自動包裝機橫切精度控制系統設計

鄧治宇

（重慶化工職業學院，重慶 401228）

0 引言

物聯網發展迅速，人們生活水平富足，人們對生活品質的追求越來越高，這一社會現實也促進了包裝行業的進步，促使與之相關的包裝產業得到了快速的發展。包裝業逐漸成為了經濟體制轉型中不可缺少的重要組織部分[1，2]。這也促進了包裝橫切機控制系統的產生與發展。同時紙板的生產要求走向高質量、高效率的發展要求，為了獲得更好的控制效果，為此相關學者設計了包裝橫切機控制系統。傳統系統中存在大量的技術問題有待解決。例如文獻[3]中設計了包裝自動化生產線控制系統的硬件結構以及立體庫控制軟件以及翻轉機構控制軟件，構建了一種具有智能化的包裝系統。此種系統的控制能力與當前要求中的包裝智能控制還存在一定的差異，需要對其進行性能優化[3]。文獻[4]中利用伺服電機同步實現了瓦楞紙板橫切機的全自動智能控制，通過模糊控制方法對橫切機速度跟蹤進行控制，以DSP為核心，搭建實驗平臺.所述系統能夠提高剪切效率，降低剪切誤差，滿足橫切機的設計要求.但此系統應用過程較為復雜，需要對其控制過程進行簡化[4]。

針對上述傳統系統中的不足，在本次研究中將使用PLC控制技術對其展開優化，設計基于PLC控制的包裝橫切機自動化控制系統。希望通過此系統對包裝切割機進行有效地控制，促進包裝產業發展，實現包裝產品的可持續發展。

1 包裝橫切機自動化控制系統硬件設計

針對傳統系統的系統應用過程較為復雜問題，本次研究首先對系統硬件框架展開優化。在原有系統硬件構架的基礎上，對中央控制芯片以及部分關鍵設備展開優化，優化后系統硬件框架如圖1所示。

圖1 包裝橫切機自動化控制系統硬件框架

根據上圖設計內容，完成硬件部分優化過程。使用優化后的硬件框架作為軟件模塊開發的基礎。力求在傳統系統的基礎上，實現系統的高性能優化，同時控制系統優化成本。

1.1 中央處理器設計

處理器是控制系統的核心組成零件。根據包裝產業包裝完整性依據的要求，在本次研究中使用嵌入式微處理器作為中央控制器的選型藍本。本次研究中，選用32位RISC處理器[5，6]作為核心芯片。此芯片具有高質量圖像顯示、通訊性能良好的優點，在一定程度上可降低系統開發成本。在此芯片中安裝高速存儲器、LCD控制器[7]、A/D轉換器以及100個高速通用接口。為提升此芯片對于橫切機的實時操作控制能力，以此保證時鐘單元的可控性。根據橫切機電路特征，將包裝橫切機切割控制系統結構設定如圖2所示。

圖2 包裝橫切機切割控制系統結構

將上述包裝橫切機切割控制結構與中央控制器芯片電路相結合，完成切割控制優化過程。而后，將此控制器應用到現有系統硬件框架之中，為后續的硬件設備選型提供基礎。

1.2 伺服電機優化設計

在本次設計中，為提升控制系統的使用性能，使用間接變速方式提高系統切割精度，從而達到提升系統使用性能的目標。因此，在本次研究中選擇合適的伺服電機作為補助馬達間接變速裝置，通過伺服電機有效控制包裝機切割速度切割位置精度。為系統軟件部分提供數據基礎，同時增強系統硬件結構穩定性，具體伺服電機參數設定如表1所示。

表1 伺服電機參數設定

將伺服電機安裝到硬件框架中，通過驅動器發出脈沖信號控制伺服電機旋轉角度，通過此方法有效緩解電機在工作中受到的干擾[8，9]。通過更改信號發射頻率以及脈沖數控制橫切機刀口與紙板的進給速度。將本部分的設備進行有序連接，并將其與中央控制器同時引入到系統硬件框架中，完成系統硬件設計。

1.3 PLC設備選型

本次研究中，根據橫切機技術要求，選擇小型PLC完成橫切機控制過程。根據伺服電機以及中央控制芯片的選型結果，將PLC性能參數設定如表2所示。

根據表2參數完成PLC的選型，并將其引用到優化后的系統硬件框架中，為后續的軟件開發提供平臺。

表2 PLC性能參數

2 包裝橫切機自動化控制系統軟件設計

2.1 切刀運動軌跡規劃

根據優化后的系統硬件，結合運動軌跡規劃算法[10，11]，對切刀進行智能控制。設定切刀角度位置為α，d表示切刀軌跡直徑，β表示同步角，v表示包裝材料進給速度，C表示設定的原料切割長度，c表示實際原材料剪切長度，di表示測速輪直徑，b表示編碼器分辨率，mb表示編碼器脈沖數，s表示編碼器脈沖量。通過大量文獻研究可知，原料剪切長度與切刀周長基本一致，如切刀運行速度不變，則剪切長度與預設長度一致[12]。通過公式可表示為：

根據此式(1)，可得到α，則有：

由式(2)可知，當切刀在初始時刻切斷紙板時，(0，ta)時切刀處于同步器，ta時刻切刀進入補償區，(ta，tc)時刻切刀位于補償區，tc時刻切刀進入同步區，(tc，td)時切刀位于同步區。根據此原理，則有：

根據式(3)～式(6)，可得到橫切機運行周期中的余弦函數方程，具體如式(7)所示：

使用此公式，對切刀運行周期進行控制，保證實際切割長度與預設原料切割長度一致。

2.2 橫切機模糊控制

使用上述設計內容對橫切機切刀展開控制，與此同時，使用PID控制算法[13～15]對橫切機整體進行控制。設定橫切機的動態過程如式(8)所示：

上述公式可得到橫切機的最高轉速，根據此公式可對橫切機轉矩展開計算，具體過程如式(9)所示：

式中，Zp表示橫切機的轉矩；Zv表示橫切機使用時，加工外界力折算到橫切機的轉矩；Zr表示摩擦力折算到橫切機的轉矩；Zg表示其他部件折算到橫切機上的轉矩。對于橫切機而言，設備自身的重力折算到其自身上的轉矩基本為0，由此可知：

對式(10)進行整合可得到橫切機使用過程中的摩擦轉矩，則有：

式(11)中，Zw表示橫切機中同步電機轉矩分量，Zo表示橫切機轉矩脈動，Zh表示支撐軸轉矩，λi表示橫切機的剪切電流。將上述橫切機轉矩計算部分與PID控制器相結合，完成對橫切機的整體控制過程。將切刀運動軌跡規劃優化結果與硬件優化內容相結合，至此，基于PLC控制的包裝橫切機自動化控制系統設計完成。

3 系統測試

3.1 系統測試平臺

在本次研究中，針對傳統包裝橫切機自動化控制系統在使用中出現的切割誤差較大及橫切機調節時長較長等問題，引用PLC設備設計了基于PLC控制的包裝橫切機自動化控制系統。為證實此系統具有研究價值，對其展開系統測試，驗證PLC系統與傳統系統的使用差異。在本次研究中將主要對系統性能部分進行研究，因此，將橫切機的基本參數設定如下，避免由于測試主體不同造成測試結果的失真問題。

表3 橫切機基本參數

將上述設定數據作為測試對象的主要參數，使用PLC系統與傳統系統對其進行控制。為降低測試結果的分析難度，將設定對應的測試指標用以衡量PLC系統與傳統系統的使用效果。

3.2 系統測試方案

在本次系統測試中，將首先對文中提出的PLC系統硬件連接以及系統功能展開運行測試，如測試結果符合系統應用要求，可將其與傳統系統進行性能對比測試。經硬件連接測試可知，PLC系統硬件連接穩定，無漏電等不良情況出現。對其進行功能測試可以發現，PLC系統功能運行穩定，符合當前包裝橫切機自動控制要求。因此，可對其展開性能測試。

本次測試中，將系統測試指標設定為三部分，切刀長度控制能力、速度調節能力以及橫切機調節時長。此三組指標對控制系統的速度調節能力以及切刀控制能力進行分析。通過上述指標對PLC系統與傳統系統的應用功能進行研究。

3.3 測試結果分析

為了驗證本文方法的有效性，需要通過仿真實驗獲得不同方法下包裝橫切機控制系統的抗干擾效果，得到結果如表4所示。

表4 包裝橫切機控制系統的切割誤差

分析表4可知，不同系統的切割誤差不同。當切刀剪切速度為10m/min，文獻[3]系統的切割誤差為5.22mm，文獻[4]系統的切割誤差為3.66mm，設計系統的切割誤差為1.12mm。當切刀剪切速度為50m/min，文獻[3]系統的切割誤差為7.65mm，文獻[4]系統的切割誤差為4.62mm，設計系統的切割誤差為0.32mm。通過測試結果可知，設計的包裝橫切機控制系統的切割誤差明顯高于其他系統，這是由于PLC系統中增設了切刀運動軌跡規劃模塊有效控制了切刀的出刀長度，提升了系統對于切刀的控制能力。綜合上述測試結果可知，PLC系統的使用效果更加穩定。

為了驗證設計系統的包裝橫切機速度調節能力，采用文獻[3]系統、文獻[4]系統及設計系統進行橫切機速度調節能力檢測，得到結果如圖3所示。

圖3 速度調節能力

由上述實驗圖像可以看出，PLC系統的速度調節能力明顯優于傳統系統的速度調節能力。在本次研究中，將速度調節能力體現為速度調節后的橫切機運行速度與預設速度的誤差情況。經實驗結果證實，PLC系統使用后，橫切機的運行速度與預設速度較為一致，可有效提升橫切機的使用功能。傳統系統在一定程度上也可以較好地橫切機運行速度，但與預設速度存在相應的誤差，容易造成原料浪費的問題。因此，在后續的研究中，還應對控制系統的速度調節能力進行優化。

為了驗證設計的包裝橫切機控制系統的橫切機調節效果，采用文獻[3]系統、文獻[4]系統及設計系統進行橫切機調節時長檢測，得到結果如圖4所示。（備注：調節時長指系統檢測出橫切長度有誤差后自動調整到合格長度的調節時間）。

圖4 橫切機調節時長

分析圖4可知，測試次數為2次時，文獻[3]系統的橫切機調節時長為22s，文獻[4]系統的橫切機調節時長為27.5s，設計系統的橫切機調節時長為17s。經上述實驗結果證實，PLC系統的控制能力較高，可在較短的時間內實現對包裝橫切機的控制過程，提升包裝橫切機的使用效果，降低包裝材料的浪費情況。傳統系統的橫切機調節過程耗時較長，使用效果較差。由于耗時問題，無法對橫切機進行及時有效的控制，造成相應的原料浪費問題。針對此測試結果可初步確定PLC系統的控制能力與使用效果均優于傳統系統。

將系統功能測試結果與系統性能測試結果融合分析可以發現，PLC系統具有傳統系統無法達到的使用效果，將其應用在包裝行業中可促進此行業發展。

4 結語

本次研究在包裝橫切機控制系統的基礎上研制出了一種更為先進的控制端，能夠有效提升橫切機控制精度。本次研究中對傳統系統的不足進行完善，但由于技術的限制，還存在相應的問題，在日后的研究中還需要對其進行性能優化與升級。