贝加莱ACOPOS在热收缩膜包装机上的应用

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前言

紧凑的外形尺寸和卓越的性能是对现代伺服驱动器的重要要求。贝加莱驱动系统在与所选电机完美匹配的同时亦能兼顾机械性能的要求。对于需要卓越动态性能和定位精度的应用，ACOPOS系列也有非常适合的同步伺服电机。高能磁路和拥有专利权的线圈排布方式确保了结构的紧凑性。贝加莱可编程控制器（PCC）系统和伺服控制（ACOPOS）系统在啤酒包装生产线上的应用完全能够满足膜包机所有电机的基本运动控制和它们之间的同步运动控制。

系统的配置与方案

一般的，膜包机可以由主驱动、进瓶、分瓶、送纸板、送切膜和热通道六个部分组成。按照不同的设计思想，各个厂家生产的膜包机的机械结构不尽相同，所选择的可编程控制系统以及伺服控制系统也不一样。本文将以国内某知名膜包机为例，介绍贝加莱可编程控制器（PCC）系统和伺服控制（ACOPOS）系统在其中为电气控制部分的应用。

1.膜包机的硬件机构

拥有同步电子齿轮、电子凸轮的伺服控制系统早已经取代繁的机械凸轮机构，可以比较容易的按照设计者的要求实现运动对象之间的同步关系。膜包机的几个运动机构就是使用了伺服电机作为驱动轴，完成了从进瓶、送纸板到送切膜的任务。使用一台伺服电机的主驱动会作为其他几根轴的同步对象，所有的角度相位关系也都根据主驱动电机而定。图1为五个电机在机器中的大致位置。

2.控制系统

使用贝加莱的伺服控制系统完全能够满足膜包机所有电机的基本运动控制和它们之间的同步运动控制。集成了包装过程中的逻辑控制并带有显示功能的人机面板PP41，一方面可以通过参数的输入给运动控制部分传达命令以及运动特征参数，另一方面可以及时反馈当前机器的运行状况和报警状态。

（1） 现场总线（CAN BUS）

CAN总线具有强有力的错误检测能力及差分驱动功能，在强噪声十分苛刻的环境中仍运行良好，因此，在传媒传输和线路设计方面，CAN总线可以很容易的适合大多数应用场合。

通过现场总线（CAN BUS）的连接，人机面板（PP41）和各个伺服控制器之间的通信变得十分可靠，尤其为伺服运动控制系统中的在线修改同步特征参数提供了保证 （图2）。

（2） 基本运动控制

贝加莱的伺服运动控制系统（ACOPOS SERVO）采用了面向对象型的控制方式。在贝加莱开发平台Automation Studio中使用高级语言（Basic 或者 C），只要针对一个伺服控制器创建一个运动对象（Axis Object）后，就可以利用创建的指针完成对电机不同的运动控制。

膜包机的各个电机的单独调试与寻参、主驱动的起停、以及分瓶电机的配合都会用到基本运动控制。这样的控制方式目标明确，便于控制程序的编写。

（3） 同步运动控制

同步运动控制是根据一定的数学模型，一个伺服电机相对于另一个伺服电机要完成一定的运动轨迹所作的控制，也就是通常所说的电子齿轮和电子凸轮的概念。

对于ACOPOS SERVO来说，参与同步的两台伺服电机具有主从关系。膜包机的同步运动控制一般是在位置上的同步。在CAN总线上，主轴会把当前的位置信息以一定的微小间隔时间传送至CAN网络上，而参与同步的从轴也会实时地取得这些信息，再实时地根据数学模型计算出当前从轴要走的位置，并且运行当前的轨迹。

通过数学模型，我们可以得到从轴相对于主轴的轮廓关系（Profiler）。这些轮廓的特征参数在电机参与同步之前要下载到伺服控制器中。PP41会利用CAN总线完成参数的下载任务。ACOPOS SERVO可以一次设定11组轮廓关系，使用事件（Event）的方式，使从轴可以在设定的轮廓关系组中按照运动的需要方便的跳转。事件的触发可以有很多种，可以使用PP41向下发送4个SIGNAL信息，也可以是伺服控制器上的2个触发信息。因此，我们可以把主从的轮廓关系按照一定的要求分解成几个阶段（State），通过阶段之间的跳转，可以完成不同阶段的同步要求。

在膜包机中，送膜电机在接收到送膜信号后，当主电机再运行到一定相位时开始同步运动，直至主电机完成一个周期，送膜电机也完成一次送膜任务。我们可以分成3个阶段，即送膜电机等待送膜信号、主电机到达送膜起始相位，以及跟着主电机完成一次送膜任务。送膜时，要根据先慢后快的原则，最后一个阶段还可以再次细分成几个阶段。

（4） 虚轴概念

在ACOPOS SERVO中，针对每一个伺服电机而创建的运动对象都具有一个虚拟的轴，也就是虚轴。这个虚轴和实轴一样，一方面能够作为从轴，跟着主轴完成同步轨迹，另一方面还能够作为主轴，让其他从轴参与同步。由于虚轴概念的引入，使得一个伺服电机也能够和自己的虚轴发生同步关系。

如果在送膜电机和主电机之间加一个主虚轴，那么可以把等待送膜信号、等待主电机的起始相位、与主电机完成一个周期这3个阶段的轮廓关系加在主虚轴上。送膜电机可以与主虚轴同步，完成先慢后快的几个阶段的同步任务。这样，可以在主电机不运动的情况下，让虚轴走一个周期，送膜电机就能够完成一次送膜任务，也就是手动送膜一次，便于一开始送膜位置的前后调整。

控制过程中的功能实现

ACOPOS SERVO在膜包机中要完成的任务是：驱动推瓶杆和挑膜杆、送纸板、送切膜和分瓶。其中发生同步关系的任务有送纸板、送膜和切膜。图3示意了几个轴之间的主从关系，箭头左边为主，右边为从。送瓶电机虽然没有参与同步，但是在分瓶过程中，它和压板、挡板都是以主电机的相位角度作为依据，执行着相互关联的起停，共同完成分瓶任务。

1.白膜的送切

送膜和切膜是膜包机中最重要的环节，也是控制过程中最困难的部分，尤其是送膜。

根据工艺的要求，当送膜起动后的开始阶段，出膜的速度应该和待包的一组瓶的速度保持一致，压在纸板下膜的部分应该是预先设定的长度，而且不能够发生卷曲。剩下的几个阶段要快速出膜，以保证挑膜杆能够不受阻碍地将后面的薄膜挑出。挑膜的这几个阶段的速度一定也要控制的适当，过快会导致薄膜曲皱，过慢会引起挑膜杆受阻。无论是几个阶段，也不管中间出膜的速度快慢，最终一定要保证主电机在执行一个周期后，送膜电机也要正好完成一次送膜。也就是送膜电机和主电机的一次同步。