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台达运动控制器20Pm在连续式立式包装机中的应用改


连续式立式包裝機 立式包裝機中 台达运动控制器 20Pm 在连续式立式包裝機中的应用 摘要: 摘要: 本文主要介绍台达 20PM 运动控制器在连续式立式包裝行业的应用, 关键字: 关键字:台达 20PM 运动控制器 凸轮功能 CAM 曲线 连续 间歇式 追标

一:前言 立式包装机是将卷筒状的挠性包装材料制成袋筒,充入物料后,进行封口,三个功能自动连续完

成的 机器。配合上道的计量冲填机械,立式包装机常用于包装块状、片状、粒状、梗枝状、粉状以及流体和 半流体物料。 立式包装通常分为连续式包装机和间歇式包装机。

二 包装机介绍 1 设备的机构示意图如下。

1-薄膜卷筒 2-浮动辊 3-压辊 4-张力单元 5-翻领成型器 6-纵向封口 7-橡胶带 8,9-横向封口 如上图所示,间歇式垂直包装机的横封装置固定在一个位置上,每次封口的时候,拉薄膜的动作定制, 封口达到一定时间以后才能脱开再继续拉薄膜, 而连续式垂直包装机则可以不停止拉薄膜动作, 在实施 完全压合动作过程中整个横封台保持与薄膜牵引一致的速度, 完成以后退开横封台, 到一定位置后再飞

快退回到上面的位置上。因为连续式生产效率高,目前连续式代替间歇式是个趋势。但是同样是 连续式,有机械凸轮实现的,有利用伺服电机利用电子凸轮实现两种方式。其中机械式在跟换包装 膜长度时需调整机械应用十分不方便,且机械惯性大,速度提不高。所以连续式包装机用电子凸轮 控制伺服方式就成为首选

2,工作原理 其工作原理为:放在支承装置上的卷筒薄膜,绕经导棍组、张紧装置,由光电检测控制装置对包装材料 上商标图案位置进行检测后, 通过成型器卷成薄膜圆筒裹包在充填管的表面。 先用纵向热封器对卷成圆 筒的接口部位薄膜进行纵向热封,得到密封管筒,然后筒状薄膜移动到横向热封器处进行横封,构成包 装袋筒。计量装置把计量好的物品,通过上部充填管充填入包装袋内,再由横向热封器热封并在居中切 断,形成包装袋单元体,同时形成下一个筒袋的底部封口。

工艺流程图: 工艺流程图:

3,控制方案 在本方案中使用台达的 20PM PLC 作为控制核心,采用两台 AB 伺服作为牵引驱动,采用一台 A2 伺服 驱动热封,来实现最主要的横封台动作,完成一个“D”字形的动作(该动作也同时完全适合高速的连续 式水平枕式包装机,适合高速包装更大的块状物的包装) 。加热部分采用台达 DTE 控制器

上图所示为电气控制原理,图中分为拉膜单元和热封剪切单元,拉膜单元通过 EH2 上的脉冲输出,给 伺服脉冲信号控制拉膜速度,热封单元由 20PM,根据 HMI 设定的长度,以及编码器反馈的物料的速 度和位置,控制热封剪切伺服动作,对膜进行定长热封裁切。20pm 硬件具有 500K 的高速输入与输出 脉冲,完全适应高速的响应与控制。

三 电子凸轮旋切原理 ( 1)短热封裁切,同步点伺服同步速度与编码器速度的倍率是固定的 在短热封旋切过程中,最重要的是速度同步,比如在切刀接触到物料时一定要与物料速度同步,如 果接触时切刀速度大于同步速度,出现对物料一个向前牵扯的力,会照成物料切面不平,如果速度低于

物料速度,会出现堵料的现象。如下图所示

这个图是标准的短裁切,可以認為切刀與物料接觸只是在一點上,理論上規劃同步點只要一點 即可,但是爲了可靠,我們可以把紅線以的區域下設為同步區, (定义为切刀与材料接触的前后一段) 保證到切點時速度一定與線速度同步即可。在剪断长小于刀周长的情况下,在同步区,切刀线速度与物 料同步,过了同步区以后,为了赶上下一次切断切刀加速。在剪断长大于 1 倍刀周长并小于 2 倍刀周长 的情况下,剪断动作完成后,切刀减速,然后再加速到同步进行下一次剪切。做为特例在剪断长度等于 刀周长时切刀匀速运动,在剪断长大于 2 倍刀周长情况下(这也是最常见的一种情况) ,在一个周期中, 刀刃在剪断同步完成后,减速到停止,等待一定长度过去后,启动下次裁切。下面来计算同步倍率,假 设 主軸直徑 D1 (mm) 主軸一圈脈波數 R1 (Pulses/Rev) 主軸速度 F1(Hz) 主軸速度 V1(mm/sec) 從軸直徑 D2 (mm) 從軸一圈脈波數 R2 (Pulses/Rev) 從軸速度 F2(Hz) 從軸速度 V2(mm/sec) 所以同步點的伺服從軸所需的速度 V2=V1, (F1*3.14*D1/R1) = (F2*3.14*D2/R2)? F2/F1 = (D1*R2)/(D2*R1) 通过这个公式,可以算出 20PM 与编码器输入脉冲频率的比率, 然后通过 20PM 的飞剪公式,生成飞剪 CAM 曲线

X0 DTO K100 D0 D100 K7

其中 D0=k10000 ? 建立飛剪 CAM data D101..D100 ?? 整數格式 主軸長度, (無法滿足自動計算適合長度) D103..D102 ? 整數格式 從軸長度 D105..D104 ? 整數格式 從軸同步長度 D107..D106 ? 浮點格式 從軸同步倍率(F2/F1) D109..D108 ? 浮點格式 從軸最高倍率限制 就会动态生成飞剪的 CAM 曲线。

2

50%同步区 1

1.5 1

30%同步区

0

0

根据 F2/F1 = (D1*R2)/(D2*R1)公式,可以看出同步区的同步倍率是固定的。 我们过去所做的电缆飞剪,纸张飞剪采用的都是上述模式。 2 长同步热封原理

采用一台 A2 伺服驱动热封,来实现最主要的横封台动作,完成一个“D”字形的动作(该动作也同 时完全适合高速的连续式水平枕式包装机,适合高速包装更大的块状物的包装) 。 如下图,當進入同步裁切區后,物料水平移動送料與切刀水平速度相同,才能達到垂直和不產生弧 形。下面来计算速度同步关系由以上公式可知道: 同樣的在同步區範圍内送料與切刀水平速度相同,才能達到垂直和不產生弧形。 同步区运动的数学模型如图,其中假设r= 60mm( r 为偏心轴半径), ? sync =80°(0°~80°为同 步区),? cut = 60°(10°~70°为剪切区域),同步区之外的区域为补偿区。这里同步区大于剪切区 域,是因为需要有一定距离来平滑速度的变化,否则会造成较大的机械冲击。

= = (2
为了让剪切刀实现平滑的加减速运动,在同步区的0°~10°、70°~80°各附加一段过渡曲线,以 使速度平滑过渡,减小机械冲击,附加过渡曲线后的同步区剪切刀速度曲线如下: 图4 同步区运动曲线 添加同步区曲线后,在中料剪切时完整的剪切刀速度曲线实测如下图 所示,该运动曲线能完全满足飞 剪运

上述为长同步区热封的原理介绍,实际应用中应用 20PM 的补偿曲线公式可自动生成,无需用户

自己计算。 四 程序设计介绍 整个程序结构包括初始化、参数计算、裁切曲线动态调整、原点回归和点动等等。 1 介绍相关参数填写生成动态长同步裁切曲线过程

厚料裁切曲线生成指令为
DTO k0 D0 D100 k8

其中
D0=k10000  D101..D100  D103..D102  D105..D104 D107..D106  D109..D108  D111..D110  D113..D112  D115..D114  D117..D116  D119..D118  D121..D120  建立厚料飛剪 CAM data 格式(1 厚料飛剪, others) 整數格式 主軸一週脈波數 整數格式 主軸一週長度(mm) 整數格式 從軸一週脈波數 整數格式 從軸一週長度(mm) 整數格式 從軸同步起始角度180~360 整數格式 從軸同步結束角度180~360 整數格式 主軸切長(mm) 整數格式 從軸刀數(把) 整數格式 主軸同步區前長度(mm) 整數格式 從軸同步區前夾角θ1 (度)

现场测长轮周长为 210.5MM,编码器线数为 2500PULSE, 四倍频就为 10000PULSE, 测长轮与编码器通过 1: 1 的减速器 相连,也 就是 测长轮走 一圈,编 码器走 10000PULSE, 裁切热封 轮伺服一 圈脉冲数 为 1280000PULSE,伺服电机通过 320:17 的减速器与切刀机构相连,也就是裁切热封切刀机构走一圈,伺 服需接受 1280000*320/17 PULSE 命令,通过把伺服齿轮比设为 4096/17,使发出 100000 个脉冲切刀轮 走一圈,切刀轮周长位 295.3MM。 切长为 D600PULSE(在定长方式为用户设置,在追标方式为标与标之间脉冲数) ,切入点角度θ=220 度, 同步结束角度 300 度, 这里切入点角度与结束角度与机械设计,一旦上述确定就固定下来是个常数,切入角度 设置必须小于或等于实际切入角度, 如果设定切入角度大于实际切入角度会出现切入点有弧, 同样设置 同步结束角度必须大于或等于同步结束角度。还要需要设定在切入前非同步区 材料(主轴走的距离) 。

格 式 (1 厚 料 飛 剪 ,

主軸一週脈波數 主軸一週長度(Um) 從軸一週脈波數 從軸一週長度(mm) 從軸一週脈波數 從軸同步起始角度 整數格式 從軸同步結束 主軸切長(mm) 從軸刀數(把)

这样,根据厚料裁切程式设置好相关上述参数就可自动生成如下位置,速度图形,

2,追标方式的实现 定长裁切容易实现,只要设定好长度生成图形,连续运行就可以了。追标方式相对来说复杂,主要是膜 长标标之间由于印刷的原因有误差, 或由于在拉袋子的过程中有打滑现象的存在, 必然会导致拉的袋子 与得到的编码器反馈值之间有一个偏差现象, 所以必须在程序中做一个补偿: 就是把上一个切袋子的偏 差在下一个周期(袋子)做补偿,要不然累计偏差会导致切的袋子偏差越来越大,最后切不出一个完整 的袋子来。也可以用滤波的方式做补偿,这样更容易看出打滑的趋势,过滤掉“锯齿”的现象。 需要根据实际裁切点与标之间的误差动态修正。 追标控制思路主要是在切點處加了個光電檢測實際接觸點,假設切刀調整好 正好可以切在標上,這時利用高速光電(裝在切點位置)撲捉編碼器(主軸)的值,然後再用色標 撲捉編碼器(主軸)的值,兩值之差作為目標值,只要始終保持這個值不變,就會始終在色標上。 控制采用比较成熟的经典的 PID 控制。PID 控制具有原理简单、使用方便、适应性好等优点。我们这里 采用的是增量式 PID 控制算法。增量式 PID 控制有很多优点:

(1) 由于计算机输出增量,所以误动作时影响小,必要时可采用逻辑判断的方法去掉; (2) 算式中不需要累加,控制增量的确定,仅与最近 k 次的采样值有关,所以较容易通过加权处理而 获得比较好的控制效果。

PID 控制器是一种线性调节器,它把设定值(各段从轴应该发的脉冲数)与实际输出值(从轴编码器值) 相减,得到控制偏差 , 的比例系数(P)、积分系数(I)和微分系数(D)通过线性组合构成控制变 量 (伺服电机的脉冲频率)。控制变量的增量 的计算公式为:

式中,T 为采样周期,K 为比例系数,加大比例系数 K 可以减小稳态误差,但当 K 过大时,会使动态质 量变差,导致系统不稳定。TI 为积分常数,TI 越大积分作用越弱,积分环节的加入,能消除静态误差, 使系统趋于稳定。TD 为微分系数,微分控制的作用可以改善系统的动态特性,提高控制精度,但 TD 偏 大或偏小时,都会使超调量增大,调节时间加长。 由于该系统采用恒定的采样周期 T,一旦确定了 K、TI、TD 这三个控制参数,就可以确定控制变量,我 们已经在现场调试导出了这三个参数的值。实际控制效果可以控制在+-1MM

上图为 PID 调节与标之间误差程序

五结束语

台达完善的产品体系几乎涵盖了整个连续立式包装机械上需要的工控产品, 且每样产品既具有其自身的 独立优势又具有本厂产品之间非常高的兼容性, 客户在使用 delta 整套系统解决方案后不仅节省了工作 量与开发成本,同时又大大提高了机械的整体性能。

PLC 产品处

余强


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