒有一個袋長的情況,；滯后一個袋長的情況，不到一個袋長的情況,，如果不注意處理,，就會發(fā)生誤糾偏的情況,。在這里，我們?nèi)杂肧T語言編寫功能塊,，對此情況進(jìn)行處理,，功能塊與ST源代碼如圖17、18所示：

圖17 糾偏判斷功能塊

圖18 糾偏判斷的ST源代碼

4.3.4 送料軸的位置控制
　　送料軸的位置控制方式與送膜軸的控制方式相同,，只是參數(shù)有所變更,，在此不再敘述。

4.3.5 其他注意事項
　　需要注意PULS指令的過零點(diǎn)判斷,，如果判斷不好會出現(xiàn)伺服倒轉(zhuǎn),、突然高速運(yùn)行、抖動的情況,。
　　另外,，如果伺服參數(shù)調(diào)整不對也就是伺服的相應(yīng)不一樣,，在高速時會出現(xiàn)色標(biāo)的偏差,，此偏差不易在程序中修正。

5. 結(jié)束語

　　經(jīng)過測試,，設(shè)備可按照客戶原先提出的以下要求正常運(yùn)行：
①提高包裝精度,，正常可以達(dá)到120～200包/分,；
②減少機(jī)械結(jié)構(gòu),，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，省去機(jī)械凸輪,，易于維修,，同時減少工作噪音；
③使用觸摸屏操作使操作方式人性化,；
④使用方便,，操作簡單，即便出現(xiàn)故障只要簡單處理就可繼續(xù)運(yùn)行,。
⑤系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，特別重要。

　　整個系統(tǒng)設(shè)計過程中,，BWS伺服的BWS-BBR系列的電子凸輪功能,、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,、實時糾偏等功能,，是目前很多OEM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,，在實現(xiàn)這些功能的同時，能夠?qū)⒃鹊纳a(chǎn)效率提高2～3倍甚至更多,，在不久的將來會成為主流趨勢,，而BWS-BBR在三伺服枕包機(jī)中的成功應(yīng)用也證明了BWS伺服在遇到此類機(jī)械的開發(fā)時有很好的產(chǎn)品對應(yīng)，在此領(lǐng)域中的應(yīng)用將會越來越多,。

參考文獻(xiàn)
[1] BWS伺服BBR系列輪切型伺服編程手冊
[2] BWS伺服BBR系列輪切型伺服操作手冊