本文主要介紹了永宏產(chǎn)品在油包包裝機上的應用，其中包含行業(yè)情況、設備介紹、設備工藝以及永宏產(chǎn)品的實際應用情況。油包包裝機是立式包裝機的一種，行業(yè)應用廣泛，如食品行業(yè)、日用化工、茶葉、醫(yī)藥等行業(yè)自動化生產(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，自動化設備的需求也隨之增長，特別體現(xiàn)在包裝機械行業(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?。然而隨著科技發(fā)展，市場需求也在發(fā)生變化，更多的追求品質(zhì)與效益，因此對包裝機械也提出了更高的要求。

　　目前市場上的包裝機械，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)品的性價比越高越能在其中脫穎而出。

圖1 油包包裝機

　　1.2 方案背景

　　油包包裝機是立式包裝機的一種，市場上使用的控制系統(tǒng)方案有很多，較老的機型有用脈沖型PLC,依靠編碼器反饋，再經(jīng)過計算控制相應伺服電機動作，實現(xiàn)設備要求，該方案的缺點是速度不快，效率不夠高。

　　另一方面，傳統(tǒng)的油包包裝機，縱封、橫封、冷封、的運動軌跡是由機械齒輪，通過鏈條傳動來實現(xiàn)的，機械加工要求高、設備安裝復雜，運行噪音大，效率低，維護困難;而使用MPLC的電子凸輪功能代替機械凸輪，對于機械安裝、運行效率等都會有很大的提高。油包包裝機包含制袋、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、設定簡單、運行穩(wěn)定、性價比高。

　　1.3 客戶需求

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

　　油包包裝機采用大功率電熱棒加熱方式，其特點為上溫快，穩(wěn)定性好，維修成本低等特點，封口溫度和電機傳動速度穩(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;機械結(jié)構(gòu)新穎美觀，操作維修方便等，既可用于無商標包裝材料的包裝，也使用于印有色標的包裝膜進行高速包裝;需要連包計數(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，切點位置，產(chǎn)量統(tǒng)計等;設備能記憶輥軸當前位置，一鍵啟動，無需繁雜的手動復位等。圖 2為設備包裝完成實物圖。

圖2 設備包裝完成實物圖

　　2 方案配置

　　2.1 方案說明

　　根據(jù)設備工藝和控制要求，油包包裝機的控制系統(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,實現(xiàn)橫封、冷封、切刀凸輪運動控制;上位機選擇C2系列C2070NA-GF的觸摸屏作為操作界面，用于功能選擇設置、參數(shù)修改、手動調(diào)試、運行狀態(tài)檢測、故障報警提示等功能;伺服系統(tǒng)選擇A6系列的DA6-0003H2G04S總線驅(qū)動器和MA6-040D3065A06C26的23位絕對值伺服電機，實現(xiàn)拉膜、封口、切斷等動作。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 技術指標

　　表1為設備技術指標。

表1 設備技術指標

　　3 設備介紹

　　3.1 機械機構(gòu)

　　油包包裝機主要有9部分組成。圖5為油包包裝機機構(gòu)說明圖。

圖5 油包包裝機機構(gòu)說明圖

　　(1)縱封軸

　　縱封軸也是拉膜軸，帶動包裝膜，夾拉、整形、縱封。根據(jù)控制要求不同，在運行過程中采集色標檢測傳感器信號，當系統(tǒng)切換到色標模式時，每一刀都要切在色標點上，因此必須在縱封軸的控制中加入補償，以防止薄膜滑差導致的累計誤差。

　　(2)橫封軸

　　由伺服電機驅(qū)動一對輥軸旋轉(zhuǎn)，對包裝物進行橫向熱封，同時觸發(fā)注料電磁閥進行注料，在橫封軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當轉(zhuǎn)到嚙合的角度時，橫封軸必須與主軸保持同步，當轉(zhuǎn)到其他角度時，橫封軸的速度可以改變，保證橫封的周期時間與拉膜主軸送一個袋長的時間相同。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，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，取決于橫封軸的周期與產(chǎn)品長度之間的大小關系。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)品長度之間的關系，橫封軸轉(zhuǎn)到同步區(qū)以外的角度時速度控制要求。圖6為橫封軸非同步區(qū)速度與產(chǎn)品周期關系圖。

圖6 橫封軸非同步區(qū)速度與產(chǎn)品周期關系圖

　　(3)冷封軸

　　冷封軸與橫封軸機構(gòu)一樣，運行軌跡也相同，相異于橫封軸，冷封軸不需要加熱，在嚙合處根據(jù)客戶實際需要，裝上特定的鋼印碼，生產(chǎn)時在封口處印上相應鋼碼，比如生產(chǎn)批號，logo，等特殊標記。

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

　　(4)切刀軸

　　切刀軸單獨一個機構(gòu)，包含手動離合器、旋轉(zhuǎn)刀頭、切斷刀頭、分包刀頭等。

　　油包包裝機可以根據(jù)客戶實際生產(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現(xiàn)。連包切割數(shù)量可自由設定，計數(shù)數(shù)量沒到時分包刀頭伸出，在封口處切成鋸齒狀，又沒有完全切斷，計數(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，只需要包切斷刀頭伸出，即可實現(xiàn)每包切斷。

　　(5)撕口電機

　　撕口電機，機構(gòu)由一個直流電機帶動刀片旋轉(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，撕口電機的啟動時機不同，需要經(jīng)過計算。

　　(6)打標機

　　根據(jù)客戶使用需求，是否選擇啟用打標機，打印日期、時間、生產(chǎn)批號等，打標時機可以在觸摸屏調(diào)整設定，以滿足不同包裝膜不同圖案的要求。

　　(7)攪拌電機

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

　　(8)加熱部分

　　縱封加熱，包裝膜經(jīng)過縱封加熱機構(gòu)時，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設備工藝介紹

　　3.2.1工藝描述與流程

　　油包包裝機自動完成打碼、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行的，根據(jù)規(guī)劃好的電子凸輪曲線動作，由色標檢測信號對送膜的位置進行檢測，薄膜經(jīng)成型器成型后變?yōu)橥材?，并進行縱向熱封，同時根據(jù)設定的角度進行注料，由回轉(zhuǎn)式的橫封輥軸、冷封輥軸對筒膜進行熱封封口、冷封壓緊，再向下由切刀軸對筒膜進行切斷，最后輸出包裝成品。圖7為油包包裝機流程圖。

圖7 油包包裝機流程圖

　　3.2.2工藝結(jié)構(gòu)圖

　　圖8 為油包包裝機工藝結(jié)構(gòu)圖。

圖8 油包包裝機工藝結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.3 控制流程

　　按照控制工藝和控制要求，油包包裝機最終確定為如圖9所示的控制流程圖。

圖9 油包包裝機控制流程圖

　　3.3 電氣分布

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

圖10 油包包裝機電氣控制原理圖

圖11 油包包裝機電氣控制柜接線圖

　　3.4 IO配置

　　根據(jù)控制要求和設備工藝，規(guī)劃IO點位，圖12為油包包裝機IO配圖。

圖12 油包包裝機IO配置圖

　　3.5 HMI畫面設計

　　根據(jù)控制要求以及人機交流的實用性、美觀度等，結(jié)合客戶要求規(guī)劃如圖操作界面，圖13為開機畫面，在此畫面可以跳轉(zhuǎn)到任何設置畫面;圖14為主畫面，此畫面顯示/設置生產(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)設置畫面，為設備出廠時設置的畫面，進入此畫面需要輸入密碼，而且只有工程師才有權限。

圖13 開機畫面

圖14 開機畫面

圖15 系統(tǒng)參數(shù)設置畫面

　　4 方案綜合

　　4.1 方案特點

　　(1)電子凸輪功能

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

　　(2)系統(tǒng)操作便利性

　　其他品牌控制系統(tǒng)的油包包裝機，參數(shù)設置繁瑣，切換不同規(guī)格的包裝膜要調(diào)整十幾個參數(shù);每次啟動都需要手動回原點等;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，只要輸入對應袋長就能自動生成凸輪曲線進行生產(chǎn)，比如開機時，一鍵啟動，自動找原點等等，使系統(tǒng)操作更加便利。

　　(3)設備通用性

　　該油包包裝機可實現(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)設置人性化

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

　　5 方案優(yōu)勢

　　l 速度快：75mm袋長時，運行速度可達到130包每分鐘;

　　l 精度高：色標模式切點精度達到±1mm;

　　l 適應性：方案提供定長模式、色標模式、色標修正等功能適應各種應用場景。

　　6 其他說明

　　該油包包裝機設備廠家有用過其他廠牌的控制器，但都達不到客戶要求：

　　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1mm達不到客戶要求。

　　7 方案難點

　　7.1同步參數(shù)及凸輪應用

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

　　由于設備需要適應多種規(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，設定對應軸的同步參數(shù)，指定輸入軸(主軸)輸出軸(從軸)，設定輸入軸周期，輸出軸周期，離合器ON延時，凸輪輸入相位等。根據(jù)主從軸關系設定同步參數(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 色標補償計算

　　色標模式時，由于包裝過程中包裝膜的張力會發(fā)生變化導致色標位置的偏差，因此在實際運行時要進行補償，本方案根據(jù)計算的結(jié)果利用相位補償功能進行疊加補償動作，以保證封口和切刀每一次都在色標點上。

　　(1) 補償步驟

　　A. 色標信號中斷采集拉膜軸當前位置，并記錄;

　　B. 色標采集時到PLC接收到信號存在時間差，觸發(fā)補償時，通過設置固定滯后時間去推斷實際位置;

　　C. 觸發(fā)補償時，采集拉膜軸位置和橫封、冷封、切刀軸位置;

　　D. 計算補償值，分別補償。

　　(2) 計算公式：

　　當前位置=色標至橫封點長度/拉膜周期;

　　拉膜軸位置=拉膜軸實時位置+滯后長度-色標采集位置;

　　色標位置=色標至橫封點長度-拉膜軸位置;

　　橫封軸理論位置=拉膜軸周期/2-色標位置;

　　補償值=橫封軸理論位置-橫封軸實際位置;

　　注：冷封軸與切刀軸的計算方式與橫封軸一樣。

　　8 方案總結(jié)

　　在整個系統(tǒng)設計過程中，永宏M系列PLC的電子凸輪功能、同步總線高速運算功能起到了關鍵作用，使得機器在保證切刀位置精準的情況下高速穩(wěn)定地運行。

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

圖18 油包包裝機生產(chǎn)成品

　　【參考文獻】

　　[1] 永宏可編程控制器使用手冊I 和使用手冊II.臺灣永宏電機股份有限公司

　　[2] 永宏PLC編程軟件使用手冊.臺灣永宏電機股份有限公司

　　[3] 永宏MPLC操作手冊.臺灣永宏電機股份有限公司