CN105775251B - 一种用于卫生纸包装机的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于卫生纸包装机的控制系统，包括控制器、温度控制模块、伺服驱动器和传感器，所述控制器包括伺服驱动控制单元、数据处理单元、接收采样单元和温度控制单元，所述接收采样单元通过IO模块对传感器进行采样；所述数据处理单元用于对采样的结果进行数据处理；所述伺服驱动控制单元根据接收数据处理的结果利用EtherCAT协议对伺服驱动器进行同步控制；所述温度控制单元根据数据处理的结果利用串口对所述温度控制模块进行控制。本发明还涉及上述控制系统的控制方法。本发明能够提高包装效率。
Description
技术领域
本发明涉及卫生纸包装技术领域，特别是涉及一种用于卫生纸包装机的控制系统及方法。
背景技术
随着科学与技术发展，卫生纸的生产需要越来越高效。如今，随着城市人口的增加，对卫生纸的需求进一步增大，而人力成本也在持续的上升。提高生产效率，减少人工成本是摆在所有卫生纸生产企业的难题。
卫生纸包装机械的产生，大大提高了效率，解决了生产企业的难题。但是，在面临多功能包装时，需要多台多种机器，使得企业负担加重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于卫生纸包装机的控制系统及方法，能够提高包装效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于卫生纸包装机的控制系统，包括控制器、温度控制模块、伺服驱动器和传感器，所述控制器包括伺服驱动控制单元、数据处理单元、接收采样单元和温度控制单元，所述接收采样单元通过IO模块对传感器进行采样；所述数据处理单元用于对采样的结果进行数据处理；所述伺服驱动控制单元根据接收数据处理的结果利用EtherCAT协议对伺服驱动器进行同步控制；所述温度控制单元根据数据处理的结果利用串口对所述温度控制模块进行控制。
所述控制系统还包括变频器，所述控制器还包括变频控制单元；所述变频控制单元根据数据处理的结果利用CANopen协议控制所述变频器来控制动态响应要求低的轴。
所述数据处理单元包括虚拟主轴生成单元和虚拟主轴控制单元；所述虚拟主轴生成单元用于模拟一个运行的虚拟主轴；所述虚拟主轴控制单元根据接收采样单元获取的包装机的运行速度控制所述虚拟主轴与包装机的运行速度保持一致；所述伺服驱动控制单元和变频器控制单元控制包装机的所有轴跟随虚拟主轴的位置，使得与虚拟主轴的位置保持同步，其中，虚拟主轴的运行单位设为周期，所有轴的单位都归一化处理为周期。
所述传感器为用于检测纸球位置的光电传感器，所述光电传感器安装在进料通道的传送带上，所述接收采样单元接收到所述光电传感器持续收到信号时，所述数据处理单元判断进料传送带上出现了纸球堆积；所述伺服驱动控制单元控制用于驱动传送带的伺服驱动器加快速度；所述接收采样单元接收到所述光电传感器收到信号的频率变低时，所述数据处理单元判断出进料传送带上的纸球稀少；所述伺服驱动控制单元控制用于驱动传送带的伺服驱动器降低速度。
所述传感器为电子尺，所述电子尺反馈张力摆杆的位置完成对张力大小的采样；所述接收采样单元接收到电子尺的张力大小；所述数据处理单元根据张力大小计算出控制速度增量的偏差值；所述变频控制单元根据偏差值对与张力摆杆连接的变频器进行控制。
所述传感器为用于检测纸球位置的光电传感器和用于检测轴回零的接触器，所述光电传感器安装在在投射机构的前端，所述接收采样单元接收所述光电传感器和所述接触器的采样结果；所述数据处理单元根据采样结果判断是否满足纸球位置在前端且推杆不在纸球下方；所述伺服驱动控制单元在判断结果为满足时控制用于驱动投射机构的伺服驱动器进行投射。
所述传感器为色标传感器，所述色标传感器用于检测包装膜印刷时留下的等距色标点；所述接收采样单元接收到色标传感器的采样结果；所述数据处理单元根据等距色标点计算绝对位置和长度并确定切刀点的位置；所述伺服驱动控制单元根据切刀点的位置控制与切刀相连的伺服驱动器进行切割。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种上述用于卫生纸包装机的控制系统的控制方法，采用虚拟主轴实现各轴跟随；采用光电传感器判断纸球进入位置，根据纸球堆积状况来确定机器传送速度；采用张力摆杆测量反馈膜的张力实现闭环张力控制；根据光电传感器判断纸球在投射机构的位置及推杆的位置，从而进行投射纸球；根据薄膜色标传感器反馈矫正膜长及确定切刀的切点位置。
上述控制方法还包括采用点位虚轴化的方法控制吹气具体为：将控制吹气的数字输出点位作为一个轴来看待，其开合跟随虚拟主轴的相位角，在一个相位角开，在另一个相位角关，两个相位角之间即为持续吹气的时间。
上述控制方法还包括采用多凸轮同步技术，具体为，设置各个轴凸轮轴与虚拟主轴对应的凸轮曲线，使得各轴在加速度与最大速度之间做到平衡。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用虚拟主轴及各轴跟随的方法保证了各个轴运行的协调一致，而不会发生轴与轴之间的机械冲撞及协调不合理；采用点位虚轴化的方法控制吹气使包膜仅仅贴在纸球的两端；采用光电传感器判断纸球进入位置，根据纸球堆积状况来确定机器升降速度的方法提高了包装效率；采用张力摆杆测量反馈膜的张力从而达到对薄膜张力的闭环控制；采用根据薄膜色标传感器反馈确定切刀切点位置，消除误差。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明中控制器的结构方框图；
图3是本发明的工作示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于卫生纸包装机的控制系统，如图1所示，包括控制器、温度控制模块、变频器、伺服驱动器和传感器，所述控制器通过EtherCAT协议对伺服驱动器进行同步控制，通过CANopen协议控制变频器来控制动态响应要求低的轴，通过IO模块对传感器进行采样，通过RS485对所述温度控制模块进行控制。所述控制器还连接有人机界面，所述人机界面用于显示所有轴的运行状态、IO模块的点位状态和包装机的运行状态，利用该人机界面还可以设置机器的所有参数，可以在屏上操作写入包装产品的信息、设置加热的温度等操作，并可以选择对纸球进行单包或多包包装。
如图2所示，所述控制器包括伺服驱动控制单元、变频控制单元、数据处理单元、接收采样单元和温度控制单元，所述接收采样单元通过IO模块对传感器进行采样；所述数据处理单元用于对采样的结果进行数据处理；所述伺服驱动控制单元根据接收数据处理的结果利用EtherCAT协议对伺服驱动器进行同步控制；所述变频控制单元根据数据处理的结果利用CANopen协议控制变频器来控制动态响应要求低的轴；所述温度控制单元根据数据处理的结果利用串口对所述温度控制模块进行控制。
其中，所述数据处理单元包括虚拟主轴生成单元和虚拟主轴控制单元；所述虚拟主轴生成单元用于模拟一个运行的虚拟主轴；所述虚拟主轴控制单元根据接收采样单元获取的包装机的运行速度控制所述虚拟主轴与包装机的运行速度保持一致；所述伺服驱动控制单元和变频器控制单元控制包装机的所有轴跟随虚拟主轴的位置，使得与虚拟主轴的位置保持同步，其中，虚拟主轴的运行单位设为周期，所有轴的单位都归一化处理为周期。
所述传感器包括用于检测纸球位置的光电传感器、用于检测轴回零的接触器、用于包膜色标检测的色标传感器、用于测量包膜张力的电子尺。利用上述传感器可以将各类信息反馈给控制器。
当传感器为用于检测纸球位置的光电传感器时，所述光电传感器安装在进料通道的传送带上，所述接收采样单元接收到所述光电传感器持续收到信号时，所述数据处理单元判断进料传送带上出现了纸球堆积；所述伺服驱动控制单元控制用于驱动传送带的伺服驱动器加快速度；所述接收采样单元接收到所述光电传感器收到信号的频率变低时，所述数据处理单元判断出进料传送带上的纸球稀少；所述伺服驱动控制单元控制用于驱动传送带的伺服驱动器降低速度。
当传感器为电子尺时，所述电子尺反馈张力摆杆的位置完成对张力大小的采样；所述接收采样单元接收到电子尺的张力大小；所述数据处理单元根据张力大小计算出控制速度增量的偏差值；所述变频控制单元根据偏差值对与张力摆杆连接的变频器进行控制。
当传感器为用于检测纸球位置的光电传感器和用于检测轴回零的接触器时，所述光电传感器安装在在投射机构的前端，所述接收采样单元接收所述光电传感器和所述接触器的采样结果；所述数据处理单元根据采样结果判断是否满足纸球位置在前端且推杆不在纸球下方；所述伺服驱动控制单元在判断结果为满足时控制用于驱动投射机构的伺服驱动器进行投射。
当传感器为色标传感器时，所述色标传感器用于检测包装膜印刷时留下的等距色标点；所述接收采样单元接收到色标传感器的采样结果；所述数据处理单元根据等距色标点计算绝对位置和长度并确定切刀点的位置；所述伺服驱动控制单元根据切刀点的位置控制与切刀相连的伺服驱动器进行切割。
值得一提的是，本控制系统中可以只有上述一种传感器，也可以有上述多种传感器进行组合从而完成更多方面的控制。
运动控制器与触摸屏人机界面采用TCP/IP通信，把客户定制的数据设置的膜长及所有配置参数传输到控制器中，改变控制器内部参数，同时把控制器产生的状态信息显示到触摸屏上，如报警代码、IO点位状态、包装机工作状态都显示到触摸屏上。
运动控制器通过RS485与温度控制模块通信，在触摸屏上设置温度参数可以通读运动控制器写入到温控模块上，同时温控模块的温度数据也可通过控制器显示到触摸屏上。
运动控制器通过EtherCAT与扩展IO模块与各个传感器实现连接，利用EtherCAT的高速特性，及时的得到所有传感器的信息和控制点位的信息。同时通过IO输出控制一些信号的输出。
运动控制器通过CANopen与变频器通信，由于变频器的响应速度没有驱动器高，所以可以通过CANopen与变频器通信实施对感应电机的控制，降低成本。
运动控制器通过EtherCAT与伺服电机驱动器进行控制，高速的EtherCAT能够满足多凸轮、多轴同步的高相应、高速、高定位精度的要求。
图3是本发明的工作示意图。
卫生纸球包装机可为分为：进料部分A、送膜部分B和包装部分C。
进料部分A，负责承接纸球生产线生产的纸球，又负责把纸球依次放入包装部分进行包装。其又可分为第一进料带(承接)、第二进料带(把纸球堆满在投射机构)、投射机构(依次投放纸球)、推杆机构(把纸球放入顶出机构)。
送膜部分B，负责把膜切割并放入到包装部分。其又可分为放卷机构(把成卷的膜释放打开)、送膜机构(拉膜，把膜从大卷中拉出来，主要控制膜的前进的位置与速度)、切刀机构(负责切割膜，把膜按照要求切成一片一片)和分膜机构(负责把切好的膜铺到包装部分的顶出机构上)。
包装部分C，负责把纸球包到切好的膜中。其又可分为顶出部分(把纸球向上顶起，在此过程中由于膜正处与纸球上方，即把膜包裹在了纸球上)、折边机构(把膜紧紧与纸球包裹，并把膜的侧边对折在一起)、顶部链条(其为包裹膜的纸球的运输链条，其有齿槽，齿槽可以盛放包膜后的纸球，顶出机构把纸球顶入齿槽中，顶部链条把纸球运送到吹风、底烫和侧封)、吹气机构(两根吹气管，利用气体的风压把纸球前后两端外的膜贴近纸球的两端面)、侧封机构(利用一个加热的烫片，对纸球侧面的膜进行烙烫，封住侧面)和底烫机构(底烫利用两条加热的传送带，给纸球两端面的膜烙烫封住两端面的膜，并把纸球输送出机器)。
上述用于卫生纸包装机的控制系统的控制方法，包括采用虚拟主轴，各轴跟随的方法；采用点位虚轴化的方法控制吹气；采用光电传感器判断纸球进入位置，根据纸球堆积状况来确定机器升降速度的方法；采用张力摆杆测量反馈膜的张力，闭环张力控制；可对两条传送带进行开关操作；根据光电传感器判断纸球在投射机构的位置和推杆的位置进行投射纸球；根据薄膜色标传感器反馈，矫正膜长及确定切刀的切点位置；多凸轮同步技术。
所述卫生纸包装机控制方法中的虚拟主轴，各轴跟随的方法：即在控制器内部用软件模拟一个运行的虚拟主轴，其与机器的运行速度一致，其它所有轴跟随虚拟主轴的位置，与虚拟主轴的位置保持同步，虚拟主轴的运行单位为周期，把其它运行的轴同样归一化处理为周期，这样所有轴的运行速度都为周期每分。各个轴各位置与虚拟主轴同步，即各轴的周期位置点与虚拟主轴同步，这样就保证了各个轴运行的协调一致，而不会发生轴与轴之间的机械冲撞及协调不合理。
所述卫生纸包装机控制方法中的用点位虚轴化的方法控制吹气方法：即把这个控制吹气的数字输出点位(DO)作为一个轴来看待，其开合跟随虚拟主轴的相位角，在一个相位角开，在另一个相位角关，两个相位角之间即为其持续吹气的时间，随着速度增加，其频率也自然增加。吹气是把包膜两端向内吹，使包膜仅仅贴在纸球的两端。
所述卫生纸包装机控制方法中的采用光电传感器判断纸球进入位置，根据纸球堆积状况来确定机器升降速度的方法：即在进料通道的传送带上安装光电传感器，由于光电传感器收到信号即证明有纸球进入，传送带运行把纸球运走，如果光电传感器持续收到信号，证明纸球在进料传送带出现了堆积，包装速度开始提速，如果光电传感器收到信号的频率变低，则证明纸球稀少，则自动降低包装速度，甚至停止。
所述卫生纸包装机控制方法中的采用张力摆杆测量反馈膜的张力，闭环张力控制方法：由于包装膜的放卷速度由变频器控制，其张力必须保持，对薄膜张力控制时要做到波动最小，调整精细；采用一个张力摆杆，用电子尺反馈张力摆杆的位置即可以对张力大小进行采样；其采样数据反馈到控制器内，控制器做指令反馈闭环控制，根据反馈偏差控制速度增量偏差值达到对张力摆杆的闭环控制，从而达到对薄膜张力的闭环控制。
所述卫生纸包装机控制方法中的采用可对两条传送带进行开关操作的方法：即设置其中任意一条投射轴工作可以使能或关闭，这样在只有一条产线时可以单独对一条产线产品而非两条产线上产品包装，也可全部关闭用来调试时起作用，这样将节省能量。
所述卫生纸包装机控制方法中的采用根据光电传感器判断纸球在投射机构的位置，及推杆的位置进行投射纸球方法：即光电传感器装在投射机构的前端，当光电传感器探测到纸球位置在前端时，投射机构向前投射一个纸球，其投射的时机取决于推杆当前的位置，要其投射时，推杆不在纸球下方造成装机，这样要求投射机构开始投射的周期位置参考虚拟主轴的位置，且光电传感器判断为纸球到位两个条件都满足时，开始投射。
所述卫生纸包装机控制方法中的采用根据薄膜色标传感器反馈，矫正膜长及确定切刀的切点位置的方法：由于采用圆滚轮压紧薄膜运行的传动方式，拉膜轴不可避免与薄膜发生相对滑动，这样就需要对拉膜进行位置及膜长矫正；利用包装膜印刷时留下的等距色标点作为绝对位置和长度反馈，进行闭环控制，确定切刀切点位置，消除误差。
所述卫生纸包装机控制方法中的采用多凸轮同步技术的方法：由于卫生纸包装机很多伺服轴必须走凸轮运行(切刀凸轮运行，其在切点附近线速度要与膜的线速度同步；推杆走凸轮运动，必须在投射机构投纸球时预留足够的时间在把纸球放入顶出机构时减小时间，减小顶出机构在最下端等待时间；顶出机构凸轮运行，是为了在最下端等待，让纸球可以顺利的进入被推杆推入顶出机构；顶部链条凸轮运行，是为了在顶出机构上端停止等待顶出机构把包膜的纸球顶入顶部链条的卡槽中；分膜机构凸轮运行为了撕裂切割过得膜把膜一片一片的放置到顶出机构上端)，这就要求要设置各个轴凸轮轴与虚拟主轴对应的凸轮曲线，要考虑到加速度变化，规划好曲线，在加速度与最大速度之间做到平衡。
Claims (8)
1.一种用于卫生纸包装机的控制系统，包括控制器、温度控制模块、传感器、多个伺服驱动器和变频器，其特征在于，所述控制器包括伺服驱动控制单元、变频控制单元、数据处理单元、接收采样单元和温度控制单元，所述接收采样单元通过IO模块对传感器进行采样；所述伺服驱动控制单元根据接收数据处理的结果利用EtherCAT协议对伺服驱动器进行同步控制；所述温度控制单元根据数据处理的结果利用串口对所述温度控制模块进行控制；所述变频控制单元根据数据处理的结果利用CANopen协议控制所述变频器来控制动态响应要求低的轴；所述数据处理单元用于对采样的结果进行数据处理，包括虚拟主轴生成单元和虚拟主轴控制单元；所述虚拟主轴生成单元用于模拟一个运行的虚拟主轴；所述虚拟主轴控制单元根据接收采样单元获取的包装机的运行速度控制所述虚拟主轴与包装机的运行速度保持一致；所述伺服驱动控制单元和变频器控制单元控制包装机的所有轴跟随虚拟主轴的位置，使得与虚拟主轴的位置保持同步，其中，虚拟主轴的运行单位设为周期，所有轴的单位都归一化处理为周期。
2.根据权利要求1所述的用于卫生纸包装机的控制系统，其特征在于，所述传感器为用于检测纸球位置的光电传感器，所述光电传感器安装在进料通道的传送带上，所述接收采样单元接收到所述光电传感器持续收到信号时，所述数据处理单元判断进料传送带上出现了纸球堆积；所述伺服驱动控制单元控制用于驱动传送带的伺服驱动器加快速度；所述接收采样单元接收到所述光电传感器收到信号的频率变低时，所述数据处理单元判断出进料传送带上的纸球稀少；所述伺服驱动控制单元控制用于驱动传送带的伺服驱动器降低速度。
3.根据权利要求1所述的用于卫生纸包装机的控制系统，其特征在于，所述传感器为电子尺，所述电子尺反馈张力摆杆的位置完成对张力大小的采样；所述接收采样单元接收到电子尺的张力大小；所述数据处理单元根据张力大小计算出控制速度增量的偏差值；所述变频控制单元根据偏差值对与张力摆杆连接的变频器进行控制。
4.根据权利要求1所述的用于卫生纸包装机的控制系统，其特征在于，所述传感器为用于检测纸球位置的光电传感器和用于检测轴回零的接触器，所述光电传感器安装在在投射机构的前端，所述接收采样单元接收所述光电传感器和所述接触器的采样结果；所述数据处理单元根据采样结果判断是否满足纸球位置在前端且推杆不在纸球下方；所述伺服驱动控制单元在判断结果为满足时控制用于驱动投射机构的伺服驱动器进行投射。
5.根据权利要求1所述的用于卫生纸包装机的控制系统，其特征在于，所述传感器为色标传感器，所述色标传感器用于检测包装膜印刷时留下的等距色标点；所述接收采样单元接收到色标传感器的采样结果；所述数据处理单元根据等距色标点计算绝对位置和长度并确定切刀点的位置；所述伺服驱动控制单元根据切刀点的位置控制与切刀相连的伺服驱动器进行切割。
6.一种如权利要求1-5中任一权利要求所述的用于卫生纸包装机的控制系统的控制方法，其特征在于，采用虚拟主轴实现各轴跟随；采用点位虚轴化的方法控制吹气；采用光电传感器判断纸球进入位置，根据纸球堆积状况来确定机器传送速度；采用张力摆杆测量反馈膜的张力实现闭环张力控制；根据光电传感器判断纸球在投射机构的位置及推杆的位置，从而进行投射纸球；根据薄膜色标传感器反馈矫正膜长及确定切刀的切点位置。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括采用点位虚轴化的方法控制吹气，具体为：将控制吹气的数字输出点位作为一个轴来看待，其开合跟随虚拟主轴的相位角，在一个相位角开，在另一个相位角关，两个相位角之间即为持续吹气的时间。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括采用多凸轮同步技术，具体为，设置各个轴凸轮轴与虚拟主轴对应的凸轮曲线，使得各轴在加速度与最大速度之间做到平衡。
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