基于负荷分散与协调控制的制袋机定长、定位系统

基于负荷分散与协调控制的制袋机定长、定位系统

1伺服式定位控制机构包装机的主要技术是保证长度、定位和切割。早期的制袋机均采用曲柄摆杆、扇形齿轮和超越离合器机构,由曲柄机械调整袋长,由微电机修正摇杆扇面齿轮面上的偏心位置进行定位修正以达到定位控制目的。但这套机构无论是制造还是进行袋长设定都很麻烦,且运行速度较慢、定长、定位精度也不高。为此,使用基于步进电动机或数字式交流伺服系统为定长、定位执行机构的伺服式定长、定位系统得到了良好的效果,使整机机械结构得到简化。本文着重介绍基于负荷分散与协调控制的双伺服式定长、定位系统的组成及原理,协调控制方法,定长、定位伺服机构与主速的协调控制以及不同袋长时对主机制袋速度的自动约束,提高了操作的安全性,并使设备的生产潜力得到充分发挥。2系统的基本工作过程制袋机定长、定位伺服控制系统如图1所示。需定长牵引、定位裁切的烫封后的薄膜如图2所示。系统的控制目标是要求每次切刀均切在标志条的中间,定位精度优于±0.5mm。制袋机从工艺上可分成热封裁切与定长牵引两大动作,一般制袋机这两部分动作各占一半的制袋周期且互锁。在图1中,M0为主传动异步电动机,由SPAM变频器控制,通过连杆机构将主电机的旋转运动转换成2个热封烫刀组与切刀的上、下往复直线运动。SM1、SM2是用于定长、定位控制的交流伺服电动机(或步进电动机),PG1、PG2为光电编码器;F为检测薄膜张力的位移式传感器,用于协调SM2电机的动作,以保证前、后牵引辊间的薄膜张力恒定,这是保证定长、定位精度与热封质量的前提条件,同时克服以往双伺服系统中的F信号为双位检测,使后牵引SM2伺服系统仅起负荷分散而未起到协调控制的缺陷。SK用于检测热封机架处于抬起还是压下的开关量光电传感器,其输出状态如图3所示。GK是检测薄膜印刷标志的反射式开关量光电传感器,当检测光点落在标志上时,如图2中B点,输出低电平;当落在标志两侧,如图2中A、C点时为高电平。此外,前序的供料环节(图1中未画出)保证了进给热封1的薄膜处于恒张力状态。制袋机控制系统的主要工作过程如下:①M0连续运转,热封机架及切刀作周期性往复上、下运动。②当热封机架与切刀抬起时,SK=0,在此期间SM1、SM2据系统设定的袋长所对应的脉冲数及其升、降频规律进行定长牵引控制,且控制作用使得每次(1个袋长)牵引结束后,GK的光点正好落在标志条的中间位置。③当热封机架与切刀压下时,即对刚送进的薄膜进行热封,同时切刀将已由牵引辊送出的1个袋长进行裁切成品,此时SK=1,SM1、SM2停止运转。④当切刀裁切的袋子个数达到设定的“成迭”数量时,由异步电动机M1启动传输带将其送出。制袋机的生产速度可按每分钟生产的(特定袋长)袋子数计量,是随主电机的速度而变的。也可按平均每分钟多少米描述,现代制袋机的平均线速度可达45m/min。3两条主投降和管理系统的设计3.1双伺体系的基本动作1)在SK=0条件下,前牵引伺服电机SM1的基本动作是根据设定的袋长L所对应的脉冲数N0,如图4所示,升、降频特性进行定长、定位牵引控制,其中,ΔNe(k)为“k时刻”定位修正量,N1为实际脉冲数。Ν1(k)=Ν0+ΔΝe(k)(1)2)后牵引伺服电动机SM2的基本动作要求:①与SM1保持速度同步;②根据力传感器F的信号大小进行张力调节。张力的调节是通过微量地改变SM2的脉冲数来实现的,如下式2所示,其中,ΔNF(k)是由张力偏差ΔF产生的修正量。因而SM2系统的本质是处于恒张力跟随状态,这也是双伺服系统除了起负荷分散外的一个实质性的作用。{Ν2(k)=Ν(k)+ΔΝF(k)(2)ΔΝF(k)=CF⋅ΔF(3)3.2基于速度参数的动力系统动态特性惯性负载条件下的快速、平稳的运动控制曲线见图4,在非步进电机式伺服系统中,f0=0。设本周期的“袋长”为Li(k),且已知脉冲当量为δ,则对应的脉冲数Ni(k)为:Νi(k)=5∑j=1mj=1/δLi(k)=1/δ[L+ΔLi(k)](4)式中,j对应于图3中的各阶段,L为标准袋长、ΔLi(k)为总修正量。在图4中,由于采用对称的升、降频规律,故对于动态脉冲分配仅讨论升频阶段便可推广到降频阶段。1)制袋速度V与袋长L间的极限配合关系一般制袋机有两大工序(热封裁切与定长牵),且各占一半的加工周期。设制袋速度为V(只/min),则在理论上可证明在袋长为L条件下的可靠制袋的极限速度Vm为:Vm≈15(δa/L)12(5)令V*m=Vm/15(δa/L0)12=1/l012l0=L/L0则平均线速率Vl与袋长L的极限关系为:Vl=LVm=15(δaL)12m/min(6)令:V*l=Vl/15(δaL0)12=l012(7)由上述可得制袋速度与平均线速度的标么值与袋长标么值间的数据与曲线关系分别如表1及如图5所示。(3)式表明在特定袋长下,若设定的最高速度超过由(4)式所允许的值,则下位机(PLC)将按(3)式自动约束最高制袋速度以保证制袋过程的安全、可靠地工作,这在实践中非常重要。2)数字伺服系统动态脉冲最高频率fm与袋长L、制袋速度V间的协调关系为使制袋机的热封机架的上、下运动与定长牵引运动处于平稳而协调的运动状态,希望伺服系统在定长牵引时间段内的速度与主机速度相协调,即将一个袋长的总脉冲数分布的时间段基本上与下式允许的工作时间相协调:Τ≤30/V(s)(8)为此可得在一定袋长和主机速度下,数字伺服系统的最高运行脉冲频率fm为:fm=1/2[(2f0+aΤ)-[(2f0+aΤ)2-4(aL/δ+f20)]12(ΗΖ)(9)式中,a=k1⋅2250θb⋅Μ-ΜFGD2(ΗΖ/s2)(10)θb为数字伺服系统的步距角,即脉冲当量角;M为电机拖动力矩,(Nm);MF为负载阻力矩,(Nm);GD2为系统总飞轮惯量,(Nm2);a为动态加速度,(HZ/s);k1为安全系数,一般取k1=0.5～0.8。3)动态脉冲分配规律在图3中,设脉冲间隔为Δtn,已发脉冲数为x,则数字伺服系统的升频、稳频与降频阶段的脉冲间隔宜按下式规律分配(降频过程类同升频过程):Li(k)=δ⋅5∑j=1m(11)Δtn=tn-tn-1={1a[(f202na)12-[f20+2(n-1)a]12];x≤m11a[(f212na′)12-[f21+2(n-1)a′]12];m1＜x≤m1+m21/fm;m1+m2＜x≤m1+m2+m3(12)令升、降频脉冲数为Nr=Nf,且:{Νr=(f2m-f20)/2a;m1=0.9Νr;m2=0.1Νr;m3=(1/δ)Li(k)-2Νr(13)式中,f1为动态转折频率f1=(f2m-2k2am2)12=(f2m-0.2k2aΝr)12=[(1-0.1k2)f2m+0.1k2f20]12=(1-0.1k2)12⋅fm3.3上位机的控制部分系统的构成如图1所示的集散结构,过程级为高速PLC,主要负责2个伺服系统(交流伺服系统或步进电机系统)的定长定位控制及其与主机速度的协调以及输送带M1等其他辅助操作。过程级中的伺服机构形式及a、f0、θb、M、MF、GD2与袋长、个数/迭等参数均在上位机IPC(工业586)中的人机交互界面上设置,开机自检后即传送给PLC。上位机除了负责定长定位伺服系统外,还负责热封机构的温控及前道工序的监控、系统参数设置与管理工作。整个系统在通讯上构成以IPC为主机,以各过程级PLC及其他子系统为从机的“主从式SIO系统。当伺服机构选交流伺服系统时,软件自动令f0=0,此外在设定系统总飞轮惯量GD2时,CRT会弹出选项窗口的以决定直接输入GD2值或输入牵引辊组的机械参数与材料参数则软件会自动算出GD2值。在上位机的CRT窗口中的主要显示信息有:车速(只/min)、袋长、计数、迭数、正品/次品统计、定长定位误差以及各烫刀温度的设定值与实际值等。4系统的定位精度在国产500型和600型的制袋机上分别采用了步进电机与交流伺服电机做为执行机构,在250mm袋长条件下的制袋速度可达18