基于GSK98A伺服系统和PLC器件实现塑料包装机械控制系统的设计

引言

塑料包装行业是随着机电技术的进步和塑料加工工艺的发展而发展起来的，并逐步形成为一个独立的工业部门。上世纪六七十年代后，许多塑料原料已能大规模生产，塑料制品代替金属、木材、玻璃、纸、纤维等材料制成的产品，在国民经济各部门和人们生活各个领域的应用越来越多。需求的不断增加使得中国塑料包装机械发展很快、生产出来的品种也越来越多，大多已能供应国内塑料制品加工装备的需要，随着技术的不断更新，近年来以伺服系统为主要执行元件的塑料机械，以其速度快、效率高、能耗低、控制水平完善、性能稳定等优点迅速成为市场主流机型，并加快国产塑机自动化水平的进程。

塑料机械控制流程及电气原理

国产塑料制袋机如图1所示。从图1中可见，塑料制袋机是由：热封切刀，伺服装置，变频装置、牵引皮辊、承切皮辊、热封切刀及控制器组成。主要技术特征在于热封切刀安装在转动轴上，转动轴上设有齿轮，齿轮与设在机架上的主电机主轴上的齿轮相互啮合，主电机上设有皮辊运动传感器，热封切刀的转动轴上设有切刀位置传感器。这种热封切刀伺服装置结构设计科学合理，大大减少了制袋机的整体体积，并且由于牵引皮辊的连续运动，不存在受力距大小的影响，而智能控制器能准确地控制薄膜的设置长度。

该类设备主要用于加工塑料包装袋及各种规格的生活塑料袋，早期的设备采取的是刹车离合器等控制机构，后来改进为步进系统控制装置，现在，又发展成为PLC及伺服电机加变频调速为主的控制机构。随着技术的更新进步，更高的定位精度和更好的稳定性，直接导致所制胶袋的质量和效率也不断提升。

系统整体控制原理，如图2所示：

人机界面，采用触摸屏，便于操作人员设置参数及对整台设备运行状态的了解，负责人机对话交流。界面上可设定定长封切或追色封切、切袋长度、追色长度、预警个数、送袋速度、加速时间、减速时间，当选择为定长封切时，追色感应器无作用。

PLC做为核心程序的载体，负责脉冲信号的发送及各种控制信号转化与流通，最终控制各执行机构的运转与协调。PLC程序根据伺服机构的机械传动比、伺服驱动器的电子齿轮比、伺服电机变码器的线数以及出料辊的周长，计算出伺服驱动器接收一定数量的脉冲，伺服电机就驱动出料辊转动带出一定长度的胶袋，实现定长控制。

色标、温控、到位信号，做为传感元气件，负责时间的判断与控制信号的发出，使个执行件之间确立逻辑关系。

温控器的温度，应根据主电机的转速高低进行设定，以胶袋封口处结实耐拉为准。封刀温度偏低，会导致胶袋封口处不牢。若封刀温度偏高，会导致胶袋封口处烫穿，因此，应根据主电机转速及封口时间长短进行调节，通常，温度都设定在180℃左右。

主变频装置，负责热封刀与切刀的连续上下运动，同时控制出袋速度与效率。

送料变频装置，负责整卷物料的第一级输送。

伺服驱动装置，由驱动，伺服电机，码盘反馈信号构成，作为主要运动机构，主要任务是完成定位精度的控制，严格执行来自PLC的脉冲指令控制，同时，保证在频繁启动负载下自身运动的平稳性与快速响应性，使伺服电机的一次送料转速满足切刀上下运行的时间要求。并使伺服电机与送料变频电机之间不发生相对滑动。伺服性能直接反映了这台设备的整机性能与质量。

设备的工作流程如图3所示：

（1）设备上电后，温控器控制封刀处加热器进行加热。（2）自动起动后，送料变频器驱动送料电机以设定的速度输送塑料薄膜，送料感应器检测到送料端放卷的塑料薄膜足够时，送料电机停止送料。（3）温度到达，温度信号导通，主变频器驱动主电机通过机械传动装置控制切刀和封刀的上下往复运动。（4）切刀每向上运动一次，伺服信号导通一次，伺服电机驱动出料辊夹着塑料薄膜带转动一次，切刀和封刀下切，胶袋形成。（5）设定个数到达或按停止键时，当前胶袋形成后停机，切刀和封刀停在高位停车处。

伺服系统应用与控制原理

本机采用的伺服系统为GSK98A系列伺服，驱动单元采用美国TI公司最新数字信号处理器DSP为核心、大规模可编程门阵列（CPLD）和MITSUBISHI智能化功率模块（IPM），集成度高、体积小、保护完善、可靠性好。采用最优PID算法完成PWM。驱动单元具备标准位置控制与速度控制，可接收脉冲信号及模拟信号，脉冲信号兼容脉冲方向信号与正反脉冲信号两种。由于采用成熟智能功率模块，驱动单元具备了控制超速、主电源过压欠压、过流、过载、制动异常、编码器异常、控制电源异常、位置超差等多项在线检测与诊断，使控制过程一目了然。

所采用伺服电机为SJT系列的三相永磁同步伺服电机，宽调速比，恒转矩输出，三倍过载能力，具有3000rpm的额定转速，2500p/r的码盘反馈脉冲精度。

本机只需使用一套伺服系统就能完成其主要功能，伺 服的控制性能反映了该类产品的控制质量。伺服系统与主变频装置的关系，如图4所示：

由以上分析可知，该机机械设计时，主电机传动比要满足主变频器频率工作在60Hz的频率上，这时切刀与封刀来回往复运动将达120次/分钟甚至更高要求。在满足伺服电机的实际连续运行转速要小于或等于其额定转速及其它特性的要求下，伺服机构的传动比及出料辊的外径的合理设计是满足该机工艺要求的关键。由图4可见，PLC的信号逻辑顺序为先产生（1），即变频器先驱使电机将刀抬起，在抬刀与下刀之间的时间t2内，动作（2）必须完成。因此，需满足关系t1 转速要求：此机送料辊直径r=36mm，圆周长为L=2πr=36×3.14=113mm，若以500mm长的袋子为准，则一次制袋成型需转动周数：n总=500/2πr=500/113=4.425圈，以每分钟120个袋的制袋标准，则每分钟送料辊需转动：n辊=120n=531转，同时，送料辊与伺服电机存在1:4的减速比，故最终要求伺服电机的转速：n需=531×4=2124转。

精度要求：袋长精度小于0.5mm，伺服传动机构采用同步带传动，伺服编码器脉冲数为2500P/R，通过四倍频转换后，分辨精度达到10000p/r，即v伺=360°/10000=0.036°，电机输出到出料辊有4:1的减速比，实际检测精度达到：

v辊=360°/（10000×4）=0.009°，对应的长度分辩精度为：

vl辊=2πr×（0.009°/360°）

=113×0.000025=0.002825mm。

故其本身误差远远小于0.5mm，引起定位误差较大的真正原因是由于伺服电机起停不够平滑，或者由于送料端的送料速度小于出料辊的出料速度，造成出料辊与塑料薄膜之间的相对滑动，故要根据伺服电机的起停速度调整合适的加减速时间，调整送料变频器频率使其送料速度要大于出料辊的出料速度，调整结果要以出料辊与塑料薄膜之间不发生相对滑动为准。

新型制袋机均带有两种封切方式：一种为空白袋封切方式，即伺服系统控制电机以PLC预先设置的脉冲数进行动作，直到脉冲数运行完为止，作为一个制袋周期，此种方式为非追色运行方式，也称为定长运行方式。另一种为追色封切方式，当选择追色封切时，其过程如下，伺服启动信号导通，伺服电机按照PLC程序预先设定的运动曲线进行加速运动、恒速运动、减速运动、低速追色，如图5所示，PLC接收到追色信号时，通过中断方式立即停止伺服电机。一般追色长度为10mm，并且要求追色信号只能在追色范围内起作用，其它范围内需屏蔽掉其干扰信号。追色封切调试时，在人机界面上设定好伺服电机的恒速速度，先将加速时间、减速时间设长，再调低速追色速度，尽可能提高低速追色速度，以追色平稳、准确为准。调整好追色速度后，再调加速时间、减速时间，尽可能调短加减速时间，以胶袋与出料辊不发生相对滑动及追色平稳为准。PLC程序在追色封切时，对追色信号记数，连续三次检测不到时，PLC停止各电机运转，并驱动报警器报警。同时PLC程序对批量记数，当批量达到预警值时，PLC驱动报警器报警提示。

操作面板上设置了变频器的调速旋钮，通过该组旋钮调位器可对主电机和送料电机调速，从而改变机器的加工效率，同时，改变人机界面上PLC的脉冲频率设定值可对伺服电机调速。

PLC内编写自动运行与手动调试程序，自动运行程序为生产程序，手动调试程序为调机或维修时使用。

该类机械配套伺服系统后，实现了以下功能：效率提高;良品率提高;封切精度提高;调试机械方便快捷;运行过程平稳。200-800mm长胶袋，生产约160-50个/分钟;长度误差在0.5mm内;胶袋封口处温度线，结实耐拉;既可定长封切，又可追色封切;追色封切时，连续三次检测不到色标信号，能自动停机报警;有预警功能，生产到设定批量时，会自动提示;主电机调速，送料电机调速，伺服电机调速;设有自动运行方式和手动调试方式。

结语

随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术和更合理的性能价格比的要求。伺服系统以其出色的性能完成了对产品的加工过程、加工工艺和综合性能的改造，并在工业领域中得到了非常广泛应用。

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