自动包装机横切精度控制系统设计

邓治宇

（重庆化工职业学院，重庆 401228）

0 引言

物联网发展迅速，人们生活水平富足，人们对生活品质的追求越来越高，这一社会现实也促进了包装行业的进步，促使与之相关的包装产业得到了快速的发展。包装业逐渐成为了经济体制转型中不可缺少的重要组织部分[1，2]。这也促进了包装横切机控制系统的产生与发展。同时纸板的生产要求走向高质量、高效率的发展要求，为了获得更好的控制效果，为此相关学者设计了包装横切机控制系统。传统系统中存在大量的技术问题有待解决。例如文献[3]中设计了包装自动化生产线控制系统的硬件结构以及立体库控制软件以及翻转机构控制软件，构建了一种具有智能化的包装系统。此种系统的控制能力与当前要求中的包装智能控制还存在一定的差异，需要对其进行性能优化[3]。文献[4]中利用伺服电机同步实现了瓦楞纸板横切机的全自动智能控制，通过模糊控制方法对横切机速度跟踪进行控制，以DSP为核心，搭建实验平台.所述系统能够提高剪切效率，降低剪切误差，满足横切机的设计要求.但此系统应用过程较为复杂，需要对其控制过程进行简化[4]。

针对上述传统系统中的不足，在本次研究中将使用PLC控制技术对其展开优化，设计基于PLC控制的包装横切机自动化控制系统。希望通过此系统对包装切割机进行有效地控制，促进包装产业发展，实现包装产品的可持续发展。

1 包装横切机自动化控制系统硬件设计

针对传统系统的系统应用过程较为复杂问题，本次研究首先对系统硬件框架展开优化。在原有系统硬件构架的基础上，对中央控制芯片以及部分关键设备展开优化，优化后系统硬件框架如图1所示。

图1 包装横切机自动化控制系统硬件框架

根据上图设计内容，完成硬件部分优化过程。使用优化后的硬件框架作为软件模块开发的基础。力求在传统系统的基础上，实现系统的高性能优化，同时控制系统优化成本。

1.1 中央处理器设计

处理器是控制系统的核心组成零件。根据包装产业包装完整性依据的要求，在本次研究中使用嵌入式微处理器作为中央控制器的选型蓝本。本次研究中，选用32位RISC处理器[5，6]作为核心芯片。此芯片具有高质量图像显示、通讯性能良好的优点，在一定程度上可降低系统开发成本。在此芯片中安装高速存储器、LCD控制器[7]、A/D转换器以及100个高速通用接口。为提升此芯片对于横切机的实时操作控制能力，以此保证时钟单元的可控性。根据横切机电路特征，将包装横切机切割控制系统结构设定如图2所示。

图2 包装横切机切割控制系统结构

将上述包装横切机切割控制结构与中央控制器芯片电路相结合，完成切割控制优化过程。而后，将此控制器应用到现有系统硬件框架之中，为后续的硬件设备选型提供基础。

1.2 伺服电机优化设计

在本次设计中，为提升控制系统的使用性能，使用间接变速方式提高系统切割精度，从而达到提升系统使用性能的目标。因此，在本次研究中选择合适的伺服电机作为补助马达间接变速装置，通过伺服电机有效控制包装机切割速度切割位置精度。为系统软件部分提供数据基础，同时增强系统硬件结构稳定性，具体伺服电机参数设定如表1所示。

表1 伺服电机参数设定

将伺服电机安装到硬件框架中，通过驱动器发出脉冲信号控制伺服电机旋转角度，通过此方法有效缓解电机在工作中受到的干扰[8，9]。通过更改信号发射频率以及脉冲数控制横切机刀口与纸板的进给速度。将本部分的设备进行有序连接，并将其与中央控制器同时引入到系统硬件框架中，完成系统硬件设计。

1.3 PLC设备选型

本次研究中，根据横切机技术要求，选择小型PLC完成横切机控制过程。根据伺服电机以及中央控制芯片的选型结果，将PLC性能参数设定如表2所示。

根据表2参数完成PLC的选型，并将其引用到优化后的系统硬件框架中，为后续的软件开发提供平台。

表2 PLC性能参数

2 包装横切机自动化控制系统软件设计

2.1 切刀运动轨迹规划

根据优化后的系统硬件，结合运动轨迹规划算法[10，11]，对切刀进行智能控制。设定切刀角度位置为α，d表示切刀轨迹直径，β表示同步角，v表示包装材料进给速度，C表示设定的原料切割长度，c表示实际原材料剪切长度，di表示测速轮直径，b表示编码器分辨率，mb表示编码器脉冲数，s表示编码器脉冲量。通过大量文献研究可知，原料剪切长度与切刀周长基本一致，如切刀运行速度不变，则剪切长度与预设长度一致[12]。通过公式可表示为：

根据此式(1)，可得到α，则有：

由式(2)可知，当切刀在初始时刻切断纸板时，(0，ta)时切刀处于同步器，ta时刻切刀进入补偿区，(ta，tc)时刻切刀位于补偿区，tc时刻切刀进入同步区，(tc，td)时切刀位于同步区。根据此原理，则有：

根据式(3)～式(6)，可得到横切机运行周期中的余弦函数方程，具体如式(7)所示：

使用此公式，对切刀运行周期进行控制，保证实际切割长度与预设原料切割长度一致。

2.2 横切机模糊控制

使用上述设计内容对横切机切刀展开控制，与此同时，使用PID控制算法[13～15]对横切机整体进行控制。设定横切机的动态过程如式(8)所示：

上述公式可得到横切机的最高转速，根据此公式可对横切机转矩展开计算，具体过程如式(9)所示：

式中，Zp表示横切机的转矩；Zv表示横切机使用时，加工外界力折算到横切机的转矩；Zr表示摩擦力折算到横切机的转矩；Zg表示其他部件折算到横切机上的转矩。对于横切机而言，设备自身的重力折算到其自身上的转矩基本为0，由此可知：

对式(10)进行整合可得到横切机使用过程中的摩擦转矩，则有：

式(11)中，Zw表示横切机中同步电机转矩分量，Zo表示横切机转矩脉动，Zh表示支撑轴转矩，λi表示横切机的剪切电流。将上述横切机转矩计算部分与PID控制器相结合，完成对横切机的整体控制过程。将切刀运动轨迹规划优化结果与硬件优化内容相结合，至此，基于PLC控制的包装横切机自动化控制系统设计完成。

3 系统测试

3.1 系统测试平台

在本次研究中，针对传统包装横切机自动化控制系统在使用中出现的切割误差较大及横切机调节时长较长等问题，引用PLC设备设计了基于PLC控制的包装横切机自动化控制系统。为证实此系统具有研究价值，对其展开系统测试，验证PLC系统与传统系统的使用差异。在本次研究中将主要对系统性能部分进行研究，因此，将横切机的基本参数设定如下，避免由于测试主体不同造成测试结果的失真问题。

表3 横切机基本参数

将上述设定数据作为测试对象的主要参数，使用PLC系统与传统系统对其进行控制。为降低测试结果的分析难度，将设定对应的测试指标用以衡量PLC系统与传统系统的使用效果。

3.2 系统测试方案

在本次系统测试中，将首先对文中提出的PLC系统硬件连接以及系统功能展开运行测试，如测试结果符合系统应用要求，可将其与传统系统进行性能对比测试。经硬件连接测试可知，PLC系统硬件连接稳定，无漏电等不良情况出现。对其进行功能测试可以发现，PLC系统功能运行稳定，符合当前包装横切机自动控制要求。因此，可对其展开性能测试。

本次测试中，将系统测试指标设定为三部分，切刀长度控制能力、速度调节能力以及横切机调节时长。此三组指标对控制系统的速度调节能力以及切刀控制能力进行分析。通过上述指标对PLC系统与传统系统的应用功能进行研究。

3.3 测试结果分析

为了验证本文方法的有效性，需要通过仿真实验获得不同方法下包装横切机控制系统的抗干扰效果，得到结果如表4所示。

表4 包装横切机控制系统的切割误差

分析表4可知，不同系统的切割误差不同。当切刀剪切速度为10m/min，文献[3]系统的切割误差为5.22mm，文献[4]系统的切割误差为3.66mm，设计系统的切割误差为1.12mm。当切刀剪切速度为50m/min，文献[3]系统的切割误差为7.65mm，文献[4]系统的切割误差为4.62mm，设计系统的切割误差为0.32mm。通过测试结果可知，设计的包装横切机控制系统的切割误差明显高于其他系统，这是由于PLC系统中增设了切刀运动轨迹规划模块有效控制了切刀的出刀长度，提升了系统对于切刀的控制能力。综合上述测试结果可知，PLC系统的使用效果更加稳定。

为了验证设计系统的包装横切机速度调节能力，采用文献[3]系统、文献[4]系统及设计系统进行横切机速度调节能力检测，得到结果如图3所示。

图3 速度调节能力

由上述实验图像可以看出，PLC系统的速度调节能力明显优于传统系统的速度调节能力。在本次研究中，将速度调节能力体现为速度调节后的横切机运行速度与预设速度的误差情况。经实验结果证实，PLC系统使用后，横切机的运行速度与预设速度较为一致，可有效提升横切机的使用功能。传统系统在一定程度上也可以较好地横切机运行速度，但与预设速度存在相应的误差，容易造成原料浪费的问题。因此，在后续的研究中，还应对控制系统的速度调节能力进行优化。

为了验证设计的包装横切机控制系统的横切机调节效果，采用文献[3]系统、文献[4]系统及设计系统进行横切机调节时长检测，得到结果如图4所示。（备注：调节时长指系统检测出横切长度有误差后自动调整到合格长度的调节时间）。

图4 横切机调节时长

分析图4可知，测试次数为2次时，文献[3]系统的横切机调节时长为22s，文献[4]系统的横切机调节时长为27.5s，设计系统的横切机调节时长为17s。经上述实验结果证实，PLC系统的控制能力较高，可在较短的时间内实现对包装横切机的控制过程，提升包装横切机的使用效果，降低包装材料的浪费情况。传统系统的横切机调节过程耗时较长，使用效果较差。由于耗时问题，无法对横切机进行及时有效的控制，造成相应的原料浪费问题。针对此测试结果可初步确定PLC系统的控制能力与使用效果均优于传统系统。

将系统功能测试结果与系统性能测试结果融合分析可以发现，PLC系统具有传统系统无法达到的使用效果，将其应用在包装行业中可促进此行业发展。

4 结语

本次研究在包装横切机控制系统的基础上研制出了一种更为先进的控制端，能够有效提升横切机控制精度。本次研究中对传统系统的不足进行完善，但由于技术的限制，还存在相应的问题，在日后的研究中还需要对其进行性能优化与升级。