自动化包装机械控制系统的设计方法研究

杜巧连， 陈旭辉， 舒柏和

（1.浙江师范大学行知学院，浙江 金华 321004；2.浙江金华市技师学院，浙江 金华 321000；3.金华汉生机电控制工程有限公司，浙江 金华 321000）

引言

我国经济快速发展，给包装机械行业的发展带来了机遇。调查资料表明，随着包装机械需求量的不断提升，全球的包装机械需求每年以5.3%的速度在增长［1］，同时市场竞争也日益激烈。包装机械行业要想实现可持续发展，必须在技术水平上有所创新。从国内外包装机械现状和发展趋势来看［2］，国外包装机械行业根据商品包装多样性的需求，充分利用现代化科技与应用相关高新技术，已生产出多品种、小批量的通用包装机械，并且开发出专用包装机械。近年来，我国包装机械有了高速发展，但在数量、质量方面和国外发达国家相比，产品开发技术、性能质量、可靠性等方面仍存在很大差距。欲缩短相关差距，不仅要有优秀的设计方案，还需要有先进的制造工艺，只有从设计与制造两方面入手，才能制造出性能良好的包装机械。而设计方法在很大程度上决定了设计的优劣，因此，研究包装机械的设计方法极其重要。本文以高速创可贴生产包装机械为例，从研究包装机械的设计方法入手，分析了自动包装机械模块化设计的基本方法，并在设计方法层面上提出了创新思路，以实现包装机械的自动化、柔性化和智能化。

1 创可贴包装机械的设计特点

创可贴包装机械的一般生产工艺为：涂布－分切－复合－包装－灭菌，核心在于复合－包装这一段，不同的厂家有不同的设备去处理。目前，大多数国内厂家采用三步法设备。第一步：复合。常采用三联复合方式，将药棉垫、医用胶带、复膜纸复合。第二步：冲片。用三个工位滚切刀将复合好的基材冲切成创可贴片。第三步：包装。将创可贴片置于双层冷封纸内压合、切断、包装。这种 “三步法”设备投资少，工艺简单。但由于效率低，消耗人工多，已不能适应厂家生产创可贴的自动化要求，为此，将三步并一步的创可贴复合包装机应运而生。

随着电子技术、计算机技术的发展，新型运动控制系统是创可贴包装机的核心。为适应创可贴机械的自动化要求，需对原运动控制系统进行改进。如：将原有单一电机驱动改为多个独立的伺服电机驱动以提高高速运行时的控制精度；采用运动控制器进行多轴控制编程以提高设备稳定性和可靠性；使用新的代码编写程序减少了产品换型时间等。创可贴包装机械由7～14轴伺服轴传动控制，运行中，各轴之间位置以及速度相对应关系十分重要，分别控制包装纸、胶布、复膜纸、药棉等部分。在整个系统中，包括三个小包装系统，由三个工位组成。通过三个工位配合动作，最终把药棉、胶布、复膜纸、包装纸组合成创可贴。

2 包装机械自动化产品模块设计

2.1 包装机械模块化设计特点

自动化技术的应用改变着包装机械行业的设计与制造方法，要研究创可贴包装机械的设计方法，必须先从包装机械的特点入手，包装机械的设计应综合运用机、电、光、气一体化技术提高自动化水平，以实现包装机械自动化，提高生产率和产品质量。

现代包装机械设计时，模块化设计是一种先进的设计方法，核心思想是根据功能划分成多个模块进行设计，然后通过模块设计的不同组合，使相应的包装机械设计实现系统化和功能化。

模块化设计有以下特点［3］：

1）有利于产品柔性化水平的提高。采用模块化设计，由实现不同功能的各模块组成产品，可使产品的结构与性能有更好的适应性。

2）有利于小批量、多品种生产。采用模块化设计，针对用户的要求，只需设计或更换个别模块，实现适合小批量、多品种、多功能机器的制造生产，还可缩短设计周期。

3）有利于提高产品质量。采用模块化设计，有利于先进加工制造技术的应用。由于一些零部件标准化程度高，使产品具有良好的性能和较高的可靠性。

4）有利于降低成本。采用模块化设计可使大多数零部件由单个、小批量生产变为批量生产，有利于降低成本。

2.2 包装机械自动化产品模块设计研究

在包装机械上使用的自动化产品按功能分主要有控制、传动、运动控制、人机界面、电器元件、传感器以及机器视觉［4］。下面以高速创可贴生产包装机械为例，分别介绍传动系统模块设计、人机界面模块设计、运动控制模块设计和控制系统模块的设计。

1）传动系统模块设计。在高速创可贴包装机械传动系统模块设计时，传动系统在包装机械上的使用主要是为了调整主工艺速度以及控制电机在生产过程中速度的周期性变化。传动系统模块由多个伺服轴进行传动控制，分别控制包装纸、胶布、复膜纸、药棉等部分的传动。在整个传动系统中，包括三个小包装系统，由三个工位组成。通过三个工位配合动作，最终把药棉、胶布、复膜纸、包装纸组合成创可贴。三个工位滚切刀采用单独伺服电机驱动控制，各部件牵引单独伺服电机驱动。运行中，各轴之间位置以及速度相对应关系十分重要。为了克服转动惯量对定位及速度同步控制的影响，各伺服电机都增加了伺服减速机。高速创可贴包装机械的总线型运动控制器内含PLC模块和运动控制模块，运动控制模块可对伺服运动轴进行精密控制，以完成用户期望的速度控制及位置控制。同时传动系统模块可扩展以太网模块以及其他总线模块。总线型运动控制器运行速度快，接口丰富，可以满足高速创可贴包装机应用要求。

2）人机界面模块设计。高速创可贴包装机械人机界面模块设计时，人机界面模块采用大数据理念，对设备运行数据、故障停机数据、故障原因记录数据等进行记录。包装机械的HMI以文本显示器为主，人机界面模块使用触摸屏，采用配方管理功能，通常与PLC配合使用，用以设定生产工艺参数，监控设备运行状态。当用户更换产品时只需更换相应的成型模具，其他机械传动齿轮不需要按产品要求去更换，系统可以根据用户产品要求，在配方表中选择，系统工艺参数自动更换。

3）运动控制模块设计。为使运动控制模块的设计满足生产需求，运动控制在包装机上的应用主要是实现精确的位置控制和严格的速度同步，由于伺服电机具有自动调整、响应速度快、低振动等优点，主要通过伺服电机来实现。创可贴包装机械整机运动部件，包括胶布剥离、药棉输送、胶带牵引、药棉滚切、冲片牵引、冲片滚切、包装牵引、包装滚切等，都采用独立伺服电机驱动，该运动控制模块控制方式灵活，可适应不同产品加工生产要求。

创口贴包装机上的运动控制系统是整个设备的自动控制核心，设计时将原有单一电机驱动改为多个独立的伺服电机驱动，提高了高速运行时的控制精度；采用运动控制器进行多轴控制编程，提高了设备稳定性和可靠性；使用新的代码编写程序，减少了产品换型时间等，这一系列的改变都大大提高了设备的工作效率。

4）控制系统模块设计。PLC控制系统具有可靠性高、程序设计方便灵活、抗干扰能力强、运行稳定等优点，包装机械的大部分控制系统选择使用了PLC控制系统。创可贴包装机械控制系统模块设计采用多伺服轴同步控制技术。整机系统由一组独立子系统一起工作来执行一项任务，不但要考虑每个子系统的控制策略，还要综合考虑子系统之间的合作、协调关系，即同步控制策略。系统的误差是各参与轴合成运动形成的，多轴的合成运动反映在产品误差上，直接影响最终产品的精度。

总线型运动控制器与伺服传动轴控制器通过CANopen总线控制，各轴都由一定的位置与速度关系组成。系统构建一个虚轴作为一个基准轴，各轴都会跟随这个虚主轴来确定相应的速度以及位置。整个系统运行与停止都由虚轴决定，各轴通过电子齿轮与主轴构建比例关系，以达到系统运行的稳定。在启动包装纸色标以及胶布色标时，需要进行高速位置捕获。设计时把伺服编码器信号接到总线控制器编码器接口，通过建立虚拟编码器轴对该轴进行位置捕获，从而得到位置。各轴通过与虚主轴建立电子齿轮，以完成各轴的同步运行，且通过编码器虚轴捕获位置，达到一个全闭环控制系统。

3 包装机械自动化创新设计的新思路

新型自动化包装机械往往是机、电、气一体化的设备［5］。采用多伺服电机拖动的同步控制技术是包装机械自动化的关键技术之一。自动化包装机设计时应充分利用产品的最新成果与信息技术，简化整机的结构，缩短传动链，提高工作精度和速度。现阶段，包装机械创新设计的新思路为［6］：

1）提高工艺流程自动化。新型包装机械采用机械手完成复杂的动作，自动化程度越来越高，以提高生产率和设备的柔性及灵活性。自动化技术只占包装机械设计的50%以上，大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。

2）使产品机械和包装机械一体化。两者的一体化，包装机械往往成为生产的“瓶颈”，关键是要解决好生产能力相互匹配的问题。因此要寻求提高生产率途径，以降低工艺流程成本。

3）新型包装机械应具有良好的柔性和灵活性。由于市场的激烈竞争，产品更新换代的周期越来越短，因此要求新型包装机械具有良好的柔性和灵活性以适应产品变化，才能符合经济性的要求。

4）使用计算机仿真设计技术。随着新产品开发速度不断加快，包装机械设计普遍采用了计算机仿真设计技术，对包装机中常用机构进行有限元分析和优化设计，大大缩短了包装机械的开发设计周期。

总之，包装机械设计不仅实现包装机械的自动化、柔性化和智能化，还要重视生产效率，注重经济性。

4 结语

包装机械行业属于现代工业的配套行业，涉及到国民经济的许多领域，是正处于产业结构调整中的中国经济，要想让自己的产品提高产品附加值，提高产品的国际市场竞争力，必须努力发展科技，提高产品质量，同时还需努力发展包装机械行业，改变目前包装机械落后的局面。国外包装机械的总体趋势是“三高”——高速、高效、高质量。要想缩小我国与欧美国家之间的差距，就必须将自动化技术引入到包装机械，实现高速、优质、低耗和安全生产。

［1］ 王柳莹.就我国实现全面包装机械自动化的相关探讨［J］.包装世界，2013（5）：24－25.

［2］ 朱建萍，王鹏.包装机械设计方法研究［J］.包装工程，2007，28（7）：89－91.

［3］ 高德.包装机械设计［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［4］ 韩占华，郭飞.自动化在包装机械中的应用和展望［J］.包装与食品机械，2011，29（3）：45－52.

［5］ 刘守谦.改进包装机械设计方法的新思路［J］.轻工机械，2005，23（4）：1－3.

［6］ 钟功望.德国包装机械自动化［J］.中国包装工业，2006（9）：21－22.