立式包装机控制系统设计——电子凸轮的应用——追剪飞...

随着全球化市场竞争的加剧和消费者需求的日益多样化，包装行业正面临前所未有的挑战与机遇。立式包装机作为一种广泛应用于食品、药品、化工等多领域的关键设备，其性能的好坏直接影响到生产效率、产品质量。然而，传统的立式包装机存在着自动化程度不高、灵活性差、维护成本高等问题，难以满足工业对高效、精准的需求。因此对于立式包装机的研究意义在优化其控制功能，以提升包装速度和灵活性。
程序、电路图、HMI在文章最底部
传统立式包装机一般采用机械凸轮的方式进行剪切，其剪切速度慢、精度低，维护成本高。因此本设计采用电子凸轮联动主、从轴来完成包装袋的剪切，电子凸轮属于软件设计，灵活性高，便于维护，能够适应不同的生产需求。因此研究电子凸轮对于提高立式包装机的生产效率和灵活性具有工程应用价值。
一、系统结构和控制方案
本设计是针对糖果固体小颗粒的包装设备，对环境的要求极低，占地面积小，工作效率高。可以根据包装袋大小调节剪切速度、包装袋长度等参数达到包装需求，灵活性高，对于复杂多变的包装环境具有很大的优势。
立式包装机包括：薄膜成型机构、纵封机构、称重下料机构、横封切刀机构。

(1)薄膜成型机构
在本设计中，薄膜需要顺畅地通过机器的不同部分，保证薄膜在进入封合、成型、填充或切割区域前保持正确的路径和张力，避免皱褶或偏移，因此需要导辊传输包装材料通过整个包装流程，从供给、展开、成型到最终的产品，保证连续且稳定的生产流程；为了灵活适应不同的色标布局，实现一个机器能够包装不同长度的包装袋以及控制包装机的切割刀具在正确的位置进行操作，需要色标传感器来准确检测包装材料色标；薄膜需要特定的机械结构折叠成型为袋子形态，因此选择翻领成型器来成型薄膜。以此由导辊、色标传感器、翻领制袋成型器来组成薄膜成型机构。
(2)纵封机构
由翻领成型器折叠成型的薄膜需要动力进行到下一步，因此选择拉膜机构对初步成型的薄膜提供动力；成袋型的薄膜需要先进行纵向封合，而且纵向封合的温度需要恒定，因此选择温度控制器控制加热元件封合温度的恒定使包装袋的两侧粘合在一起。以此由拉膜机构、温度控制器、加热元件来组成纵封封机构。
(3)称重下料机构
本设计为立式包装机，需要垂直的把物料填充进包装袋，需要漏斗对物料进行下料；每个包装袋中的物料都有固定重量，需要称重传感器对物料完成称重，称重仪表对其完成填充。其中四个称重传感器分布在漏斗下方的四周，称重仪表在漏斗后方称重以此由大型漏斗、下料开关阀、称重传感器、称重仪表来组成称重下料机构。
(4)横封切刀机构
在纵封、下料完成后，需要对成型的包装进行横封切割，而且能保证切刀能够更好的穿透薄膜，因此采用锯齿切刀完成切割；在刀具切下时能够完成封合且温度恒定，需要温度控制器控制加热元件温度的恒定，且加热元件是内置在刀具内部。以此由锯齿切刀、温度控制器、加热元件来组成横封切刀机构。


二、控制系统的工艺流程
此立式包装机的工艺流程：首先，送膜轴电机转动带动薄膜通过导辊被平稳牵引，导向至翻领成型器。在翻领成型器中，薄膜被精确折叠并塑形成开放的筒状结构。成型的薄膜筒继续前进至纵封机构，实现薄膜的纵向封合，形成了包装袋的基础形态。接着，通过称重仪表设置需要称重的重量，上一切刀周期控制称重仪表开始进行称重减料以控制下料阀开关；色标传感器检测到薄膜色标的位置，进行位置锁存以控制切刀精确切到切点；最后，由横封切刀机构实现薄膜下端的封合切割，从而完成单个包装单元的完全封装，并进入下一个循环。其工艺要求为：包装精度包装重量≤ 100g，偏差≤±2%，速度≥50包/min。


三、系统的控制方案
此控制系统采用PLC为主要控制器并采用EtherCAT总线协议与伺服驱动器进行通讯；色标传感器检测到色标并通过PLC锁存位置并驱动送膜轴和刀轴根据凸轮曲线运动；在切刀信号给到切刀气缸，切刀完成信号给到称重仪表的输入，由称重仪表控制下料开关，以此完成对物料的称重及下料；温度控制器通过PLC输出温度报警；通过上位机改变包装袋长度并通过PLC计算出关键点位改变凸轮曲线，以实现灵活包装。


四、伺服系统选型（简单选型计算公式）
伺服电机的选型需要满足负载惯量、额定转矩、伺服系统的最大运行速度等要求，考虑到包装薄膜的长度，其主要参数计算如下：已知每次包装所需的膜材料长度（L，单位为米）和每分钟的包装数量（N）分别为0.08m、每分钟最少生产50包，轴每转一圈膜向前移动5mm，由此可以算出伺服轴的转速（R）：


考虑安全裕量，安全系数为1.2，其需要电机转速约为1500rad/min。已知电机额定转速为1500rad/min，其角速度为：


电机扭矩为：



算出所需的功率为：



考虑安全裕量，系数为1.3，则送膜轴电机需要的功率约为1.5KW左右。

五、系统的软件设计
（一）、主程序流程图



（二）、电子凸轮子程序流程图



（三）、电子凸轮曲线设计



（四）、凸轮表关键点计算程序
#define SysRegAddr_D_HD#define DFD *(FP64*)&D#define DFHD *(FP64*)&HD#define MasterPos1 DFHD[1852]#define SlaverPos1 DFHD[1856]#define MasterPos2 DFHD[2002]#define SlaverPos2 DFHD[2006]#define MasterPos3 DFHD[2152]#define SlaverPos3 DFHD[2156]#define MasterPos4 DFHD[2302]#define SlaverPos4 DFHD[2306]#define MasterPos5 DFHD[2452]#define SlaverPos5 DFHD[2456]#define L DFHD[5050]#define v DFHD[4000]#define wait_change DFD[1970]#define d DFHD[1904]if ( L >= 500 ){wait_change = 150；}else{wait_change = 10；}if (300 < L < 500){v = 1500；}else if (500 < L < 800){v = 2000；d = 2 * L / 5 - wait_change；MasterPos1 = d / 3；SlaverPos1 = d / 6 * 1；MasterPos2 = d / 3 * 4；SlaverPos2 = d / 6 * 7；MasterPos3 = d / 3 * 5；SlaverPos3 = d / 6 * 8； MasterPos4 = MasterPos3 + wait_change；SlaverPos4 = d / 6 * 8；if ( L >= 2.5 * MasterPos4 + wait_change ){MasterPos5 = MasterPos4 * 2.5；}else{MasterPos5 = L - wait_change；}SlaverPos5 = 0；}
六、系统的触摸屏设计
此立式包装机控制系统上位机需要一个启动按钮，一个停止按钮，一个急停按钮和凸轮写点按钮，其中启动按钮控制主轴电机的启动，一个停止按钮应控制主轴电机的停止，一个定标模式、定长模式按钮用于定标、定长模式的切换，一个急停按钮应对突发事况，两个状态指示灯监控刀轴和膜轴的运作状态，以及输入包装袋的长度、色标偏差长度和显示生产数量。








（一）凸轮曲线结果展示
当在上位机上设置切割料长为350mm时，在信捷编程软件上监控的追剪速度曲线如图


当在上位机上设置切割料长为600mm时，其追剪速度曲线如图5-4所示


七、电路图（部分图纸）








八、程序展示——直接上干货






































九、结论

随着社会对快速消费品需求的增加，以及生产效率和自动化水平要求的不断提升，立式包装机的生产速度以及灵活性已然不能满足生产需求。本设计主要依靠的电子凸轮实现了增加包装速度、自定义更改料长的功能，以实现高速、灵活的包装，满足了市场需求的变化。该控制系统实现了立式包装机对固体小颗粒的定标、定长切割包装，系统主要由信捷XDH系列PLC、伺服控制系统、加热元件、温度传感器、光电传感器、电磁阀组成了立式包装机控制系统，根据控制要求，画出硬件电路图；采用信捷XDPPRO编程软件对软件进行设计，包括：系统主程序、子程序的编写；电子凸轮表的绘制、追剪算法的编写以及使用伺服驱动调试软件对伺服系统进行微调以提升响应速度与定位精度，并使用触摸屏来进行人机交互和对系统运行情况的监视。本设计刀具采用的执行器为气缸，其具有能效低、易发生气体泄露等缺点，会造成切割精确度的降低以及，在后续的研究中，可以把气缸替换成伺服电机控制系统，提高切割精确度以及避免事故的发生。
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