包裝行業(yè)高速套標(biāo)機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

摘 要：套標(biāo)機(jī)是指用熱收縮或彈性收縮的方法將筒狀標(biāo)簽緊套在包裝件或產(chǎn)品上的機(jī)器。收縮套箍標(biāo)簽可緊貼于瓶子的口蓋、瓶子全身、瓶身中段等處。其作為后段包裝技術(shù)含量較高的設(shè)備之一，在食品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，國內(nèi)分為高速套標(biāo)機(jī)和低速套標(biāo)機(jī)。文章設(shè)計(jì)開發(fā)的高速套標(biāo)機(jī)可以達(dá)到600瓶/分的要求。

關(guān)鍵詞：收縮套標(biāo)；自動送膜；定長裁斷；伺服控制；四軸驅(qū)動

概述

現(xiàn)在我們隨處可以看到瓶裝礦泉水，通過其外包裝我們可以看出，瓶裝礦泉水包括瓶體、外部標(biāo)簽和瓶蓋三個部分。套標(biāo)機(jī)是指用熱收縮或彈性收縮的方法將筒狀標(biāo)簽緊套在包裝件或產(chǎn)品上的機(jī)器。收縮套箍標(biāo)簽可緊貼于瓶子的口蓋、瓶子全身、瓶身中段等處。這種經(jīng)過精心印制的塑料薄膜標(biāo)簽，其套封操作過程比起粘貼要簡單方便，目前許多玻璃瓶或塑料瓶采用熱收縮薄膜的收縮標(biāo)簽已相當(dāng)普遍。收縮標(biāo)簽預(yù)制成管狀或筒狀，在貼標(biāo)時繞容器一周套在容器上，但不與容器粘牢，收縮膜套標(biāo)簽機(jī)近年來發(fā)展十分迅速。

收縮套標(biāo)是一種印刷在塑料或軟管上，可以隨容器的輪廓經(jīng)加熱而收縮變形的標(biāo)簽。它由羥苯基乙酰胺材料逐漸發(fā)展而來，起初是為了防止塑料藥瓶的造假，直到Dean公司的牛奶瓶也使用了這種標(biāo)簽后，才使其正式推向大眾消費(fèi)市場。隨后，收縮套標(biāo)在奶制品產(chǎn)品的應(yīng)用上日益盛行。

1 收縮膜套標(biāo)簽機(jī)的主要組成與作用

一般的直線套標(biāo)機(jī)主要由送瓶鏈道、標(biāo)膜預(yù)牽引、送標(biāo)、切膜、刷膜（套膜）、標(biāo)紙整理、熱縮通道等組成。

送瓶鏈道：主要是將待套標(biāo)的瓶子進(jìn)行傳送，經(jīng)過螺旋棒將瓶均勻分布在傳送鏈上，通過套標(biāo)、標(biāo)紙整理后，傳送到熱收縮通道內(nèi)進(jìn)行收縮固標(biāo)。

標(biāo)膜預(yù)牽引：主要是為了將標(biāo)膜從膜卷上預(yù)牽引到送標(biāo)機(jī)構(gòu)前端，供送標(biāo)機(jī)構(gòu)送標(biāo)。

送標(biāo)機(jī)構(gòu)：由伺服電機(jī)驅(qū)動送標(biāo)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行送標(biāo)（取標(biāo)），每次送一個標(biāo)。

切膜機(jī)構(gòu)：由伺服電機(jī)驅(qū)動多頭刀片，旋轉(zhuǎn)切膜，使標(biāo)紙脫開，由刷標(biāo)機(jī)構(gòu)傳送到被套的瓶子中去。

刷膜（套標(biāo)）：采用變頻器驅(qū)動刷下電機(jī)，將刷下兩組傳送輪調(diào)整至中心柱下方滾輪輕微接觸，待標(biāo)簽通過時以較高轉(zhuǎn)速將標(biāo)簽套入瓶子。

標(biāo)紙整理機(jī)構(gòu)：其主要作用是將標(biāo)定位，保證套好的標(biāo)紙?jiān)谒璧奈恢?，確保產(chǎn)品合格。標(biāo)紙整理機(jī)構(gòu)一般是由毛刷組組成，其主要作用機(jī)理是利用束帶或橡膠將套入瓶子的標(biāo)簽刷打至定位（為瓶體指定套標(biāo)部位）。

熱縮通道：將套標(biāo)的產(chǎn)品進(jìn)行加熱使其收縮，是標(biāo)紙緊貼于瓶子（容器）表面，完成套標(biāo)后的最后一個過程。

2 套標(biāo)機(jī)的工藝流程

設(shè)備啟動后，切刀尋原點(diǎn)，刷標(biāo)電機(jī)啟動，允許套標(biāo)動作執(zhí)行。待套標(biāo)瓶子在傳送帶上經(jīng)過分瓶裝置進(jìn)行等距分瓶。瓶檢測傳感器檢測到瓶后，啟動旋切電機(jī)進(jìn)行切標(biāo)。切標(biāo)完成后，啟動送標(biāo)電機(jī)送下次標(biāo)膜。送標(biāo)方式分為兩種：（1）色標(biāo)方式--由送標(biāo)光纖檢測標(biāo)簽的色標(biāo)（即空白處），然后用中斷的方式停止送標(biāo)伺服；（2）定長方式-由PLC控制脈沖個數(shù)。

3 套標(biāo)機(jī)控制方案

3.1 控制需求分析

3.1.1 套標(biāo)機(jī)輸入點(diǎn)：9點(diǎn)，輸出點(diǎn)：18點(diǎn)。其中四個IO點(diǎn)為脈沖輸出，用于控制送標(biāo)伺服與切標(biāo)伺服。因此，只能為晶體管輸出?？紤]到預(yù)留備用點(diǎn)，故而選用一體機(jī)CP1L-M60DT-D。當(dāng)然，也可以選擇CP1H+擴(kuò)展模塊。

3.1.2 套標(biāo)機(jī)所使用的變頻器要求（傳送帶除外）不高，簡易型變頻器即可滿足要求。故而，傳送帶上選用3G3MX2系列變頻器，其他位置選用3G3JZ系列變頻器.觸摸屏只需要帶有RS-232口即可。

3.1.3 通用低速套標(biāo)機(jī)采用的伺服，切標(biāo)伺服為0.4kw，送標(biāo)伺服為0.75kw。由于高速套標(biāo)機(jī)速度在原有的基礎(chǔ)上提高很大達(dá)到100%以上，故而高速套標(biāo)機(jī)的切標(biāo)伺服為0.75kw，送標(biāo)伺服1kw。

3.1.4 瓶子有無檢測選用E3Z-D61系列光電開關(guān)即可，切刀原點(diǎn)檢測傳感器可選用槽型光電開關(guān)如：EE-SX672等等，通常色標(biāo)為白色透明的膜，其余部分不透明，故而，可選用普通的光纖傳感器如：E32-TC200+E3X-HD11等等。

系統(tǒng)配置圖如規(guī)圖1。

4 控制系統(tǒng)完成的功能

作為自動套標(biāo)機(jī)一定要能實(shí)現(xiàn)自動送膜、切送標(biāo)動作銜接連貫、速度提升等等，下面將詳細(xì)介紹套標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法。

4.1 自動送膜

送膜由一臺變頻器控制料架盤轉(zhuǎn)動，送膜的速度一定（可以通過變頻器進(jìn)行設(shè)定，最大50HZ），送膜電機(jī)的啟動停止由料架光電控制，當(dāng)膜的預(yù)送量達(dá)到要求時，電機(jī)自動停止。

原理如圖2所示。

4.2 驅(qū)動系統(tǒng)改造

常用的驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用雙軸驅(qū)動系統(tǒng)--低速套標(biāo)機(jī)采用該結(jié)構(gòu)方式，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中，容易出現(xiàn)中心柱會偏向一邊。此時，穩(wěn)定性較差。容易出現(xiàn)標(biāo)簽撕裂等問題。在開發(fā)高速套標(biāo)機(jī)的過程中變雙軸驅(qū)動為4軸驅(qū)動，可以有效的夾緊套標(biāo)筒，可以防止套標(biāo)筒在高速運(yùn)行時出現(xiàn)的傾斜、撕標(biāo)、滑標(biāo)等問題。

4.3 定長裁斷

定長裁斷要求根據(jù)用戶標(biāo)簽長度的要求進(jìn)行裁斷，誤差<1mm，而且要保證所有標(biāo)簽的均勻度，不能有長短標(biāo)出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)標(biāo)長一致，通常采取以下兩種方法：

（1）采用中斷方式控制送標(biāo)伺服的停止，消除掃描周期影響。

（2）伺服參數(shù)的調(diào)整，增益PN10、PN11（PN10-位置回路增益、PN11-速度回路增益）在機(jī)械不震動的情況下盡可能的調(diào)大，提高響應(yīng)特性，這樣在使用INI停止伺服的情況下，不會產(chǎn)生過沖或者回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以保證定位準(zhǔn)確。

4.4 切標(biāo)動作

切標(biāo)動作比較簡單，要求切刀伺服在收到瓶到位信號后，觸發(fā)外部中斷，使切刀運(yùn)行一周即可，為了提高動作頻率縮短運(yùn)行周期，在PLC100KHZ脈沖輸出的情況下，將伺服改為2500脈沖/轉(zhuǎn)，我們還是采用SPED的方式來進(jìn)行切刀伺服的控制，這樣伺服可以做到25MS轉(zhuǎn)一周。

4.5 套標(biāo)動作銜接

套標(biāo)整個過程由切標(biāo)伺服、送標(biāo)伺服、刷標(biāo)電機(jī)三部分動作組成，為了達(dá)到600瓶/分的速度，要求在100MS內(nèi)完成所有動作，要求在收到瓶到位信號后，觸發(fā)外部中斷0，使用獨(dú)立模式SPED指令驅(qū)動切刀伺服運(yùn)行一周，在切刀碰到刀盤內(nèi)的切到原點(diǎn)信號時，觸發(fā)外部中斷1，使用連續(xù)模式（色標(biāo)進(jìn)給）或者獨(dú)立模式（定長進(jìn)給）SPED指令驅(qū)動送標(biāo)伺服運(yùn)行，如果采用色標(biāo)模式那么就利用標(biāo)長到位的光纖傳感器信號觸發(fā)外部中斷2，來執(zhí)行INI指令停止送標(biāo)伺服運(yùn)動。刷標(biāo)電機(jī)為恒速電機(jī)即將標(biāo)切下后，由刷標(biāo)電機(jī)到實(shí)際套上瓶子的時間為固定的。這樣可以方便用戶根據(jù)實(shí)際套標(biāo)要求調(diào)整瓶到位傳感器位置。

4.6 堵標(biāo)問題

套標(biāo)機(jī)切刀位置是唯一的-在刀盤電眼附近，當(dāng)套標(biāo)速度在250瓶/分時，套標(biāo)動作正常。套標(biāo)速度在250瓶/分以上時，就會發(fā)生堵標(biāo)現(xiàn)象。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：切刀停止的位置在刀口向內(nèi)時，就會避免堵標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生。

為此，增加了回原點(diǎn)功能，切刀的位置由中斷進(jìn)給的方式給定。通過ACC+PLS2指令確定切刀停止時的位置，這樣切刀的位置就可以通過觸摸屏設(shè)定，切刀停止的位置可以在調(diào)整時進(jìn)行設(shè)定。以達(dá)到切刀停止時刀口向內(nèi)，這樣就解決了堵標(biāo)問題。

4.7 套標(biāo)過程周期計(jì)算

根據(jù)要求要達(dá)到600瓶/分的速度，需要在100MS內(nèi)完成切標(biāo)、送標(biāo)兩個動作。

首先看伺服參數(shù)：（1）切刀伺服為定長運(yùn)行，每次運(yùn)行一周，那么他的運(yùn)行時間是固定的，如果10000脈沖/轉(zhuǎn)，CP1L脈沖輸出為100KHZ，那么在不計(jì)算伺服的響應(yīng)時間的前提下，切刀伺服旋轉(zhuǎn)一周需要100MS，這是不符合要求的，我們將伺服電子齒輪比調(diào)整到2500脈沖/轉(zhuǎn)，這樣切刀伺服旋轉(zhuǎn)一周需要25MS。（2）送標(biāo)伺服經(jīng)過減速比計(jì)算，如果為2000脈沖/轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)對應(yīng)送標(biāo)長度為125mm，而實(shí)際標(biāo)長為250mm，經(jīng)計(jì)算需要40MS，所以送標(biāo)伺服電子齒輪比改為2000脈沖/轉(zhuǎn)，此時，0.0625mm/脈沖。能夠滿足精度（誤差<1mm）要求。

4.8 變頻器控制

變頻器的作用就是對各電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，其控制方式有兩種方式：

4.8.1 外部端子：該種控制方式，通過外部旋鈕或者模擬量對頻率進(jìn)行控制。

4.8.2 現(xiàn)在很多變頻器都支持通訊功能，故而，也可以采用MODBUS-RTU或者其它通訊方法來實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。

5 程序流程圖

5.1 套標(biāo)機(jī)設(shè)備構(gòu)成圖

5.2 套標(biāo)機(jī)時序圖

套標(biāo)整個過程由切標(biāo)伺服、送標(biāo)伺服、刷標(biāo)電機(jī)三部分動作組成，在收到瓶到位信號后，觸發(fā)外部中斷0，使用獨(dú)立模式SPED指令驅(qū)動切刀伺服運(yùn)行一周，在切刀碰到刀盤內(nèi)的切到原點(diǎn)信號時，觸發(fā)外部中斷1，使用連續(xù)模式（色標(biāo)進(jìn)給）或者獨(dú)立模式（定長進(jìn)給）SPED指令驅(qū)動送標(biāo)伺服運(yùn)行，如果采用色標(biāo)模式那么就利用標(biāo)長到位的光纖傳感器信號觸發(fā)外部中斷2，來執(zhí)行INI指令停止送標(biāo)伺服運(yùn)動。刷標(biāo)電機(jī)為恒速電機(jī)即將標(biāo)切下后，由刷標(biāo)電機(jī)套到瓶子。時序圖如4：

6 結(jié)束語

本方案可以實(shí)現(xiàn)最高達(dá)到600瓶/分的套標(biāo)速度，在速度上比常規(guī)控制系統(tǒng)提高30%-50%，現(xiàn)在使用外部端子對變頻器進(jìn)行控制，如果使用通訊方法進(jìn)行變頻器的控制可以方便的進(jìn)行速度控制及相應(yīng)電流、電壓、故障等參數(shù)的讀取。

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