吹灌封設(shè)備模架精確定位控制研究

李福進(jìn)，郭 磊，史 濤

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

1 引言

我國正面臨著快速老齡化以及精神壓力過大造成亞健康人群逐漸擴(kuò)大等社會問題，隨之對醫(yī)藥的需求量越來越大，伴之，對醫(yī)藥注射劑封裝質(zhì)量、安全可靠、方便快捷逐漸引起了消費(fèi)者的關(guān)注。我國吹灌封（BFS）設(shè)備醫(yī)藥注射劑封裝機(jī)伴隨自動化智能化技術(shù)的發(fā)展，也取得了非常大的進(jìn)步[1-2]。

吹灌封（BFS）封裝設(shè)備是將以往獨(dú)立的吹瓶、灌裝、封蓋單元通過控制技術(shù)和機(jī)械傳輸機(jī)構(gòu)結(jié)合在同一個工作平臺上自動完成上述工序的工業(yè)設(shè)備[3]。其中在吹灌封（BFS）設(shè)中，模架定位的精確性不僅會影響灌裝工藝流程中注射針精確注射到安培瓶中，而且還會對設(shè)備造成損壞，降低了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。國內(nèi)外很多專家學(xué)者對精確定位控制的方法及領(lǐng)域進(jìn)行了研究[4-5]。在吹灌封（BFS）設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝流程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了伺服移模運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和控制原理圖。針對控制器將傳統(tǒng)的PID和設(shè)計(jì)的模糊控制器在仿真下進(jìn)行對比驗(yàn)證。最后對模架定位精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 吹-灌-封設(shè)備

2.1 吹-灌-封三合一設(shè)備結(jié)構(gòu)

研究的吹-灌-封三合一設(shè)備主要由擠出機(jī)、橫切器、獨(dú)立的模架及模具、注液模頭（腔）、底部釵叉、輸出裝置組成。

擠出機(jī)：它是由擠壓、傳動、加熱和冷卻系統(tǒng)共同組成的。擠壓系統(tǒng)主要由料斗、機(jī)筒、螺桿、機(jī)頭和模具等共同組成；傳動系統(tǒng)的主要作用是驅(qū)動螺桿保證在擠出過程中產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)牧睾娃D(zhuǎn)速；而加熱和冷卻系統(tǒng)是擠出機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵保證。塑料顆粒通過擠壓系統(tǒng)而塑化成均勻的熔體被螺桿連續(xù)的擠出機(jī)頭形成型坯，型坯內(nèi)部有連續(xù)的無菌空氣吹入。

橫切器：橫切器是經(jīng)擠出機(jī)頭形成型坯后送入模具并在一次合模時(shí)按照設(shè)定的長度參數(shù)進(jìn)行橫向封合和切斷。

模架：模架即模具的支撐，它是由推出機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、預(yù)復(fù)位機(jī)構(gòu)模腳墊塊和座板組成。

注液模頭：是吹-灌-封三合一設(shè)備較為重要的核心部件之一，主要作用是初次合模以后通過導(dǎo)軌將模具精確移動到注液機(jī)構(gòu)下，通過注射模頭進(jìn)行所需液體的注射。

底部的釵叉：當(dāng)模具夾著型胚運(yùn)動到注射腔下時(shí)，釵叉上升，等到注液完成時(shí)隨著釵叉的下降包裝成品隨著下降，等待輸出裝置的輸出。

輸出裝置：輸出裝置夾著封裝好的成品運(yùn)送到指定位置。

BFS設(shè)備的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

2.2 吹-灌-封三合一設(shè)備工藝流程

BFS設(shè)備工藝流程，如圖2所示。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart

其中，固體小顆粒在螺桿擠出機(jī)中熔化形成型坯并吹入無菌空氣后，由移模機(jī)構(gòu)移動模具完成第一合模，并將其精準(zhǔn)的移動到注射模槍下實(shí)現(xiàn)無菌溶液的注入同時(shí)底部的釵叉升起支撐BFS安瓶隨后完成二次合模并鎖模，最后由輸出裝置送出成品。

3 移模控制

在吹灌封（BFS）設(shè)備中，對于移模控制而言，伺服電機(jī)將動力傳送給主動帶輪的同時(shí)，從動帶輪在同步帶的帶動下轉(zhuǎn)動并將動力傳送給滾珠絲桿，來驅(qū)動滾珠絲桿上的工作平臺做反復(fù)運(yùn)動。在模架移動的形成中，電子尺測出當(dāng)前的實(shí)際移動位置與給定的位置形成偏差信號，偏差信號經(jīng)過相應(yīng)的處理信號后傳遞給位置控制器，形成全閉環(huán)控制，來實(shí)現(xiàn)模架移動的精確定位[6]。

在模架運(yùn)動的整個過程中，電子尺隨時(shí)都在檢測位置變化。電子尺具有三個接線端，其中一個接線端會隨著模架做相應(yīng)的移動，其他兩個接線端都接入10V的直流電壓。因此，模架運(yùn)動的整個過程中接線端輸出的電壓會呈現(xiàn)線性的變化狀態(tài)。在整個過程中控制器中的AI模塊接收來自電子尺輸出從的（0～10）V之間的電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換成（0～32767）之間的數(shù)值。因此，我們將從AI模塊中讀取的（0～32767）之間的數(shù)值作為模架位移的位移單元，即1mm=75。整個控制原理，如圖3所示。

圖3 移模控制原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Shift Mode Control

4 PID、模糊控制器設(shè)計(jì)

4.1 PID控制

PID控制方式是目前位置最為成熟并且應(yīng)用最為廣泛的控制方式，它具有結(jié)構(gòu)相對簡單，控制參數(shù)易于調(diào)整，并且在多年的研究中積累了大量的控制經(jīng)驗(yàn)。首先PID控制器針對給定值和被控值得到偏差量，之后偏差量經(jīng)比例、微分和積分環(huán)節(jié)最后求和得到控制量[7]。因此PID控制表達(dá)式為：

模架精確定位PID控制結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 移模PID控制原理圖Fig.4 Schematic Diagram of the Shifting PID Control

其基本控制原理為：電子尺測出模架的實(shí)際位置信號并反饋給輸入端形成位置偏差信號，再經(jīng)過PID控制器的比例、微分、積分環(huán)節(jié)后經(jīng)過求和運(yùn)算，將控制信號送入伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，控制信號的絕對值為伺服驅(qū)動器輸入的脈沖頻率，其方向?yàn)轵?qū)動器的脈沖方向。從而驅(qū)動伺服電機(jī)做出相應(yīng)的響應(yīng)，最后由機(jī)械傳動系統(tǒng)中的同步帶及滾珠絲桿帶動模架做出相對運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)模架的精確定位。

4.2 模糊控制器

上為了提高控制器的基本性能，采用二維的雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。控制器的輸入為模架移動的偏差量和偏差量的變化率。輸出量為伺服驅(qū)動器指令的脈沖，它的方向由輸出量結(jié)果的符號所確定。模架精確定位模糊控制的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 移模模糊控制原理圖Fig.5 Schematic Diagram of Shift Mode Fuzzy Control

模糊控制中的論域通常分為基本論域及模糊論域。其中基本論域?yàn)榭刂破鬏斎胼敵隽康淖兓秶蔷_的描述方式。輸入變量基本論域由量化因子經(jīng)過模糊化處理轉(zhuǎn)換成模糊論域，經(jīng)模糊化的輸入變量運(yùn)送到模糊推理中的出相應(yīng)的控制量，但控制量又屬于模糊論域中，不能直接被執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用，要通比例因子Ku轉(zhuǎn)化成能被控制對象所能接收的基本論域中相對的信號[8-9]。

在模架運(yùn)動中，模架左右的距離共為400mm，相對應(yīng)的電子尺的讀數(shù)為30000，偏差量e的變化范圍為[-30000 30000]。在伺服驅(qū)動器上來設(shè)定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為750r∕min，由左右模架之間的距離得到模架移動的速度為18070units∕s。因此，偏差量變化率的最大值為模架移動速度的最大值。所以，e c的變化范圍為[-18070 18070]。

設(shè)偏差量、偏差量變化率及輸出量的模糊論域均為[-6 6]，得出偏差量e的量化因子k e=0.0002和偏差量變化率e c的量化因子k ec=0.00032。為了將伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速控制在750r∕min之內(nèi)，必須對驅(qū)動器的脈沖限制在37500Hz以內(nèi)。所以比例因子k u的值為1∕6250。

模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，分別對應(yīng)為：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。采用相對簡單類型的三角形隸屬度函數(shù)為變量進(jìn)行模糊化處理，來提高運(yùn)算速度。

模糊控制規(guī)則通常包括在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，并且是用模糊語言變量來進(jìn)行描述的控制規(guī)則。模糊控制的控制條件和規(guī)則成正比，控制條件和規(guī)則越多，相對的控制性能就越好，然而，需要滿足的控制要求也會隨之增多，因此，并不是越多越好。本次移模模糊控制中，模糊推理機(jī)的輸入量分別為偏差量e(t)和偏差量的變化率ec(t)并且都是有7個語言變量進(jìn)行的描述，所以控制條件一共有49個。因此，制定的控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)制表Tab.1 Fuzzy Control Regulation Table

4.3 仿真對比分析

根據(jù)移模位置控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的PID和模糊控制器，從起始位置為模架左4000（53.3mm）處，終止位置為34000（461.83mm）處，對PID、模糊控制單位階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行了對比。Matlab∕Simulink仿真圖，如圖6所示。

圖6 模糊控制與PID控制階躍響應(yīng)曲線Fig.6 Fuzzy Control and PID Control Step Response Curve

從PID仿真曲線得，在t=2.5s左右，模架已經(jīng)到達(dá)了設(shè)定值34000；但一直在34000波動且波動幅度較大，并且依次經(jīng)過很多次振蕩，直到t=15s左右才逐漸達(dá)到了平衡位置，達(dá)到了設(shè)定值。

而在模糊控制仿真曲線中，在t=3s達(dá)到設(shè)定值34000；且波動一次后在t=9s時(shí)逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)定值34000。

采用傳統(tǒng)方式的PID控制，雖然響應(yīng)時(shí)間相對較短，但是超調(diào)量及波動性能明顯大于模糊控制的超調(diào)量且較大的波動對電機(jī)及機(jī)械傳動等零部件造成損壞。且在控制仿真模擬過程中，改變其控制參數(shù)依舊能平穩(wěn)的運(yùn)行。說明具有一定的魯棒性。因此，模糊控制優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。

5 模架定位精度實(shí)驗(yàn)及分析

通常定位的方式分為路徑方式和PTP方式。路徑方式指的是被控對象在運(yùn)動的整個過程中所經(jīng)過的總路線，而PTP的定位方式不會關(guān)心經(jīng)過的所有路徑，只關(guān)心移動過程中兩點(diǎn)之間的位移。吹灌封（BFS）設(shè)備所用模架是在導(dǎo)軌上做相對的直線運(yùn)動，模架左與模架右之間的位置是估定的，只關(guān)心模架的精確定位精度。因此，采用PTP的定位方式，且按照國家基本標(biāo)準(zhǔn)（GB∕T 1742102-200）對吹灌封（BFS）設(shè)備模架的直線移動位置進(jìn)行精度測試[10]。

模架在移動到制瓶和注液工位時(shí)，必須保證其精確的定位，從模架右位置（34000）運(yùn)動到模架左位置（4000）指正方向的運(yùn)動，用符號↑表示。從模架左位置（4000）運(yùn)動到模架右位置（34000）指負(fù)方向運(yùn)動，用符號↓表示。每次模架移動完成整個工序，都需要對模架完成一個完整的從左位置到右位置的測試。先從模架的左位置運(yùn)動到模架右位置，同時(shí)記錄相應(yīng)電子尺的讀數(shù)Pi↑，然后再從模架的右位置運(yùn)動到模架的左位置再記錄電子尺的讀數(shù)Pi↓。一共檢測了10組數(shù)據(jù)，每組2次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如2表所示。其中模架實(shí)際抵達(dá)的位置與設(shè)定的位置的偏差分別為Xi↑和Xi↓。

表2 測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test Data

根據(jù)GB∕T 17421.2—2000標(biāo)準(zhǔn)，所得到的計(jì)算結(jié)果，如表3所示。但在模架移動的整個過程中實(shí)際距離會和測試得到的數(shù)據(jù)之間存在某種比例關(guān)系：k=（461.83-55.3）∕（34000-4000）因此，模架左的實(shí)際定位精確度為：A1=k*A↑=0.781（mm），模架右的實(shí)際定位精確度為：A1=k*A↓=0.965（mm）符號設(shè)計(jì)的需求。

表3 移模定位精度Tab.3 Positioning Accuracy of Shifting

6 結(jié)論

針對模架定位精度不足不僅會影響灌裝工藝流程中注射針精確的注射到安培瓶中，還會造成部分零部件的損壞等問題。構(gòu)建了伺服移模運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和控制原理圖，并運(yùn)用模糊控制完成了對模架的精確定位。最后，對模架定位精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出模架左的實(shí)際定位精度為0.781mm，模架右的實(shí)際定位精度為0.965mm。該方法達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。