CN102295086A - 连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统及其控制方法，包括测速传感器、双横封位置检测传感器、色标检测传感器、下料启动传感器、无纸信号传感器和系统控制器，系统控制器包括对纵封牵引机构、横封驱动机构的系统控制，纵封牵引采用步进电机驱动，横封驱动采用伺服电机驱动，使用控制方法实现原包装机机械传动结构的运动规律，进而省掉占很大成本的机械部件，节约装配和调试成本和缩短整机的生产周期，极大提高包装机的自动化生产水平，同时改善和扩展包装袋长的宽度适用范围，提高包装机包装速度。

Description

连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于包装机械领域，涉及一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统及其控制方法。 

背景技术

连续式全自动包装机是世界包装机行业的一大主流，与间歇式全自动包装机相比，具有物料包装速度快、效率高的特点，故而广泛使用。且由全自动包装机生产过程三要素(制袋、充填、封合)可知：其中制袋、封合两过程的工作性能直接关系到物料包装袋的产品质量。故目前国内外连续式包装机技术控制方式基于以下几种模式： 

1、纵封牵引差动调整、横封不等速(偏心轮)机构(该机构仍在包装机产品上配套使用) 

1)基本原理： 

该原理在结构上纵封牵引、横封驱动均采用机械传动结构。在运动原理上物料包装袋的袋长由主轴上的定长传动齿轮齿数决定，且包装袋的擁袋、岑袋现象通过改变定长齿轮齿数来解决，而运行过程中出现的袋长误差则需由差动调整机构中的伺服电机增速(袋短需增速)和减速(袋长需减速)解决，除此之外包装袋的袋长控制器性能也决定了包装袋袋长与商标跟踪精度。横封驱动则采用不等速(偏心轮)的机械传动结构且其运动规律是要保证横封旋转的线速度与纵封牵引速度在封口处瞬时一致。 

2)存在的问题： 

①基于机械传动部件加工误差、装配和调试技术熟练程度、加之袋长控 制器性能因素等综合原因导致包装袋的擁袋、岑袋现象在一定程度上很难克服； 

②当走纸长度出现偏差时，需要更换相应的传动齿轮进行偏差调整，且调整范围有限； 

③当袋长误差较大时，基于机械传动配合因素，使误差难以消除； 

④当袋长改变时，需要更换相应的传动齿轮齿数和横封不等速(偏心轮)传动机构的传动比，且袋长范围有限(常规包装设备的袋长范围为55～110mm)； 

⑤纵封牵引差动调整、横封不等速(偏心轮)机械结构，该机械部件占据整机部件的70％和整机空间的60％，由此增加是装配和调试成本，以及整机的生产周期； 

⑥主机速度决定了整机包装速度，现包装机整机包装仅为100袋/分。 

2、纵封步进电机牵引、横封不等速(偏心轮)机构(该机构为包装机产品上使用主流结构) 

1)基本原理： 

该原理在结构上纵封牵引采用步进电机直接驱动，横封驱动仍采用横封不等速(偏心轮)机械传动结构。在运动原理上物料包装袋的袋长由拉袋控制器设置，并通过调整横封不等速偏心轮的偏心量与设定的袋长参数相对应，以保证横封旋转的线速度纵与封牵引速度在封口处瞬时一致。在运行过程中，当袋长和商标跟踪精度出现偏差时，即可通过拉袋控制器根据误差大小实施参数设置与偏差补偿。 

2)存在的问题： 

①袋长改变时，要通过对控制器的袋长参数进行调整，同时还要通过调整偏心轮偏心量，保证制袋封合要求，故调整麻烦、且每改变一次袋长规格就要调整一次，同样给用户操作、使用带来不便； 

②常规包装设备的袋长范围仍控制为55～110mm； 

③袋长和商标跟踪精度的最佳效果为±1mm，不能满足高标准包装袋的袋型精度要求。 

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统及其控制方法，纵封牵引采用步进电机驱动，横封辊采用伺服电机直接驱动，使用嵌入式控制理论控制方法实现原包装机机械传动结构的运动规律，进而省掉占很大成本的机械部件，节约装配和调试成本和缩短整机的生产周期，极大提高包装机的自动化生产水平，同时改善和扩展包装袋长宽度的适用范围，如干燥剂包装袋长-30mm，欧式奶茶包装袋长-500mm。提高包装机包装速度，目前连续式全自动包装机的包装速度为110袋/分，本发明的包装速度应大于或等于200袋/分。 

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的： 

依据本发明提供的一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统，包括测速传感器、双横封位置检测传感器、色标检测传感器、下料启动传感器、无纸信号传感器和系统控制器，所述的系统控制器包括对纵封牵引机构、横封驱动机构的系统控制，其中：

(1)纵封牵引机构的系统控制包括主机速度、横封位置、光电跟标数据速度检测及接口电路、微处理器和脉冲输出功率驱动接口电路，由系统控制器采集主机速度、位置、光电信号，并按设置袋长参数输出脉冲给步进电机驱动电源相应步数和速度信号，步进电机驱动电源驱动步进电机，驱动纵封牵引机构的纵封辊按要求旋转，实现包装袋定长和商标跟综； 

(2)横封驱动机构的系统控制包括两横封位置、光电和纵封速度数据信号的接口电路、微处理器和脉冲输出功率驱动接口电路，由系统控制器采集安装在横封辊上的两只位置开关、光电信号，并根据纵封牵引的运行速度输 出脉冲给伺服电机驱动器相应步数和速度信号，且伺服电机驱动器驱动伺服电机，进而驱动横封机构的横封辊按纵封辊速度要求旋转，保证横封辊与纵封辊在横封封口时的速度同步。 

一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统的控制方法，它包括以下步骤： 

(1)系统控制器上电：系统初始化，准备接收系统测控信息； 

(2)功能参数设置：通过系统控制器的相应功能轻触按键输入并存入系统的存储器： 

1)包装机制袋参数： 

①包材长度尺寸； 

②纵封牵引辊步长补偿； 

③成品袋袋长误差补偿； 

④切点的前移和后移尺寸； 

2)其它参数： 

①物料包括粉剂、酱类充填参数； 

②两横封位置的微调参数； 

③酱机磁力泵充填时间参数； 

(3)包装机主电机运行： 

1)系统工作、纵封牵引辊启动； 

①系统嵌入式计算机按设置参数执行程序操作； 

②系统嵌入式计算机接收被测信息： 

a.测速传感器确定主电机速度及纵封牵引辊运行； 

b.位置传感器、光电传感器和设定袋长参数确定纵封牵引辊速度； 

c.两位置传感器、光电传感器和纵封牵引辊速度确定横封辊速 度； 

2)横封辊速度纵与封牵引辊速度在横封封口处速度同步： 

①完成包材走纸袋长尺寸操作； 

②完成包材走纸速度操作； 

③完成包材商标图案定位操作； 

④完成物料充填操作； 

⑤完成包装袋的温度封合操作； 

⑥完成成品袋分切操作； 

3)系统自动调节及误差补偿： 

①系统自动调节： 

a.包材走纸袋长尺寸自动调节； 

b.包材走纸速度自动调节； 

c.横封辊旋转速度的自动调节； 

d.成品袋分切位置自动调节； 

②系统袋长误差补偿： 

a.温度对包材尺寸收缩的影响； 

b.纵封牵引辊运行速度对包材尺寸收缩的影响； 

c.包材走纸机构阻力对包材尺寸的影响； 

d.包材张力对包材尺寸的影响； 

e.横封辊和纵封辊高速运行对封合温度的影响。 

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果： 

由于发明在机械结构上：纵封牵引采用步进电机直接驱动，横封旋转采用伺服电机直接驱动，该结构与主机主传动无任一关联，整机结构简捷、方便装配调试。在电气控制基理上：系统控制器采用嵌入式控制理论和控制模式，系统控制器集分别控制、综合管理于一体。即：1、按袋长参数设置(袋 长、补偿、切点位移等)实现步进电机驱动纵封旋转，完成袋长定长和商标跟综；2、按纵封旋转速度和光电信号实现横封旋转，并保证两者在封合瞬间速度同步；3、在下料信号作用下，完成包装机的下料充填操作。在整机性能上：1、包装机整机机械部件少，装配调试成本低，机械维护量小，整机生产周期短；2、包装袋长的宽度适用范围扩展到30～200mm以上；3、包装机包装速度达200袋/分以上。 

总之，本发明的方法表明连续式包装机生产过程三要素(制袋、充填、封合)成为机械结构上分别独立，运行规律上相互依存(指电气控制)的运动主体。 

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。 

附图说明

图1为本发明的连续式包装机结构示意图； 

图2为本发明的横封控制运动规律示意图； 

图3为本发明的系统控制器结构示意图； 

图4是本发明的系统控制器后面板系统接线示意图； 

图5为本发明的系统控制机构功能框图； 

图6是本发明的系统配置结构框图； 

图7是本发明的系统控制器工作原理框图。 

其中：1、复合膜卷料2、导辊3、光点头4、纵封辊(牵引辊)5、横封辊6、热封合成品袋7、主转动连轮8、减速器9、变频控制电机10、袋长基准齿轮11、检测传感器12、纵封驱动步进电机13、纵封传动齿轮14、纵封传动齿轮15、分切后成品袋16、料盘17、料斗18、色标19、定切刀20、动切刀21、横封驱动伺服电机22、横封相位传感器一23、横封相位传感器二24、横封相位传感凸轮一25、横封相位传感凸轮二26、切断刀离合器手柄27、包装纸28、纵封29、横封30、壳体31、前面板32、液晶显示器33、功能 轻触按键34、后面板35、输入端子36、输出端子。 

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。 

如图1～7所示的一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统，包括测速传感器、双横封位置检测传感器、色标检测传感器、下料启动传感器、无纸信号传感器和系统控制器，所述的系统控制器包括对纵封牵引机构、横封驱动机构、粉剂物料充填机构和颗粒或酱类物料充填机构的系统控制，其中： 

(1)纵封牵引机构的系统控制包括主机速度、横封位置、光电跟标数据速度检测及接口电路、微处理器和脉冲输出功率驱动接口电路，由系统控制器采集主机速度、位置、光电信号，并按设置袋长参数输出脉冲给步进电机驱动电源相应步数和速度信号，步进电机驱动电源驱动步进电机，驱动纵封牵引机构的纵封辊按要求旋转，实现包装袋定长和商标跟综。 

(2)横封驱动机构的系统控制包括两横封位置、光电和纵封速度数据信号的接口电路、微处理器和脉冲输出功率驱动接口电路，由系统控制器采集安装在横封辊上的两只位置开关、光电信号，并根据纵封牵引的运行速度输出脉冲给伺服电机驱动器相应步数和速度信号，且伺服电机驱动器驱动伺服电机，进而驱动横封机构的横封辊按纵封辊速度要求旋转，保证横封辊与纵封辊在横封封口时的速度同步。 

以上两者的控制均由一嵌入式系统控制器完成，见图3、图4所示，系统控制器包括壳体30及壳体的前面板31上的液晶显示器32和功能轻触按键33，后面板34上留有输入端子35和输出端子36。 

一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统的控制方法，它包括以下步骤： 

(1)系统控制器上电：系统初始化，准备接收系统测控信息； 

(2)功能参数设置：通过系统控制器的相应功能轻触按键输入并存入系统的存储器： 

1)包装机制袋参数： 

①包材长度尺寸； 

②纵封牵引辊步长补偿； 

③成品袋袋长误差补偿； 

④切点的前移和后移尺寸； 

2)其它参数： 

①物料包括粉剂、酱类充填参数； 

②两横封位置的微调参数； 

③酱机磁力泵充填时间参数； 

(3)包装机主电机运行： 

1)系统工作、纵封牵引辊启动； 

①系统嵌入式计算机按设置参数执行程序操作； 

②系统嵌入式计算机接收被测信息： 

a.测速传感器确定主电机速度及纵封牵引辊运行； 

b.位置传感器、光电传感器和设定袋长参数确定纵封牵引辊速度； 

c.两位置传感器、光电传感器和纵封牵引辊速度确定横封辊速度； 

2)横封辊速度纵与封牵引辊速度在横封封口处速度同步： 

①完成包材走纸袋长尺寸操作； 

②完成包材走纸速度操作； 

③完成包材商标图案定位操作； 

④完成物料充填操作； 

⑤完成包装袋的温度封合操作； 

⑥完成成品袋分切操作； 

3)系统自动调节及误差补偿： 

①系统自动调节： 

a.包材走纸袋长尺寸自动调节； 

b.包材走纸速度自动调节； 

c.横封辊旋转速度的自动调节； 

d.成品袋分切位置自动调节； 

②系统袋长误差补偿： 

a.温度对包材尺寸收缩的影响； 

b.纵封牵引辊运行速度对包材尺寸收缩的影响； 

c.包材走纸机构阻力对包材尺寸的影响； 

d.包材张力对包材尺寸的影响； 

e.横封辊和纵封辊高速运行对封合温度的影响。 

本发明的连续式包装机结构如图1所示，连续式包装机包括复合膜卷料1、导辊2、光点头3、纵封辊(牵引辊)4、横封辊5、热封合成品袋6、主转动连轮7、减速器8、变频控制电机9、袋长基准齿轮10、检测传感器11、纵封驱动步进电机12、纵封传动齿轮13、纵封传动齿轮14、分切后成品袋15、料盘16、料斗17、色标18、定切刀19、动切刀20、横封驱动伺服电机21、横封相位传感器一22、横封相位传感器二23、横封相位传感凸轮一24、横封相位传感凸轮二25和切断刀离合器手柄26。其中纵封牵引由步进电机及与其链接的同步链轮、同步带、牵引轴、纵封辊组成，横封机构由伺服电机及与其链接的链轮、链条、旋转轴、横封辊组成。粉剂物料充填机构则由系统控制器在下料启动信号作用下，按预先设置的下料参数输出脉冲给步进电机驱 动电源相应步数和速度信号，且步进电机驱动电源驱动步进电机，进而驱动下料螺杆机构按步数和速度要求旋转，故而完成包装机粉剂物料的下料充填操作；颗粒、酱类物料充填机构则通过安装在纵封牵引轴部位的一对斜齿轮而改变立轴方向，驱动料盘旋转机构或磁力泵运动机构，完成颗粒、酱类物料的下料充填操作。 

本发明的工作原理： 

包装机是通过控制纵封拉袋步进电机和横封伺服电机来实现包装袋的封合。即系统控制分为纵封控制和横封控制两部分。 

1.纵封控制 

纵封控制即控制拉袋步进电机，拉袋电机负责把包装纸从纵封处送出，送出的长度和速度由主电机的速度和系统控制器设定的参数决定。主电机的速度可以通过测速开关获得，从而计算出每分钟所需要的袋数。通过设定的袋长数，可以计算出每分钟拉袋电机需要送出多少mm长度的包装纸。从而计算出拉袋电机的速度，即步进电机的运行频率。 

该系统中拉袋步进电机与传统的拉袋步进电机在功能上有些许不同，传统的拉袋电机需要两种工作模式：定长和跟标。在定长模式下，跟上述提到的工作方式相同。而在跟标模式下，拉袋电机不仅需要送出相应长度的包装纸，还需要根据光标信号和切刀信号来调整包装纸的位置，从而获得理想的封合位置。调整包装纸的位置就需要通过调整拉袋电机的速度来实现。跟标模式的拉袋电机是在定长模式的基础上对拉袋速度进行微调。从而实现包装袋的准确封合。 

故在此系统中也需要两种工作模式：定长和跟标。这是通过控制横封电机来实现的。拉袋电机在此系统中只有一种模式，这就是定长模式。 

2.横封控制-横封控制运动规律 

如图2所示，该系统中需要控制横封伺服电机确定出封合时包装袋的长 度，以及在跟标模式下准确的封合包装袋的光点位置。 

横封29封合的位置为A点到B点的这段距离。此时横封的线速度必须与纵封28的线速度一致。纵封的线速度即为拉袋电机的速度，通过计算可得出横封电机的速度。这段速度是A点到B点的速度。而B点到A点这段距离则需要横封以最快速度运行到A点。因为需要横封在A点等待直到需要封合时横封电机才动作，即运行A点到B点这段距离。这中间就有一个变速的过程。 

A点---------------B点---------------A点 

       等待       封合      快速    等待 

以上即为横封的速度变化过程。 

在定长模式下，横封从A点启动运行，此时对纵封的送出的包装纸27长度进行计数，当计数到达设定的袋长时(此时横封已运行一周在A点等待状态)，横封从A点启动，再对纵封的送出的包装纸长度进行计数。周而复始，从而封合出准确的包装袋。 

在跟标模式下，判断横封从A点启动的条件不只是纵封送出的包装纸，还包括了光标信号。在接受到光标信号后，对纵封的送出的包装纸长度进行计数，根据设定的参数(切口位置)，长度计数到达设定的切口位置时，横封从A点启动运行。再次接受到光标信号后，再次对纵封的送出的包装纸长度进行计数，长度计数到达设定的切口位置时(此时横封已运行一周在A点等待状态)，横封从A点启动运行。周而复始，从而封合出准确的包装袋。 

本发明的预期效果及目的： 

1.本发明根据理论分析和实验证明可实现如下效果： 

理论上保证纵封辊和横封辊在封合时的线速度同步，则袋长误差定会≤0.5mm； 

基于纵封运动速度取决于袋长(包装机系统控制器设置)，而横封运动速度又取决于纵封运动速度，故本发明最大限度地解决了原包装机袋长范围有 限(55～110)问题； 

基于横封运动速度取决于纵封运动速度，且在主机速度允许情况下，包装机包装速度可达200袋/分以上。 

2.本发明的数据测试过程 

1)本发明选天津市三桥包装机械有限公司生产的DXDF40型自动粉剂包装机为测试主机，并对该机进行改造：纵封拉袋采用步进电机；横封直接由伺服电机驱动，即去掉原不等速偏心机构；结构见图1所示。 

2)设置本发明系统控制器参数(步进步长、纵封辊径、速比、及袋长等)；设置本发明伺服电机驱动器参数(旋转方向、控制方式、指令脉冲形态、滤波器选择、电子齿轮比(分母)、电子齿轮比(分子)、伺服ON输入信号等)。 

3)选择宽度为60带色标的包材和宽度同样为60不带色标的包材各一卷，包装机设备上电运行。 

4)测试结果： 

Claims (2)

1.一种连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统，包括测速传感器、双横封位置检测传感器、色标检测传感器、下料启动传感器、无纸信号传感器和系统控制器，其特征在于：所述的系统控制器包括对纵封牵引机构、横封驱动机构的系统控制，其中：

(1)纵封牵引机构的系统控制包括主机速度、横封位置、光电跟标数据速度检测及接口电路、微处理器和脉冲输出功率驱动接口电路，由系统控制器采集主机速度、位置、光电信号，并按设置袋长参数输出脉冲给步进电机驱动电源相应步数和速度信号，步进电机驱动电源驱动步进电机，驱动纵封牵引机构的纵封辊按要求旋转，实现包装袋定长和商标跟综；

(2)横封驱动机构的系统控制包括两横封位置、光电和纵封速度数据信号的接口电路、微处理器和脉冲输出功率驱动接口电路，由系统控制器采集安装在横封辊上的两只位置开关、光电信号，并根据纵封牵引的运行速度输出脉冲给伺服电机驱动器相应步数和速度信号，且伺服电机驱动器驱动伺服电机，进而驱动横封机构的横封辊按纵封辊速度要求旋转，保证横封辊与纵封辊在横封封口时的速度同步。

2.一种用于权利要求1所述的连续式包装机纵封牵引和横封驱动控制系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)系统控制器上电：系统初始化，准备接收系统测控信息；

(2)功能参数设置：通过系统控制器的相应功能轻触按键输入并存入系统的存储器：

1)包装机制袋参数：

①包材长度尺寸；

②纵封牵引辊步长补偿；

③成品袋袋长误差补偿；

④切点的前移和后移尺寸；

2)其它参数：

①物料包括粉剂、酱类充填参数；

②两横封位置的微调参数；

③酱机磁力泵充填时间参数；

(3)包装机主电机运行：

1)系统工作、纵封牵引辊启动；

①系统嵌入式计算机按设置参数执行程序操作；

②系统嵌入式计算机接收被测信息：

a.测速传感器确定主电机速度及纵封牵引辊运行；

b.位置传感器、光电传感器和设定袋长参数确定纵封牵引辊速度；

c.两位置传感器、光电传感器和纵封牵引辊速度确定横封辊速度；

2)横封辊速度纵与封牵引辊速度在横封封口处速度同步：

①完成包材走纸袋长尺寸操作；

②完成包材走纸速度操作；

③完成包材商标图案定位操作；

④完成物料充填操作；

⑤完成包装袋的温度封合操作；

⑥完成成品袋分切操作；

3)系统自动调节及误差补偿：

①系统自动调节：

a.包材走纸袋长尺寸自动调节；

b.包材走纸速度自动调节；

c.横封辊旋转速度的自动调节；

d.成品袋分切位置自动调节；

②系统袋长误差补偿：

a.温度对包材尺寸收缩的影响；

b.纵封牵引辊运行速度对包材尺寸收缩的影响；

c.包材走纸机构阻力对包材尺寸的影响；

d.包材张力对包材尺寸的影响；

e.横封辊和纵封辊高速运行对封合温度的影响。

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