毕业设计论文-包装机三轴同步控制算法研究

1、好文档1 绪 论1.1课题研究的背景和意义 随着社会的发展、生活水平的提高，人民对商品包装提出了更高的要求。与人民生活和工农业生产密切相关的生活日用品、营养食品、药品，种子、化肥、农药、化工原料等工农业生产用品，都需要精确的定量包装。这些物料如果用手工进行包装，其劳动强度大，速度慢，效益和质量差;而食品、药品类若采用手工包装不能满足卫生要求。因此，需采用自动包装机来完成这些工作。包装机械是现代包装工业的基本设备，是商品生产中必不可少的关键性技术设备。随着人类社会的进步，国民经济的发展，人民生活水平的提高，人们越来越重视包装的质量、品种类型，包装机械在包装领域中起着重要的作用。包装机械是使产品包

2、装实现机械化、自动化的根本保证。它能够大幅度地提高生产效率;降低劳动强度，改善劳动条件;保护环境，节约原材料，降低产品成本;有利于被包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售的竞争力;由于包装机械的计量精度高，产品包装的外形美观、整齐、一、封口严密，提高了产品包装的质量，增强了产品销售的竞争力，可获得较高的经济效益;延长产品的保质期，方便产品的流通。包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小，因而获得较强的市场竞争能力，带来巨大的社会效益和经济效益。自动包装机被堪称为拥有漫长发展历史和富有强大生命力的主导机型。现已被各国视为前景较好的包装机械。由于现

3、有国产袋成型自动包装机存在的软硬件问题，并且缺少相应的设计指导理论，所以对其进行研究改进是非常有意义的。包装容器的制袋一充填一封口，是包装工艺中必须的工序。充填的精确影响到厂家经济效益;封口的好坏则影响包装产品的外观质量和保质期。因此，包装质量在很大程度上取决于袋长的精确控制以及封口质量，所以封口机构及其控制的研究改进对提高制袋质量有着重要的意义，本研究对整机结构了解的基础上，针对纵封、横封的封口形式完成了对薄膜输送系统等关键部分软硬件设计，其在实际生产中也具有十分重要的指导意义.1.2国内外研究现状为满足现代商品包装多样化的要求，目前国内外开始不断发展适应多品种、小批量的通用包装机械和设备，

4、从而使得包装机械的形式日趋增多。袋成型自动包装机是将具有热塑特性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。按包装物料的不同，可分为如下的几类:(1)粉粒料包装设备。如小袋奶粉、咖啡等物料的包装。(2)流体、半流体粘稠类包装设备。如调味品、酱类、油脂类等物料的包装。(3)定型类包装设备。由于固体定型类物料的大小及形状差异颇大，所以需根据不同的物料，采用不同的充填形式，或采用电子称量机计量。1.2.1国外袋成型包装机发展现状国外袋成型包装机发展全面，优势明显，主要特点有:l、结构设计标准化、模组化。用一台包装机完成对不同物料的包装时

5、，利用原有机型的模组化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其它包装形式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。如利用枕型包装机稍加调整就可实现三角袋的包装。2、包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为3080袋/分，近些年来很多公司推出的多列式包装机(从2列到10列)可使包装速度大大提高。如意大利ILAPAK公司的300和400系列枕型包装机，计量范围1504509，包装速度120袋/分;日本横滨电机制作所的YDE一70型四边封合包装机，计量范围:0.530ml，可以210列，最高速度为800袋/分;日本三光机械的FC一1000型小袋枕型包装机，最高可达12列，速度可达

6、1000袋/分。3、结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制(NC)动力负载控制PLC等高精密执行机构控制各种动作，使整机的充填计量精度和制袋精度都有所提高。如日本东京自动机械的SIGMA3型粉末计量机，配有可调速驱动马达，采用螺杆下料充填，最大充填为每次1.ZKg，充填精度60.25%;日本，丫少社的台式液体充填机，根据不同机型充填量可做到0.1600ml，充填精度为0.5%。4、控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，一目了然。标

7、准的色标跟踪光电系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法。5、包装形式多样化。国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕形袋，还有风琴式、自立袋等。用户可以根据市场的需要，具有更大的选择空间。国外的袋包装机执行机构和传动系统趋于简单，横封、纵封等动作的执行机构采用气动元件，包装动作简捷快速，整机噪声小;采用变频调速装置，实现无级变速，不仅调速范围大、平滑性好、低速特性，而且可实现恒转矩调速，节电效果也十分明显。1.2.2国内袋成型包装机发展现状 我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段。

8、而且由于用户的技术水平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需要就像一座“金字塔”。对高、精、尖设备的需求就是塔尖，越尖端的设备需求越小;对中、低档设备的需求就像“金字塔”底部，量大面广，商机无限。随着市场需求的不断增加，九十年代后，我国袋成型自动包装机有了较快的发展。通过参考国外产品，进行消化、吸收及自主开发、研制，技术上有了很大的提高，计量范围从lg到1000g不等，特别是产品功能和自动化方面也有了长足的进步。我国通过参考国外同类型产品，进行消化、吸收及自行开发研制，技术上有了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛，机型分为立式和卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒和

9、固体物料，包装形式有枕形袋、三封袋、四封袋、砖形袋、屋形袋、角形自立袋等多种类型。通过PLC和PC控制技术的不断推广和应用，使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。我国生产的袋成型自动包装机以普通型、通用型为主，即在同一台设备上，同一竖直方向上自动完成包装袋成型、计量、打印日期、充填、封口、切断、输出等工序。包装物料一般为:液体、粘稠体、颗粒物料、粉料、膏体、片剂、膨化食品等。充填计量方式一般为:容积式、称重式。容积式又可分为量杯式、旋转阀式、柱塞式:称重式又可分为电子秤、杠杆秤两种。有些包装机还采用组合式，如粗供料采用容积式，精供料采用称重式等。所用包装材料主要是具有可热封的塑料单膜

10、和各种复合膜(如:纸一塑复合、塑一塑复合、铝一塑复合等)。包装成形袋以扁平袋为多(如:枕形袋、三边封口袋、四边封口袋)。热封方式主要有:往复式、L型闭合式、旋转式。国产中型袋包装机多采用的横封装置是连续对辊式，其缺点是开机和关机时，在辊轮中间都要夹持部分包装材料，既难于清洗，又浪费材料。小型袋包装机，横封装置采用的是扇形开合的封口方式，当包装袋的尺寸扩大后，其封口质量难以保证。客观地说，我国生产的袋成型自动包装机综合性能指标与国外先进国家的产品相比还存在着很大差距。比较突出的问题是;机械加工工艺技术水平低;机构动作的同步、协调性差;关键零部件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差;生产速度一般都比

11、较慢，自动化水平不高，自动化调节、自动化控制水平低;设备的可操控性差，维护保养较麻烦;充填精度低、速度慢;外观造型和表面质量差。1.2.3自动包装机存在的问题据调查，现有自动包装机存在以下问题:1.包装机长期存在着包装材料(薄膜)输送速度难以控制的问题，薄膜输送速度不稳，对袋长精度和袋形质量的影响很大:工作初期和末期，带膜卷的直径变化很大，转动惯量变化，造成包装材料输送时拉力不均匀，使得封袋长度变化，袋长控制精度不高。2.包装精度(充填精度)低且工作时不稳定。3.包装速度低:目前国产包装机的包装速度，小袋包装在60120袋/分之间，包装速度超过80袋/分时包装质量将下降;中袋包装为3560袋/

12、分。国外设备的包装速度已达到小袋包装为1200袋/分，中袋包装为160袋/分。3.封口质量难以保证。(l)外观质量。国家规定，包装袋的封口处应平整、网纹清晰，不得有灼化和压穿现象。而现有的包装机不能很好的达到国家的标准;(2)包装成品的封口强度低;(3)由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用，在塑料袋内壁上会吸附细小的被包装物粉粒，若不除去会造成横封口处封口不牢，严重影响包装袋封口质量。(4)自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。传统的包装机的封口机构，其左右封块是扇形开合，封口部位热封时间不同，导致封口处不平滑，部分灼化或者部分强度不够。两横封块机构采用左横封块运动时，

13、两横封块对包装袋的作用力不同，会造成其封口不匀。而且封口周期长，包装速度慢。自动包装机的功能多样、种类繁多，如枕式自动包装机、立式自动包装机等，其中本课题是以新型三伺服枕式自动包装机为研究平台展开的。1.3 自动包装机基本结构概述枕式自动包装机普遍采用的流程如图1-1所示，根据不同的机型，包装流程及其机构会有所不同，但包装原理大同小异。图1-1 自动包装工艺流程Fig.1-1 The flowchart of automatic packaging新型三伺服枕式自动包装机的执行机构由自动接膜装置、物料输送机构、制袋成型器、牵引辊轮、纵封辊轮、横封切断装置和卸料传送装置等组成，图1-2所示是新型

14、三伺服枕式自动包装机工作原理图。图1-2 三伺服自动包装机工作原理图Fig.1-2 Working principle of thr-servo automatic packing machine从图中看到，该机横封切断辊刀、包装膜轴和卸料传送带、送料拨叉轴分别由单独的伺服电机作为动力。该机集自动送料、包装物品、封口、切断于一体，是一种高效率的连续式的包装机，广泛应用于食品、肥皂、药品等的自动包装上。其包装材料为复合材料，采用卷筒薄膜供料，由牵引辊轮经导向辊进入制袋成型器，由于受成型器作用，薄膜自然形成卷包的形式。同时待包装物品由供料链拨叉推动至薄膜卷包的空间。卷包的薄膜在牵引辊轮的作用下向前

15、运行并被纵封辊轮实施纵封热融封合。包装物品在最后由横封辊刀封合切断，形成一个包装成品，由卸料传送带输出。由于其包装形式为枕状，故称其为枕式包装机。1.4 本文的研究内容为满足客户对新型三伺服自动包装机功能和性能的需求，以自主研发的多轴（四轴）通用运动控制器为平台，在现有研究成果的基础上，本课题通过软件算法进行新功能的开发，提高包装机的整体性能，完善之前的研究成果。主要进行了以下几个方面的工作：（1）根据用户对包装机性能的特殊需求，对控制系统的软件进行改进，且验证了设计方案的可行性及研究包装机控制系统的可靠性（2）用UML建模语言，针对新型三伺服自动包装机新功能的开发，给出了基于UML模型的软件

16、设计方法。（3）采用三台伺服电机分别控制横封刀轴、包膜轴和送料轴独立运动，采用基于电机编码器位置的控制方式，实现了包装过程中定长与追踪两种包装模式。将追踪量与PID补偿算法相结合，实现了合理的位置偏差补偿，提高了包装精度。（4）为了满足用户防止切料、保护横封刀的要求，开发了电子防切功能，在横封之前提前检测到是否切料，并作出相应的处理，提高了生产效率。 枕式包装机采用三伺服方案，使得控制更加方便，机械结构大大简化，速度快，效率高，便于操作。具有电子防切断功能，在物料进入成型器后，如果物料检测传感器检测到物料错位时，即实现横封辊刀停止，送膜轴与送料轴继续运动，将错位的物料送出横封辊刀，然后实现自动

17、开车正常加工。这样就可以实现对横封辊刀的保护作用，同时不影响生产的继续进行。对于拨叉中有空料的情况，通过空包检测传感器检测到拨叉中缺料时，横封辊刀和送膜轴停止，让送料拨叉继续运动，当把空包让过去之后，包装机自动开车，减少了废品率，提高了工作效率。该机还装有自动接膜装置，在全自动的生产线不停机状态下，自动接膜，减少人工接膜的时间，提高生产效率。通过以上新功能的介绍，可以看出三伺服包装机的优势在于以下几个方面：（1）简化传动系统，较之传统的机械凸轮，新型电子凸轮方式有效降低了机械磨损，控制精度高、柔性好、机械噪音小等优点。提高机械运转的稳定性和可靠性，降低机械运转的噪音，大大延长了使用寿命和最大限

18、度的降低故障率，减小企业维护的费用。（2）增加产量、降低成本。可以提高生产技术，使产品产量和品质都得到提高，并能有效节约成本，实现利润最大化。（3）实现包装机的高效、低损耗、自动检测等多功能，使产品质量稳定、效率提高。2 电子凸轮简介2.1电子凸轮的概念图2-1电子凸轮Fig.2-1 Electronic cam文献简要地提出了电子凸轮的概念，即一套数字控制系统在没有传统机械凸轮存在的情况下，通过编制控制程序，让该数控系统精密的模拟凸轮工作曲线，而完成相应的机械动作,即由一套数字控制系统实现了凸轮机构的运动规律。电子凸轮与机械凸轮的比较示意图可如图2-1所示，在图中，所示的数控系统可以实现图所

19、示的机械凸轮的从动件的运动规律，中从动件通过驱动装置(如伺服电机、伺服电机等)直接驱动而实现上下运动，而驱动装置是由PLC控制系统控制的，由PLC控制的驱动装置的输出运动曲线是某一凸轮运动曲线，所以该数控系统中的从动件可以与图中的从动件一样实现凸轮从动件的预期运动。由于不存在机械凸轮，各种机械运动可协调工作在最理想的状态，作用力方向与运动方向一致，因而也就不存在压力角的问题，使效率大大提高。采用计算机或PLC控制使输出运动的轨迹、速度及加速度可随意控制，如要改变运动规律，只需改变相应的控制数据。在特殊的情况下，甚至可以根据当前被加工物体的运动规律来修改数控凸轮的运动轨迹。2.2电子凸轮的构成电

20、子凸轮由硬件和软件两部分组成。硬件由微机、轴位置编码器、D/A转换器和执行机构组成。微机采用单片机、PLC或者PMAC等作为凸轮控制器，轴位置编码器用于检测输出轴的角度，如果采用伺服电机作为执行部件，则编码器将检测到的转角反馈回控制器，对转角进行校正，由此达到高精度的转角输出，而执行机构则采用伺服电机或者伺服电机，软件产生凸轮从动件运动规律的算法。电子凸轮机构根据应用场合的不同，其系统组成也可以分为以下三种：(1)慢速高精度这种机构可采用伺服电机带动精密丝杆，使伺服电机的转动转变为直线运动，适合于控制自动机一类的刀具自动进给，由于进给运动功率很小，小型伺服电机足以胜任工作。(2)高速低精度这种

21、机构对行程的精度要求不高，但在速度上有一定要求。可采用齿轮齿条传动方式，适合于像数控切纸机一类的机械。由于速度较高，又有一定的作用力，故需采用较大功率的伺服电机，同时要注意消除齿侧间隙，以免在反向时造成较大的冲击。(3)分度凸轮机构模拟伺服电机与减速器相结合，可模拟分度凸轮运动规律，该机构可在360度的平面上实现任意角度的位移、任意角速度及角加速度的运行，成为具有数控功能的分度工作台，其功能也超出了机械凸轮机构的应用范围。2.2.3电子凸轮的优点在自动包装机中，用图2-1所示的电子凸轮机构替代图2-1所示的机械凸轮机构，可使自动包装机的传控系统得到优化。因为电子凸轮较机械凸轮而言,具有如下优点

22、：(1)凸轮轮廓曲线是存储在计算机中，电子凸轮系统不存在磨损，因而从动件重复实现预期运动的精度高、稳定性好。(2)电子凸轮系统可按不同从动件的运动规律选择存储器中的凸轮轮廓曲线，当输出运动改变时只需简单地改变一下数值或设定，而不需要重新加工制作新凸轮，机构的输出柔性好。(3)电子凸轮系统没有机械凸轮的惯性力、弹性变形、刚性冲击等因素，故响应速度快，能适合高速运动的传动装置。(4)生产效率高电子系统中有更多的部件可能失效而导致系统终止。尽管这样，电子系统没有机械系统那么容易损坏。即便是损坏了，电子系统修复的时间要比机械系统短得多。模块化的电子部分加速了更换时间，因为是可编程的，所以可以从计算机上

23、下载指令，可以轻松的配置。电子凸轮系统的更换时间在分钟这一级，而相比之下，机械凸轮在小时、天这一级。电子凸轮的特点是不管是在伸展还是在收缩时，能全面控制驱动器运动，在机械凸轮系统中，从动件的回归速度受到系统的回复弹簧和动态特性的限制，巨大的弹簧能保证快速回复，但由于压缩过程中要克服弹簧力，需要较大的功率，比较会产生问题。如果凸轮在主轴的下部，扭转变形的可能性需要很大的主轴来维持同步。(5)安全电子凸轮系统结合了保护机械免于失效的机制。伺服传动部分的失效能够用监督的微处理器检测出来，然后顺序关闭；如果微处理器失效，预置的信号不能发送到监视计时器电路，系统也将会关闭。电子系统中，使马达停止的应急方

24、法是动态制动。在伺服系统中，马达在急停时停止速度更快。在这种情况下，伺服系统提供一个负力矩，一般伺服系统终止马达需50毫秒，而动态制动仅需1秒左右。鉴于上述电子凸轮的诸多优点，对于机械凸轮机构占有很大分量的自动包装机机来说，采用电子凸轮来对传统的机械凸轮结构进行改造和优化无疑对提自动包装机的性能带来很大的帮助。2.3电子凸轮的研究现状和发展趋势 电子凸轮的研究可追溯到20世纪50年代中后期，当时有学者提出采用控制系统取代凸轮机构，因为数字控制系统有良好的可调节性，在需要柔性生产的场合，这一优势尤为重要。例如，在驱动分度工作台时，如果需要改变分度角，用传统的凸轮分度机构是不能实现的，而利用伺服马

25、达的所谓“电子凸轮”，只需要改变控制软件即可。又如以伺服系统控制的机器手取代凸轮式固定程序型机器手，以数控机床取代应用凸轮分配轴的自动机床等，均是这种例子。国外在电子凸轮的研究与应用方面，Mike Woelfel给出了电子凸轮在包装切纸机上的一个应用实例，并分析了电子凸轮在解决机械凸轮所带来的速度、加速度的冲击方面的优点。Makino提出将智能凸轮运用于机器人机械手臂的控制，从而提高了机械手臂的速度和柔性。Lesile Langnu对电子凸轮的运动控制进行了简要的论述，并且给出了电子凸轮在传送控制上的优点，电子凸轮可以根据传送的距离要求自动编程精确实现，而在传送过程中的加速、恒速、减速段，电子

26、凸轮可以采用最合适的曲线来实现，从而改善了机构的运动性能。同时文献也论述了电子凸轮和电子齿轮之间的关系及它们各自的应用场合。与此同时，国外一些厂家已经生产出了采用PLC或者单片机作为凸轮运动控制器，用伺服电机或者伺服电机为执行元件，通过编程模拟凸轮运动曲线，从而代替机械凸轮的电子凸轮机构。美国、德国、日本的一些公司已经生产出了一些型号的电子凸轮控制器，比如德国伦茨(Lenze)公司生产的9300凸轮型伺服控制器(EVS9300-EK)，内置电子凸轮发生器，可同时编程8条凸轮曲线，能实现复杂轮廓曲线的加工和工艺的快速改变。电子凸轮的研究和应用在国内不是很深入。文献对于电子凸轮这一概念做了一般性的

27、表述，而对电子凸轮的设计及实际应用研究没有进行深入具体的论述。李瑞琴、邹慧君在文献中将电子凸轮归为可控机构一类，对电子凸轮的优点做了总结。文献针对船舶和港口自动化设备，研制了一种基于可编程序控制器的电子凸轮。该电子凸轮的控制是用OMR0N的C40P可编程逻辑控制器中的高速计数器来实现的。文献以NSD 公司生产的VS-5E 系列为例介绍电子凸轮的硬件组成、功能和主要性能参数，并给出了它在生产应用中的实例及相关的PLC程序。文献对虚拟凸轮机构的实现作了一般论述，并对该机构的应用前景进行了展望。3 电子凸轮机构的运动分析3.1引言本章建立了电子凸轮机构的运动控制函数。根据控制函数，采用伺服电机作为电

28、子凸轮机构的执行机构，通过编程控制电机的运动使机构的输出具有可控性。作为一种数字伺服执行元件，伺服电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用于数控机床、机器人、自动化仪表等机械中。不仅在开环伺服系统，而且在强调速度控制、位置控制的闭环以及半闭环的伺服控制系统中伺服电机的应用也越来越广泛。为了实现伺服电机的运动控制，较多采用的一种方案是以单片机作为控制系统的微处理器，通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出个数，实现伺服电机的速度和位置定位。本文也是采用这一方案，以单片机作为控制器，实现伺服电机的控制。本章将建立电子凸轮系统的运动控制函数方程。3.2凸轮机构的运

29、动规律凸轮机构的运动规律是指凸轮机构中的从动件的运动曲线，它是由所设计的凸轮轮廓决定的。根据各种不同的工况要求，长期以来发展了几种常用的从动件曲线，从形式上分为不连续曲线和双停留对称曲线。不连续曲线有等速度曲线、等加速度曲线和简谐运动曲线。双停留对称曲线有等跃动曲线、5次曲线、修正梯形曲线、修正正弦曲线、修正等速度曲线等。所有凸轮运动曲线都是使凸轮机构从动件产生往复、间歇性运动，只是在凸轮机构的动力学和运动学性能方面，有各自的优缺点。1969年，Neklutin提出了三种在实际应用中被广泛使用的凸轮曲线，即：修正梯形曲线(MT)、修正正弦曲线(MS)、修正等速度曲线(MCV)。MT和MS曲线已

30、被广泛应用于自动机械中的高速分度凸轮曲线设计。MT曲线具有较低的加速度峰值，适合于高速轻负荷；MS曲线由于均衡性较好，适合用于负载未知的场合，特别是重负载场合；MCV曲线适合于某些要求较小的特殊场合。作为三种常用的凸轮曲线，它们是影响凸轮机构动力学性能的因素之一，特别是在分度运动系统中，直接影响步进系统的动力学和运动学性能。在从动件运动规律研究方面，文献建立了通用简谐梯形组合曲线方程利用该方程不仅可构造出如MS、MT、MCV等多种常用的凸轮运动曲线，且通过变换组合段长度值，可以构造出多种加速度连续、跃度连续以及在跨越点处理论碰撞速度为零的运动曲线。如图3-1所示，图中实线表示曲线的加速度，虚线

31、表示越度。为升程（或分度加速）期的加速度最大值，为回程（或分度减速）期的加速度最大值。该曲线由11段组成，第3、6、9三段为恒加速度段其余八段均为不同相位正弦函数的一部分。第6段可设计为等速段，即令也可不设此段，设置此段可使组合曲线越度连续，且更具通用性与一般性。通过对每段曲线进行选取，可以组成常用的MS、MT、MCV曲线。图3-1 通用简谐梯形组合曲线Fig .3-1 General harmonic trapezoid curve3.2.1运动参数无因次化在凸轮机构设计中，为了衡量各种不同运动规律的运动特性，通常将运动规律采用无量纲的形式进行表达，并选取某些运动学和动力学参数作为运动规律的

32、特性值，对不同运动规律进行分析和比较。参见图3-2，设由凸轮所驱动的从动件位移为， (3-1)设从动件从时刻开始运动，位移逐渐增大，当的时刻达到最大位移，这时无因次时间及无因次位移可定义为 (3-2) (3-3)式中 是实际时间（单位：s）为达到最大位移的时间(单位：s)无因次时间从动件无因次位移图3-2 凸轮运动规律无因次化表Fig.3-2 The dimensionless form of cam motion law则式(3-1)可改写成下式 (3-4)式(3-4)称为无因次化的从动件位移曲线。且有时 时 (3-5)将式(3-4)对微分可得无因次速度为 (3-6) (3-7)上述值与实际

33、位移、速度、加速度关系如下 (3-8) (3-9) (3-10)对于凸轮机构的实际最大速度，最大加速度可由下式计算， (3-11)根据式(31)(310)可将任意凸轮运动规律转化为无因次方程形式。凸轮机构常用运动规律无因次化方程推导参见文献。无因次化最大速度、加速度、跃度称为凸轮运动规律的特性参数。常用运动规律特性参数参见表1。表1 常用运动规律特性参数Table 1 Common motion characteristic parameters曲线名称VmAmJmAx摆线2.00±6.28±39.5±8.16梯形2.00±4.89±61.4&

34、#177;8.09修正等加速度1.28±8.01201.4±5.463.3伺服电机的控制方式在电子凸轮系统中，伺服电机作为电子凸轮系统的执行机构，它的输出精度直接影响电子凸轮系统的运动精度。伺服电机又称为脉冲控制电动机，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机将转动一个角度，如图3-3所示。脉冲分配器和功放伺服电动机输出轴控制电脉冲控制电脉冲转角图3-3 伺服电机的控制Fig.3-3 Servo motor control图3-4 伺服电机的控制特性s0k0vf(a)(b)Fig.3-4 Servo motor control charac

35、teristics伺服电机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，如图3-4(a)所示。它的转速或线速度与脉冲频率成正比，如图3-4(b)所示。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小，环境条件的波动而变化，因而可适用于闭环环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。伺服电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用计算机控制。特别是近十几年来，数字技术和电子计算的迅速发展为伺服电机的应用开辟了广阔的前景。由于伺服电机具有高精度，没有累积误差等优点，易于控制，所以可以利用伺服电机作为电子凸轮系统的执行机构，由它带动

36、从动机构实现机械凸轮机构的运动。3.4电子凸轮运动控制函数本文通过机械偏心圆盘凸轮机构的运动规律来反求出电机的运动控制函数,进而推导出电子凸轮运动控制函数。3.4.1电机运动控制函数颜鸿森等发现，用微机控制的直流伺服马达使凸轮变速运动，可以改变从动件的运动学特性。在此基础上，颜鸿森提出了盘形凸轮标准化的技术设想，即在有相同升程和基圆的前提下，设计与制造出标准的盘形凸轮，再利用适当的凸轮转速变化，来改变从动件的运动特性，以符合不同的从动件的运动要求。即如果采用偏心圆盘凸轮机构，通过控制其输入运动，可以得到所期望的输出运动。可由图3-5表示，若已知从动件的期望运动规律，通过偏心圆盘凸轮机构的结构位

37、置关系可以反求出电机的控制运动方程，从而得到所期望的输出运动。控制系统伺服电机偏心圆盘凸轮期望运动规律图3-5变速输入凸轮机构示意图Fig 3-5 Schematic diagram of the transmission input cam mechanism设凸轮机构从动件运动规律(采用无因次化表示)为 (3-12) (3-13) (3-14)通过偏心圆盘凸轮机构的机构位置关系建立凸轮输入轴与从动件期望运动规律的函数关系如下 (3-15) (3-16)(3-17)式中 为偏心圆盘凸轮输入轴转角为偏心圆盘凸轮输入轴的角速度为偏心圆盘凸轮输入轴的角加速度偏心圆盘凸轮由伺服电机驱动，其控制量为脉

38、冲量，所以应将凸轮输入轴运动函数方程转化为电机的控制脉冲频率方程，假定伺服电机与凸轮输入轴的传动比=1，由于式(3-15)(3-17)均为无因次化表示，所以只要将凸轮输入轴方程乘以一个常数量(如脉冲当量)就可得到电机的控制函数方程。伺服电机每收到一个脉冲转过一个步距角，而每一步距角对应于偏心圆盘凸轮机构的一输入转角，将凸轮输入轴位移方程式(315)乘以位移当量(单位：脉冲个数/度)即可确定伺服电机的位移控制函数方程。若对伺服电机采用速度控制，则将凸轮输入轴的转速函数方程式(3-16)乘以脉冲当量即可得到电机的速度控制方程，如下 (3-18)式中脉冲当量由所给定的伺服电机的最高运行的频率和启动频

39、率及所期望的凸轮运动曲线形式所确定，为伺服电机的启动频率。因为是一无因次化的凸轮速度曲线，而是一常量，所以，式(3-18)确定的曲线与凸轮机构的速度曲线是一致的，故式(3-18)即是凸轮机构的速度控制函数。假如已知凸轮机构从动件达到最大位移运行时间，根据式（3-2)可得实际运行时间与电机控制频率之间的函数方程为 (3-19) 3.4.2电子凸轮运动控制函数电子凸轮系统直接由控制系统控制伺服电机输出凸轮曲线。它是在不使用机械凸轮机构的工况下，直接由电机驱动从动件得到凸轮运动规律，可由图3-6表示。由于由电机直接输出凸轮运动曲线，所以将从动件的速度运动函数方程乘以脉冲当量即可以得到伺服电机的速度控

40、制运动函数 (3-20)式中 为伺服电机的启动频率 为脉冲当量，由所给定的伺服电机的最高运行频率和启动频率及所期望的凸轮运动曲线形式所确定即为所期望的从动件速度函数 实际运行时间与电机控制频率之间的函数方程为 (3-21)凸轮曲线存储器控制系统伺服电机凸轮运动曲线图3-6 电子凸轮示意图Fig 3-6 Schematic diagram of electronic cam3.5 包装机的横封电子凸轮运动控制3.5.1 包装机的横封简介横封是枕式自动包装机的一道重要工序。它通常位于纵封工序的后面，作用是使填充了物料并经过纵封的袋子横向密封并切断。横封通常安装在一对对滚得轴上，如图3-7所示为横封

41、加工过程简图。两轴对滚时，被加热的热封头压向两块包装物之间的间隙，包装薄膜被热封。由于热封头的中间装有切刀，使得包装薄膜材料被热封的同时被切断，成为包装成品。图3-7 横封加工过程简图Fig.3-7 The chart of the traverse seal process在封切工作过程中，切断动作要求匀速或近似匀速运动，使得横封圆周上MQN弧线上的任意一点的线速度与包装袋移动的线速度相等，即速度同步。由于封切在一周中占用时间短，大多数用于空转，如果让空转也做匀速运动，则造成浪费，所以横封处于非匀速运动的状态，即对于短袋长，热封与切断时间短，空转时间长；而对长袋长来说，热封与切断时间长，空转

42、时间短。传统的枕式包装机一般采用机械凸轮的方式。但机械凸轮属于高副点线接触，加工困难、运动缺乏柔性、凸轮和辊轮易磨损，从而导致定位精度降低，振动和噪声加剧，加工成本提高；且改变袋长时，需要人工调整偏心量，使得操作较为繁琐。因此，在本设计中采用电子凸轮的控制方式，它不存在磨损、精度高、柔性好，且只需在触摸屏上改变袋长参数，即可实现偏心自动调整功能。电子凸轮系统具有机械凸轮机构所不具备的优点，在包装机械上具有广阔的应用前景。在图3-7中可以看到，对包装薄膜的密封是由一对横封滚轴上的热封头同步转动过程中完成的。横封热封头在点M处开始变速与包装薄膜的线速度同步，运转至点Q处施压封合，切刀切断。完成切割

43、之后，当运转至N点时进行变速，为下一次的运动过程做准备。在热封头由M点到Q点再由Q点至N点的过程中横封的线速度始终与包装薄膜的速度保持同步，这样才能保证不会出现“逮”膜或“蹙”膜现象。根据横封包装的特点，采用同步段长度固定的电子凸轮算法来控制，将运动过程分为同步区和非同步区，在同步区上运行时间占袋长的时间是一定的。根据包装袋长的不同，电子凸轮的变速点N点不变，M点自动调整。假设上下横封轴之间的中心距为120mm，则热封头旋转一周为376.990mm，由于是双刀，热封头转一周包装两包产品，所以完成一包的周长为一半，即188.495mm对应180度。因为同步区是半个袋长的长度，其大小取决于横封热封

44、头的宽度（本设计中横封热封头宽度为25mm），将点M、N作为凸轮的变速点。3.5.2 横封电子凸轮算法电子凸轮是通用运动控制器控制伺服电机由信号直接输出转角，伺服电机兼具驱动与控制的双重功能。电子凸轮的工作原理如图3-8所示。通用运动控制器输入预期的参数，发出位置指令信号C(t)，伺服放大器控制伺服电机产生转角(t)，从而控制横封机构的输出实现角位移(t) 。 图3-8 电子凸轮控制原理图 Fig.3-8 The principle of Electronic cam control如上所述的电子凸轮原理，下面给出该系统的伺服电机电脉冲频率的推导过程及关系式。设自动包装机包速为包/，袋长为，横

45、封刀宽为 ( >)，横封刀半径为，机械传动比为。（1）因横封刀封合切割时的线速度与包装薄膜的速度一致，所以线速度公式为： （3-22）即可得横封刀角速度的公式为 （3-23）又有，本设计采用通用运动控制器给伺服放大器发脉冲的形式控制伺服电机运转，因此控制器发的脉冲频率公式为 （3-24）其中，为伺服电机编码器分辨率。（2）由电子凸轮推程和回程分别做等加速运动和等减速运动，加速度的绝对值相等，且二者用时相等，即，故可知存在一个速度最大点，此时的速度为 （3-25）故推程段线加速度为 （3-26）同时推程段每时刻的线速度为 （3-27）其中，故此时推程对应的电脉冲频率关系式为 （3-28）其

46、中 同理，可推导出回程对应的电脉冲频率关系式为 （3-29）其中3.6电子凸轮机构的控制原理电子凸轮机构的运动控制核心是由单片机控制伺服电机实现式(3-18)或(3-20)所确定的运动规律，若上式确定的运动是一变速运动，则可由伺服电机的变频控制来实现电子凸轮机构的变速输入运动，从而使该机构的从动件输出运动达到所期望的运动特性。3.5.1伺服电机的定步法控制该控制系统采用单片机作为控制器，其控制方法可采用定步法，具体实现如下：若式(3-18)所确定的曲线如图3-9所示，假定升速段伺服电机运行的总步数为，等分总步数得，可得个无因次时间点，然后求取每个时间点所对应的值，将其转化为单片机定时器的时间常

47、数，则形成了一个关于总步数、频率、等分数的数据表，存入单片机内存中形成控制表格，当伺服电机在升降频过程中每走过步后，改变一次时间常数，输出进给脉冲，以实现定步升降频。由于在相邻的两个脉冲处，频率突跳是根据由升频曲线得到的表格查取的，因而这种频率突跳能为伺服电机所接受，故定步法能较好的使伺服电机不丢步运行。用定步法控制时，要求每个脉冲之间必须有一定的脉冲宽度(一般不小于5s)。图3-9 定步法升、降速曲线Fig. 3-9 Step rise, drop speed curve3.7程序设计解析程序设计介绍电子凸轮的控制程序编制，其程序结构如图3-10所示。分为在微机上进行的运算程序和单片机控制程

48、序两部分。由于单片机对复杂函数的运算能力较差，所以单片机的控制数据表格在微机上用高级语言编写程序形成，然后写入到单片机的控制程序中。运算程序包括：主程序、曲线离散运算子程序、牛顿迭代子程序、显示子程序。根据运算程序流程图3-10，对运算主程序做如下几点说明：1运动参数的输入包括：凸轮曲线形式；电子凸轮系统从动件的运行位移、伺服电机与从动件之间的减速比，并由此转化为伺服电机的运行位移(单位：步数)；伺服电机的最高运行频率和启动频率；2运动参数的计算：调用曲线离散运算子程序和牛顿迭代子程序，根据2.5节所述的原理计算出单片机控制伺服电机的数据表；3显示预运行曲线：将电子凸轮预运行的凸轮曲线显示出来

49、；4将计算得到的数据表格转化为单片机定时器的定时初值表。程序设计高级语言编制的运算程序单片机控制程序曲线离散运算子程序牛顿迭代子程序键盘子程序中断控制子程序图3-10 程序结构图Fig. 3-10 Program structure diagram单片机控制程序包括主程序、中断控制输出程序、键盘输入程序，报警急停子程序。键盘输入程序是在控制程序写入到单片机存储器后，可由键盘选择要求电子凸轮系统运行的凸轮运动曲线。报警急停子程序是在电子凸轮出现运行故障时使电机停止运行。开始输入运动参数调用运算子程序，得到运行总步数、数据表调用显示子程序，显示运行参数与预运行曲线将控制数据表写入到单片机中断子程序

50、中结束图3-11 程序结构图Fig.3-11 Program structure diagram根据图3-12单片机控制主程序框图，对单片机控制主程序做如下说明：主程序处于中断响应等待状态，按键中断优先级高于定时中断，在有按键时，响应按键中断，判断按下键值，如果是停机键则电子凸轮停止运行，并重新初始化系统，如果是参数输入键则等待参数输入，确认运行。单片机根据输入的凸轮曲线形式，自动调用相应的凸轮曲线定时中断程序，启动电机运行。在电机运行过程中，为保证电子凸轮运动的连续性，如果没有按键输入，则电机在完成一个分度行程后，自动进行下一个分度运动。 如果要求电子凸轮运行程序存储器存储的常用凸轮曲线之外

51、的其他曲线，则只需将单片机的控制数据表重新改写即可。图3-12 单片机控制主程序框图Fig.3-12 MCU control main program diagram根据电子凸轮机构变速中断子程序，对定时中断子程序做如下说明：单片机每响应定时中断一次发一驱动脉冲使伺服电机转过一个角度，而每次中断定时器的定时初值都是通过查表子程序在控制数据表格中查取。电子凸轮在一个行程中一般包括加速，恒速，减速三个阶段，但是对于MS、MT曲线，没有恒速过程，则在完成加速后自动转入减速阶段。每次中断过程中都判断运行总步数是否为零，如果为零则电子凸轮完成一次行程，如果没有停机键按下，程序则转入主程序重新开始下一次运

52、动行程。 4 包装机的三轴PID同步控制4.1 三轴同步控制原理新型三伺服自动包装机采用三台伺服电机分别控制横封轴、包装膜轴和送料轴的三轴协调运动。三轴同步控制是通过通用运动控制器对横封刀轴、包装膜轴及送料轴伺服电机的控制，使横封切刀正好切在物料输送到包装袋位置之间的间隔上，保证包装袋的速度与横封切刀切割点的线速度同步，实现产品的精确包装。 图4-1 同步控制示意图Fig.4-1 The schematic diagram of synchronous control 如图4-1所示为同步控制示意图。其中，横封刀伺服电机主要实现电子凸轮运动，完成对包装膜的横封封合与切断。包装膜轴伺服电机不仅控

53、制薄膜的输送，还控制纵封辊轮以及输出机的运动。送料轴伺服电机主要控制送料拨叉将物料送入成型器中，并保证物料输送到包装膜的料位位置，实现横封刀封合切割在物料的间隙。但是，在实际的包装过程中包装膜有时与横封刀的同步速度不一致，就会出现“逮”膜或“蹙”膜等现象。如果送料拨叉送料位置不匹配，还会出现切料的情况。因此，需要对包装膜轴和送料轴进行补偿，采用PID补偿算法。4.2 PID补偿算法PID控制器就是将偏差的比例(P)积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制。模拟(PID)控制原理：模拟PID控制系统原理图如图所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成 图4-

54、2 PID控制框图Figure 4-2 PID control block diagram图4-2中，r(t)为电机M2给定转速值,y(t)是M2的实际输出值，由槽型光藕、码盘和霍尔开关测得，给定值与实际输出值构成控制偏差 e(t) = r(t) y(t) 。e(t)作为PID控制器的输入， u(t) 作PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为：u(t)=Kpe(t)+1IT0e(t)dt+TDde(t)dt+u(0).其中: KP 比例系数、IT 积分常数、TD 微分常数、u(0)控制常量比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用， 使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强KP会导致系统震荡， 破坏系统的稳定性。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中， 只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度） 进行控制。偏差变化得越快，微分控制器e的输出越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服震，使系统趋