CN103552711B - 多轴控制装置、循圆方法以及包装机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴控制装置、循圆方法以及包装机。所述多轴控制装置包括：一启动控制器，通过一命令接收模块接收外部的启动和停止信号；一运动控制器，与所述启动控制器通信；一马达驱动器，与所述运动控制器通信；以及一输入模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信。优点在于可以精确地同步控制多个马达协同工作，且对外部命令的处理速度迅速。

Description

多轴控制装置、循圆方法以及包装机

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种多轴控制装置、循圆方法以及包装机。

背景技术

在社会流通的全过程中，包装能发挥保护、美化、宣传、销售产品的功能，提高商品的竞争能力。包装自动化是利用自动化装置控制和管理包装过程，使其按照预先规定的程序自动进行。包装自动化已成为一种必然的趋势，但现有技术中包装工程的自动化程度并不高。由于企业的各个生产线是连续不间断的，因此对包装机械中的马达的扭矩、速度、精度和动态性能等指标都有极高的要求。在包装机械上需要控制马达的精确位置和严格的速度同步，保证输送、装卸、卸垛、打标、打包等工序正常运转。这是封口机、打包机、打码机、旋盖机等包装机械产品在升级时需要考虑的关键问题。

目前市场上常见的包装机械控制系统主要有两种方式：

方式1：主控采用机械传动方式。对于包装工艺不复杂，包装速度要求不高的场合，在主控部分采用机械凸轮的方式即可以满足要求，故这种控制方式仍然被少量使用，主要原因是成本低。但是采用机械凸轮控制的方式，无论如何也避免不了后期维护的不便。由于机械的硬性连接，在运行的过程中，会出现机械磨损严重，噪音大，效率低等特点。

方式2：主控采用可编程逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController）控制。附图1所示是现有技术中采用可编程逻辑控制器的包装机械控制系统的结构示意图，包括可编程逻辑控制器11、交流伺服驱动器12和变频器13。PLC11通过发送脉冲给交流伺服驱动器12完成定位动作，变频器13驱动主轴14做匀速运动。主轴14的脉冲同样输出给交流伺服驱动器12作为命令来源，做出相应的动作。PLC11同时控制I/O设备15，包括温控器等。这种方式的缺点在于配线复杂，不利于维护，且主轴是采用变频方式驱动，系统包装精度难以提高，无法满足包装行业对精度越来越高的要求。大量的运算都集中在可编程逻辑控制器11，运算量大，影响运行速度和精度。且每次修改包装程序都需要通过修改PLC命令实现，而修改PLC控制命令需要专业人士花费大量时间才能够完成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多轴控制装置，可以精确地同步控制多个马达协同工作，且对外部命令的处理速度迅速。

本发明所要解决的技术问题还在于提供一种包装机，可以精确控制传送马达和裁切马达系统工作，并且能在样品规格发生变化时，简单快速地调整工作模式，从而节省生产时间。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多轴控制装置，包括：一启动控制器，通过一命令接收模块接收外部的启动和停止信号；一运动控制器，与所述启动控制器通信，用于根据所述启动控制器发出的命令开始或停止执行一预置的控制程序；一马达驱动器，与所述运动控制器通信，用于根据所述运动控制器发出的命令来控制至少一外部马达；以及一输入模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信，用于使用者从外部输入参数来控制所述多轴控制装置。

可选的，进一步包括一I/O模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信，所述I/O模块用于同连接至所述多轴控制装置外部的至少一运动控制器实时通信，以扩展所述多轴控制装置的控制能力。

可选的，所述运动控制器为一数字信号处理芯片。

可选的，所述输入模块进一步包含一图形化的人机界面，使用者通过所述图形化的人机界面完成输入。

可选的，所述运动控制器中进一步包括一插补命令单元，所述插补命令单元与所述马达驱动器连接，所述插补命令单元用于合成多轴的同步插补命令并发送至马达驱动器实施插补。

本发明进一步提供了一种循圆方法，采用上述的多轴控制装置，包括如下步骤：通过所述输入模块将编辑的圆周路径命令发送至所述运动控制器；所述运动控制器驱动外部的马达执行所述圆周路径命令，并通过所述命令接收模块反馈收集执行结果，所述执行结果包含所述马达执行所述圆周路径命令的实际平面路径，以及所述马达的命令位置与回授位置之间的变化，以用于循圆误差分析。

本发明进一步提供了一种包装机，包括：一上述的多轴控制装置；以及一传送马达、一送料马达和一裁切马达，各自与所述多轴控制装置连接并被单独的马达驱动器驱动，接收各自的马达驱动器控制信号并分别驱动一传送带、一所述传送带表面的样品和一切刀同步运转。

可选的，进一步包括一位置监控器，与所述运动控制器通信，所述位置监控器用于监控所述传送带表面的样品位置偏移，并通过所述命令接收模块反馈至所述运动控制器。

可选的，进一步包括一I/O模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信，所述I/O模块用于同连接至所述多轴控制装置外部的至少一运动控制器实时通信，以扩展所述多轴控制装置的控制能力。

可选的，所述运动控制器为一数字信号处理芯片。

可选的，所述输入模块进一步包含一图形化的人机界面，使用者通过所述图形化的人机界面完成输入。

可选的，所述运动控制器中进一步包括一插补命令单元，所述插补命令单元与所述马达驱动器连接，所述插补命令单元用于合成多轴的同步插补命令并发送至多个马达驱动器实施插补。

本发明所述多轴控制装置的优点在于采用了运动控制器根据外部命令计算出每个马达的运动路径，并发送至马达驱动器，马达驱动器根据运动控制器发出的统一时钟来执行这些路径。这种架构使所有的马达驱动器的运动路径规划均来自于同一个运动控制器，并且共用运动控制器的时钟，可以做到精确同步；并且把现有技术中集中在上位机上的运算量在所述马达驱动器与所述运动控制器之间重新分配，提高了系统的处理速度，使所述多轴控制装置能够在工作状态下及时准确地对外界命令做出响应。并且所述多轴控制装置由于各轴之间的同步性好，因此还能够执行循圆仪的功能。

本发明所述包装机的优点在于采用上述多轴控制装置驱动传送马达、送料马达和裁切马达，能够做到精确同步，并且在所述运动控制器中预设算法，根据使用者输入的参数自行计算出各个部件的工作参数，并转化成运动路径下发至马达驱动器。这样无需每次更换不同规格的样品时都要重新编写软件代码，而只需要将参数输入即可实现调整。而输入参数的动作是普通的操作工人即可完成的，因此本包装机可以节省生产时间并降低操作难度。

附图说明

附图1所示是现有技术中采用可编程逻辑控制器的包装机械控制系统的结构示意图。

附图2所示是本发明所述多轴控制装置具体实施方式的结构示意图。

附图3所示是本发明所述循圆方法具体实施方式的实施步骤示意图。

附图4所示是本发明所述包装机具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的多轴控制装置、循圆方法以及包装机的具体实施方式做详细说明。

附图2所示是本发明所述多轴控制装置20具体实施方式的结构示意图，包括一启动控制器21、一命令接收模块22、一运动控制器23、多个马达驱动器24、一输入模块25以及一I/O模块26。所述马达驱动器24的数量由需要驱动的马达数目决定，并至少为一个。本具体实施方式为三个。

所述启动控制器21通过所述命令接收模块22接收外部的启动和停止信号。所述命令接收模块22还可以进一步和运动控制器23连接，用于接收多轴控制装置20外部发送至运动控制器23的参考信号，所述参考信号例如是可以用来校准马达驱动器24的工作状态的。

所述运动控制器23与所述启动控制器21通信，用于根据启动控制器21发出的命令开始或停止执行一预置的控制程序。所述输入模块25与所述启动控制器21和所述运动控制器23通信。所述预置的控制程序是通过所述输入模块25发送至运动控制器23的。使用者通过输入模块25输入运动控制器23的控制参数。输入模块25进一步包括一图形化的人机界面，使用者可以通过此图形化的界面完成输入动作。运动控制器23根据此参数生成马达驱动器24能够执行的控制命令，从而执行相应的操作。所述运动控制器23可以是数字信号处理（DSP）芯片。

所述多个马达驱动器24各自与所述运动控制器23通信，用于根据所述运动控制器23发出的运动路径来控制各自对应的外部马达。在所述马达驱动器24为多个的情况下，由于运动路径来自于同一个运动控制器23，因此所有的马达驱动器24共用同一个命令时钟，严格地保证伺服的同步性，因此可以实现同动控制，并且马达驱动器24之间交换资料仅通过运动控制器23而无其它外部设备，因此交换速度高且无时间延迟。在上述结构中，运动控制器23用于根据外部命令计算出每个马达的运动路径，并发送至马达驱动器24，马达驱动器24存储收到的运动路径至本地，并根据运动控制器23发出的统一时钟来执行这些运动路径。这种架构把现有技术中集中在上位机上的运算量在所述马达驱动器24与所述运动控制器23之间重新分配，提高了系统的处理速度，能够在工作状态下及时准确地对外界命令做出响应。并且所述运动控制器23还可以进一步通过命令接收模块22采集马达的工作状态以及各种监控信息，并据此做出调整。

所述运动控制器23还可以进一步包括一插补命令单元231。所述插补命令单元231与所述马达驱动器24连接。在三维运动中，每个马达对应一个运动轴。在所述马达驱动器24为多个，即多轴的情况下，多轴的同步插补命令可以通过所述插补命令单元231生成。插补命令单元231内部根据坐标利用插补算法自动分配出相关的运动轴相应的位置和速度值，并发送至对应的马达驱动器24执行，以实现多轴的同步插补，包括直线、圆弧与螺旋的插补。由插补命令单元231运算可以减低控制器运算，驱动动作响应更精确及时，且无需上位机介入。在进行多轴运动时，为了达到整个路径的运行更加平稳和高效，利用三轴圆弧插补指令，只需给定一个目标点，插补命令单元231便可以根据坐标利用插补算法自动分配出相应的位置和速度值给相关的运动轴。插补命令单元231可以支持绝对，相对，增量坐标模式，可以实现单轴定位，两轴/三轴直线和圆弧插补。

为了扩展所述多轴控制装置的控制能力，还可以进一步包括一可选的I/O模块26。所述I/O模块26与所述启动控制器21和所述运动控制器23通信。由于所述多轴控制装置20中的马达驱动器24的数目是固定的，故多轴控制装置20所能够控制的马达数目必然不能超过马达驱动器24的数目。所述I/O模块26的优点在于可以突破此限制，使多轴控制装置20能够控制更多的马达。所述I/O模块26与外部的至少一运动控制器以及马达控制器（未图示）实时通信，为了保证控制效果，通信协议应采用高速的通信协议，通过高速通信协议可与外部的单轴伺服快速通讯，以扩展所述多轴控制装置的控制能力。

上述多轴控制装置还可以很容易地实现循圆功能，代替专门的循圆仪。

附图3所示是本发明所述循圆方法具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S30，通过所述输入模块将编辑的圆周路径命令发送至所述运动控制器；以及步骤S31，所述运动控制器驱动外部的马达执行所述圆周路径命令，并通过所述命令接收模块反馈收集执行结果。

在步骤S30中，通过所述输入模块25将编辑的圆周路径命令发送至所述运动控制器23。所述运动控制器23可以在内部根据坐标利用插补算法自动分配出相应的位置和速度值给X轴和Y轴对应的马达，因此能够保证两轴之间的绝对同步。

在步骤S31中，所述运动控制器23驱动外部的马达执行所述圆周路径命令，并通过所述命令接收模块22反馈收集执行结果。所述执行结果包含所述马达执行所述圆周路径命令的实际平面路径，以及所述马达的命令位置与回授位置之间的变化，以用于循圆误差分析。此结果可供使用者对设备的工作状态进行判断。

接下来给出本发明所述包装机的具体实施方式。上述多轴控制装置适合用于包装机等需要多马达协同工作的设备上。附图4所示是本具体实施方式所述包装机的结构示意图，包括：一多轴控制装置20、一传送马达41、一送料马达45和一裁切马达42。所述传送马达41、送料马达45和裁切马达42各自与所述多轴控制装置20连接并被单独的马达驱动器24驱动，接收各自的马达驱动器发出的控制信号。所述传送马达41通过一组驱动轮411驱动一传送带412水平运动，输送样品44。所述送料马达45通过一驱动轮451来驱动样品在传送带412上同步移动，并且所述驱动轮451还可以同时给样品上加印色标。所述裁切马达42通过一组齿轮421驱动一组切刀422转动以切割样品44。为了使切刀422每次都在预定的位置切割样品44，必须严格保证传送马达41、送料马达45和裁切马达42同步运转。由于所述多轴控制装置20中的所有马达驱动器24执行的是同一个运动控制器23分解的命令，并且共用运动控制器23的时钟，可以很好的满足上述精确的同步要求。

继续参考附图4，所述包装机还可以进一步包括一位置监控器43。所述位置监控器43与所述多轴控制装置20中的运动控制器23通信。所述传送带412表面的样品44上可以设置色标等定位图案，并采用位置监控器43监测这些图案的出现频率，从而计算出样品44的位置和移动速率。由于样品44在表面由于抻拉或者滑动可能导致样品的位置偏移和速度变化。位置监控器43可以监控到这一现象，并通过所述多轴控制装置20中的命令接收模块22反馈至所述运动控制器23。运动控制器23可以根据收到的信息调整三个马达的工作状态。例如，如果发现样品的位置整体向后移动，可以给裁切马达42发送一个延时命令，从而保证裁切的位置正确。若发现样品在表面移动的速度大于或者小于预定速度，则可以通过调节传送马达41和裁切马达42的转速比，使裁切马达42的相对裁切速度增大或减小，从而保证裁切的位置仍然正确，或者调整送料马达45的转速，以使样品44的速度发生变化。以上算法全部都是在运动控制器23中完成的，并将根据计算结果得出的马达运动路径下发到对应的马达驱动器24中，而马达驱动器24存储收到的路径至本地，并根据运动控制器23发出的统一时钟来执行这些路径。显然这种处理方式将运算和执行两个任务分别分配在运动控制器23和马达驱动器24中来完成，降低了单一设备尤其是运动控制器23的运算量，从而提高了运算速度，使包装机可以根据样品44的情况及时准确地调整传送马达41、送料马达45和裁切马达42的工作状态。

使用者通过所述输入模块25完成输入，例如样品长度和包装速度等。运动控制器23收到这些参数后，根据内置的算法自行计算出各个部件的工作参数，并转化成驱动命令下发至马达驱动器24。所述多轴控制装置20中的输入模块25还可以进一步包含一图形化的人机界面。对于人机界面而言，除了可以输入参数之外，还可以预设一些工作模式，或者对切刀422以及传送带412的工作状态进行手动调整的选项，并将上述功能在人机界面上设置成按键。使用者按下这些按键后，运动控制器23便根据内部预设的程序来做出相应的调整，并将驱动命令下发至马达驱动器24。所述运动控制器23进一步可以是一数字信号处理（DSP）芯片。由于运动控制器23中可以预制大量算法，因此无需每次更换不同规格的样品44都要重新编写软件代码，而只需要将参数输入即可实现调整。而输入参数的动作是普通的操作工人即可完成的，因此本包装机可以节省生产时间并降低操作难度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种多轴控制装置，其特征在于，包括：

一启动控制器，通过一命令接收模块接收外部的启动和停止信号；

一运动控制器，与所述启动控制器通信，用于根据所述启动控制器发出的命令开始或停止执行一预置的控制程序；

一马达驱动器，与所述运动控制器通信，用于根据所述运动控制器发出的命令来控制至少一外部马达；以及

一输入模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信，用于使用者从外部输入参数来控制所述多轴控制装置；

多个马达驱动器通过同一运动控制器所发出的运动路径以控制所述外部马达，并且共用同一命令时钟；所述马达驱动器之间的交换资料仅通过所述运动控制器而实现；

所述运动控制器中进一步包括一插补命令单元，所述插补命令单元与所述马达驱动器连接，所述插补命令单元根据坐标利用插补算法自动分配出相关运动轴的相应位置和速度值，并且发送至对应马达驱动器执行，以实现多轴的同步插补。

2.根据权利要求1所述的多轴控制装置，其特征在于，进一步包括一I/O模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信，所述I/O模块用于同所述多轴控制装置外部的至少一运动控制器实时通信，以扩展所述多轴控制装置的控制能力。

3.根据权利要求1所述的多轴控制装置，其特征在于，所述运动控制器为一数字信号处理芯片。

4.根据权利要求1所述的多轴控制装置，其特征在于，所述输入模块进一步包含一图形化的人机界面，使用者通过所述图形化的人机界面完成输入。

5.一种循圆方法，采用权利要求1所述的多轴控制装置，其特征在于，包括如下步骤：

通过所述输入模块将编辑的圆周路径命令发送至所述运动控制器；

所述运动控制器驱动外部的马达执行所述圆周路径命令，并通过所述启动控制器中的所述命令接收模块反馈收集执行结果，所述执行结果包含所述马达执行所述圆周路径命令的实际平面路径，以及所述马达的命令位置与回授位置之间的变化，以用于循圆误差分析。

6.一种包装机，其特征在于，包括：

一权利要求1所述的多轴控制装置；以及

一传送马达、一送料马达和一裁切马达，各自与所述多轴控制装置连接并被单独的马达驱动器驱动，接收各自的马达驱动器控制信号并分别驱动一传送带、一所述传送带表面的样品和一切刀同步运转。

7.根据权利要求6所述的包装机，其特征在于，进一步包括一位置监控器，与所述运动控制器通信，所述位置监控器用于监控所述传送带表面的样品位置偏移，并通过所述启动控制器中的所述命令接收模块反馈至所述运动控制器。

8.根据权利要求6所述的包装机，其特征在于，进一步包括一I/O模块，与所述启动控制器和所述运动控制器通信，所述I/O模块用于同连接至所述多轴控制装置外部的至少一运动控制器实时通信，以扩展所述多轴控制装置的控制能力。

9.根据权利要求6所述的包装机，其特征在于，所述运动控制器为一数字信号处理芯片。

10.根据权利要求6所述的包装机，其特征在于，所述输入模块进一步包含一图形化的人机界面，使用者通过所述图形化的人机界面完成输入。

11.根据权利要求6所述的包装机，其特征在于，所述运动控制器中进一步包括一插补命令单元，所述插补命令单元与所述马达驱动器连接，所述插补命令单元用于合成多轴的同步插补命令并发送至多个马达驱动器实施插补。