全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)在塑料機(jī)械上的應(yīng)用

引言
　　
塑料包裝行業(yè)是隨著機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步和塑料加工工藝的發(fā)展而發(fā)展起來的，并逐步形成為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)部門。上世紀(jì)六七十年代后，許多塑料原料已能大規(guī)模生產(chǎn)，塑料制品代替金屬、木材、玻璃、紙、纖維等材料制成的產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)各部門和人們生活各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。需求的不斷增加使得中國塑料包裝機(jī)械發(fā)展很快、生產(chǎn)出來的品種也越來越多，大多已能供應(yīng)國內(nèi)塑料制品加工裝備的需要，隨著技術(shù)的不斷更新，近年來以伺服系統(tǒng)為主要執(zhí)行元件的塑料機(jī)械，以其速度快、效率高、能耗低、控制水平完善、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)迅速成為市場(chǎng)主流機(jī)型，并加快國產(chǎn)塑機(jī)自動(dòng)化水平的進(jìn)程。
　　
塑料機(jī)械控制流程及電氣原理

圖1 塑料制袋機(jī)械設(shè)備圖

國產(chǎn)塑料制袋機(jī)如圖1所示。從圖1中可見，塑料制袋機(jī)是由:熱封切刀，伺服裝置，變頻裝置、牽引皮輥、承切皮輥、熱封切刀及控制器組成。主要技術(shù)特征在于熱封切刀安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上設(shè)有齒輪，齒輪與設(shè)在機(jī)架上的主電機(jī)主軸上的齒輪相互嚙合，主電機(jī)上設(shè)有皮輥運(yùn)動(dòng)傳感器，熱封切刀的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上設(shè)有切刀位置傳感器。這種熱封切刀伺服裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，大大減少了制袋機(jī)的整體體積，并且由于牽引皮輥的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，不存在受力距大小的影響，而智能控制器能準(zhǔn)確地控制薄膜的設(shè)置長度。
　　
該類設(shè)備主要用于加工塑料包裝袋及各種規(guī)格的生活塑料袋，早期的設(shè)備采取的是剎車離合器等控制機(jī)構(gòu)，后來改進(jìn)為步進(jìn)系統(tǒng)控制裝置，現(xiàn)在，又發(fā)展成為PLC及伺服電機(jī)加變頻調(diào)速為主的控制機(jī)構(gòu)。隨著技術(shù)的更新進(jìn)步，更高的定位精度和更好的穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致所制膠袋的質(zhì)量和效率也不斷提升。
　　
系統(tǒng)整體控制原理，如圖2所示:

圖2 控制原理框圖

人機(jī)界面，采用觸摸屏，便于操作人員設(shè)置參數(shù)及對(duì)整臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的了解，負(fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話交流。界面上可設(shè)定定長封切或追色封切、切袋長度、追色長度、預(yù)警個(gè)數(shù)、送袋速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間，當(dāng)選擇為定長封切時(shí)，追色感應(yīng)器無作用。
　　
PLC做為核心程序的載體，負(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的發(fā)送及各種控制信號(hào)轉(zhuǎn)化與流通，最終控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)與協(xié)調(diào)。PLC程序根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)比、伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比、伺服電機(jī)變碼器的線數(shù)以及出料輥的周長，計(jì)算出伺服驅(qū)動(dòng)器接收一定數(shù)量的脈沖，伺服電機(jī)就驅(qū)動(dòng)出料輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶出一定長度的膠袋，實(shí)現(xiàn)定長控制。
　　
色標(biāo)、溫控、到位信號(hào)，做為傳感元?dú)饧?，?fù)責(zé)時(shí)間的判斷與控制信號(hào)的發(fā)出，使個(gè)執(zhí)行件之間確立邏輯關(guān)系。
　　
溫控器的溫度，應(yīng)根據(jù)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低進(jìn)行設(shè)定，以膠袋封口處結(jié)實(shí)耐拉為準(zhǔn)。封刀溫度偏低，會(huì)導(dǎo)致膠袋封口處不牢。若封刀溫度偏高，會(huì)導(dǎo)致膠袋封口處燙穿，因此，應(yīng)根據(jù)主電機(jī)轉(zhuǎn)速及封口時(shí)間長短進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常，溫度都設(shè)定在180℃左右。
　　
主變頻裝置，負(fù)責(zé)熱封刀與切刀的連續(xù)上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制出袋速度與效率。
　　
送料變頻裝置，負(fù)責(zé)整卷物料的第一級(jí)輸送。
　　
伺服驅(qū)動(dòng)裝置，由驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)，碼盤反饋信號(hào)構(gòu)成，作為主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要任務(wù)是完成定位精度的控制，嚴(yán)格執(zhí)行來自PLC的脈沖指令控制，同時(shí)，保證在頻繁啟動(dòng)負(fù)載下自身運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與快速響應(yīng)性，使伺服電機(jī)的一次送料轉(zhuǎn)速滿足切刀上下運(yùn)行的時(shí)間要求。并使伺服電機(jī)與送料變頻電機(jī)之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。伺服性能直接反映了這臺(tái)設(shè)備的整機(jī)性能與質(zhì)量。
　　
設(shè)備的工作流程如圖3所示:

圖3 控制流程圖

（1）設(shè)備上電后，溫控器控制封刀處加熱器進(jìn)行加熱。（2）自動(dòng)起動(dòng)后，送料變頻器驅(qū)動(dòng)送料電機(jī)以設(shè)定的速度輸送塑料薄膜，送料感應(yīng)器檢測(cè)到送料端放卷的塑料薄膜足夠時(shí)，送料電機(jī)停止送料。（3）溫度到達(dá)，溫度信號(hào)導(dǎo)通，主變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置控制切刀和封刀的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（4）切刀每向上運(yùn)動(dòng)一次，伺服信號(hào)導(dǎo)通一次，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)出料輥夾著塑料薄膜帶轉(zhuǎn)動(dòng)一次，切刀和封刀下切，膠袋形成。（5）設(shè)定個(gè)數(shù)到達(dá)或按停止鍵時(shí)，當(dāng)前膠袋形成后停機(jī)，切刀和封刀停在高位停車處。
　　
伺服系統(tǒng)應(yīng)用與控制原理
　　
本機(jī)采用的伺服系統(tǒng)為GSK98A系列伺服，驅(qū)動(dòng)單元采用美國TI公司最新數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心、大規(guī)模可編程門陣列（CPLD）和MITSUBISHI智能化功率模塊（IPM），集成度高、體積小、保護(hù)完善、可靠性好。采用最優(yōu)PID算法完成PWM。驅(qū)動(dòng)單元具備標(biāo)準(zhǔn)位置控制與速度控制，可接收脈沖信號(hào)及模擬信號(hào)，脈沖信號(hào)兼容脈沖方向信號(hào)與正反脈沖信號(hào)兩種。由于采用成熟智能功率模塊，驅(qū)動(dòng)單元具備了控制超速、主電源過壓欠壓、過流、過載、制動(dòng)異常、編碼器異常、控制電源異常、位置超差等多項(xiàng)在線檢測(cè)與診斷，使控制過程一目了然。
　　
所采用伺服電機(jī)為SJT系列的三相永磁同步伺服電機(jī)，寬調(diào)速比，恒轉(zhuǎn)矩輸出，三倍過載能力，具有3000rpm的額定轉(zhuǎn)速，2500p/r的碼盤反饋脈沖精度。
　　
本機(jī)只需使用一套伺服系統(tǒng)就能完成其主要功能，伺 服的控制性能反映了該類產(chǎn)品的控制質(zhì)量。伺服系統(tǒng)與主變頻裝置的關(guān)系，如圖4所示:

圖4 伺服與變頻器的關(guān)系圖