基于plc和伺服电机的色标定位方案设计

基于plc和伺服电机的色标定位方案设计

枕式收割机集装载量、包装、密封和包装于一体。是一种最广泛、自动化的连续机械。它是系列品种中最完整的连续式收割机。而连续式包装机通常采用卷筒包装材料,由于种种原因,送膜速度会经常变化,从而引起封切位置的误差。为了消除封切时产生的误差以保证包装图案的完整性,枕形包装机在各领域的应用都需具有光电跟踪补偿系统,以期达到如下目的:即时消除机械传动误差,确保每一包装成品印刷图案的完整性等。这里主要分析双传动同步式色标定位方案的设计。1横封的控制和控制包装机工作过程如下:包装薄膜由卷筒引出,通过光电检测器检测色标,再经成型、输送辊和纵封制成套筒,同时包装物由勾爪输送链输送到套筒中,经回转装置横封并切断排出成品。主电机为三相电机,经中间机构传入横封装置后并输出产品。在枕形包装机中,横封是决定包装物品质好坏的最关键部件,要同时满足袋长和包装工艺的要求,其运动比较复杂,空转时速度要快,而在封口所对应的一小段区间内速度要慢,以确保与包装薄膜的传递速度相匹配,保证包膜被可靠封住。一般采用交流伺服电机来带动纵封执行机构。当包装机生产率确定以后,以横封速度为基准,根据色标间距(即包装袋长),由可编程控制器(PLC)发出脉冲信号控制伺服电机的转速,实现对纵封速度的控制。调节包装薄膜的速度,可以获得所需的袋长。包装工艺过程示意图如图1。2卷筒薄膜的色标滞后和超前发展图2所示为包装薄膜输送原理图,在成型器前端安装一色标传感器,检测包装薄膜上的定位色标。安装时要求当横封切断位置与包装袋色标切断位置对齐时,色标传感器必须对齐包装材料上某个特定的色标图案中心位置。色标图案的标记必须满足如下条件:与包装袋底色差明显,以便准确捕捉到色标,这里选用漫反射式光电传感器来检测色标,其具体型号可以根据包装袋的具体颜色来选择。一个包装袋长所对应的脉冲数目n2为:通过袋长仪操作面板设定包装袋长值为l,再由PLC通过上式,求出相应的运行频率f和脉冲数目n2,同时把这两个参数传递给伺服驱动器,进而使伺服电机按照驱动装置设定的参数运行。虽然PLC已将相应的参数传入伺服电机驱动器中,但由于在实际的生产过程中,卷筒薄膜所受到的张紧力并不是绝对的均衡,再加上机器震动等其他外在因素的影响,总会出现色标滞后或超前的情况,下面具体说明一下如何解决色标滞后和超前的问题。开机运行后,如图3所示,包装薄膜以某个给定的速度向成型器方向前进,薄膜上的色标每经过色标传感器,色标传感器都会发出一个检测电信号M,横封刀切断卷筒包装袋时凸轮开关也会产生一个切断电信号N。假设M、N两电信号的周期分别为T1、T2,一般只有在理想的工作情况下,T1=T2,为了研究分析方便,在信号时序分析图中近似认为两周期相等,均为T。在包装生产过程中,卷筒包装薄膜被切断的情况下只有以下三种时序图,如图4所示,图中均以横封切断信号N为基准。由图4可知,图4(A)中M、N信号同时到达,这是最优的情况,其实在运行周期内,时序图中M、N信号只要部分重叠就属于正常情况,无需进行补偿。图4(B)表示在一个周期内,M信号滞后N信号的情况,即纵向封合速度滞后封切速度,切口位置出现偏差,需要伺服电机加速运行。图4(C)表示在一个周期内,M信号超前N信号的情况,即纵向封合速度超前封切速度,切口位置出现偏差,需要伺服电机减速进行补偿。假设包装机工作过程中,色标检测电信号M到的时刻记为t1,横封切断信号N到的时刻记为t2。印刷色标的宽度一般为5mm,通过经验可知,通常要求封切点距离边缘不能超过2.5mm,即卷筒包装薄膜尺寸误差极限为±5mm,超出这一规定区域,可视为封切位置不当,需要补偿,直到满足要求为止。当t1-t2>0,表示纵封速度滞后于横封速度;当t1-t2<0,表示纵封速度超前于横封速度;当-t<t1-t2<t,表示卷筒包装袋切口位置在允许误差区域内。当t1-t2<-t或t1-t2>t时,表示切口位置不在允许误差区域内,需及时进行补偿,也就是更正伺服电机的相关控制参数。直到-t<t1-t2<t,伺服系统就停止补偿,把伺服电机控制参数又改为正常时的参数,避免出现一直追踪的情况。3系统硬件配置3.1速度与封切速度同步控制系统系统硬件结构原理图如图5所示。控制器采用三菱FX1S-30MT,它是30路I/O板式小型可编程控制器,输入16路,输出14路(晶体管型),工作电源220V,是一种数字量输入输出接口性能比较高的PLC。为了与其他设备串行通讯,增加通讯模块FX1N-485-BD。系统运行时,由电磁感应式传感器CPS来检测封切刀的同步位置信号,而色标定位信号的捕捉由光电传感器GD来完成,2种传感器信号通过光电隔离后,与PLC上的相应端子相连。选用三菱MR-J2S-70A作为伺服系统的驱动模块,要求能快速、准确地将速度与位置控制指令传送给伺服电机,其优点是抗干扰性强,通过内置编码器,实时反馈位置信号,控制精度高。通常用速度-转矩模式来描述电机的特性。控制器从SP1端输入脉冲信号,由ST1端改变电机轴的旋转方向。包装机工作时,控制器检测并比较2路电信号,判别送纸速度是正常、超前还是滞后,经PLC的输出点Y0发出控制信号,通过补偿控制器SP1端来改变伺服电机的转速,实现送膜速度与封切速度同步。在满足系统控制要求的情况下,变频器选用三菱的FR-S540-1.5K,其RS-485接口连接通讯模块FX1N-485-BD,控制器采集变频器的命令频率和输出频率,用串行数据传送命令,经RS-485口发出指令,以改变三相电动机的转速。3.2信号转换的信号枕形包装机色标定位系统中,输入信号包括色标传感器信号、横封切断信号、启动信号、停止信号与急停信号。输出信号有伺服电机速度信号、故障报警信号等。4控制污染控制流程系统软件主要是PLC控制程序的设计,而PLC控制程序主要包括伺服系统和串行通讯等程序。三菱FX1S-30MT系列的PLC具备丰富的指令系统,强大的运动控制指令,便捷的通讯功能,灵活的扩展模块。扩展后具有多路A/D和D/A通道,可进行多点速度检测与控制。基本单元配置相应的扩展单元后,能满足包装机色标准确定位的控制要求。控制器主要用来转化各工作信号并控制伺服驱动器,协调各执行机构的动作。伺服系统通过内置的编码器构成闭环控制,检测位置和速度等相关信息,将数据反馈到PLC中。伺服系统接受控制器发出的脉冲信号,根据接收到的脉冲数目控制电子凸轮的旋转角度,而脉冲频率对应电机的速度。同时控制器还要判别色标与封切位置的相关信息,确定封切位置是否在允许的范围内,调整脉冲频率以修正伺服电机的转动速度,使封切点能准确对齐色标位置。枕形包装机色标定位控制流程图如图6所示,系统运行前先判断系统是否有故障,如无故障则按下启动按钮,变频器有输出,主电机转动。运行过程中,控制器判断横封与纵封信号是同步,滞后还是超前,驱动相关执行机构作相应的补偿。按下停止按钮,系统停止运行。5高速运动时方程研究结果表明,在枕形包装机上采用以PLC、变频器、伺服系统与编码器构建的这种色标定位方式,解决