CN106477855B - 一种基于pid算法智能化制瓶机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于制瓶机控制领域，并公开了一种基于PID算法智能化制瓶机的控制方法，该制瓶机通过用户空间将预设参数传递给内核空间的运动控制和伺服电机，伺服电机对回转工作台的位置控制包括：伺服电机从控制单元收到预设的最大转速和转角，驱动回转工作台按照相应转角转动，该工作台坐标系与初始坐标系的夹角δ在可接受的最大误差外时，该工作台保持原有最大转速转动，转角为δ与可接受最小误差的差值，夹角δ在可接受的最大误差之内，回转工作台按照预设第二转速转动，转角按照PID控制算法进行补偿，直至δ小于或者等于可接受最小误差。通过本发明，不仅能够提高回转工作台的定位精度，同时还能进一步确保最终产品的高效率和高质量的完成。

Description

一种基于PID算法智能化制瓶机的控制方法

技术领域

本发明属于制瓶机控制领域，更具体地，涉及一种基于PID算法智能化制瓶机的控制方法。

背景技术

目前，国内生产的制瓶设备基本都是能完成生产任务并能处理简单的故障的独立个体，各个体之间并没有信息交互与联系，对设备的监控维修也只能通过现场勘查来完成。这种现状最终将被新的趋势取代。所以制瓶设备的全球化发展，制瓶设备的智能化是其主要发展趋势。

目前回转式数控自动制瓶机的生产线控制系统，主要有电子定时系统、电子拨瓶系统、伺服分料系统、伺服供料剪切系统、工作台驱动系统等。这些系统大都采用开环控制的方式，由一个或多个相关联的控制柜进行自动控制，每个控制柜都要设定相应的PLC或单片机控制器，其各个运动参数都是预先设定好的，而在实际应用过程中由于回转工作台位置控制的不稳定性等使得设定的参数对每台制瓶机精度得不到保证，生产出的玻璃瓶质量差，也会影响到钳瓶到流水线过程的准确性，导致最终生产效率和玻璃瓶的合格率下降，为系统长期、连接、稳定可靠运行埋下了隐患，同时也给日常维护带来了极大的不便。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于PID算法智能化制瓶机的控制方法，通过采用对回转工作台定位闭环控制的方式，尤其是对其定位误差的补偿，进一步优化回转工作台转动过程中的位置精度，由此解决生产过程中合格率和生产效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于PID算法智能化制瓶机的控制方法，该智能化制瓶机配备有料滴称重单元、回转工作台和机械手，其中所述料滴称重单元用于将原料进行称重筛选，原料经过初成型后形成瓶体送至所述回转工作台，在所述回转工作台旋转过程中，将收到的瓶体完成包括入模，冷却的进一步加工，所述机械手则用于将最终成型的瓶体夹住并放置在流水线上，其中所述回转工作台包括伺服电机和设置在该工作台底部的传感器，所述回转工作台的圆周上设置有均匀分布的构成初始平面坐标系的四个工位，该四个工位对应所述回转工作台的四处位置构成该工作台的平面坐标系，其特征在于，对于所述回转工作台的位置控制过程而言，包括下列步骤：

(a)所述伺服电机从控制单元获取预设的第一转速即最大转速、第二转速和转角指令，并且驱动所述回转工作台以相应的第一转速和转角转动；

(b)所述回转工作台按照所述转角转动后，通过所述传感器检测所述回转工作台的平面坐标系与所述初始平面坐标系的实际夹角δ；

(c)比较所述实际夹角δ与预设的角度边界值δ₁：

(c1)当所述实际夹角δ＞δ₁时，所述回转工作台保持所述预设的第一转速转动第一补偿角度δ’，其中，第一补偿角度δ’按照以下表达式进行计算，δ₂为预设的最大可接受误差，δ₁＞δ₂：

δ’＝δ-δ₂；

(c2)当所述实际夹角δ≤δ₁时，所述伺服电机驱动所述回转工作台按照所述第二转速转动，同时按照以下PID控制算法表达式对所述实际夹角进行补偿，直至δ≤δ₂，其中，t为整个PLD控制算法过程中的取样时间节点，e(t)为t时刻所述回转工作台的平面坐标系与所述初始平面坐标系的夹角，u(t)为t时刻的角度补偿，K_P为比例增益，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数,u(t)为t时刻的角度补偿：

作为进一步优选地，所述控制单元包括人机交互接口、任务调度和运动控制，所述人机交互接口和所述任务调度是制瓶机的用户空间，所述运动控制是制瓶机的内核空间，制瓶机的预设参数通过所述用户空间传输给所述内核空间，然后分别传递给多个伺服电机。

作为进一步优选地，所述料滴称重单元将经过熔融、剪切后形成的料滴进行称重，称得的料滴重量与预设理想料滴重量按照以下表达式进行比较，其中，m_x为称得的料滴重量，m为预设理想料滴重量，δ_m为可接受的质量误差值：

(i)当|m_x-m|≤δ_m时，所述料滴执行下一个工序；

(ii)当|m_x-m|＞δ_m时，所述料滴重新熔融、剪切。

作为进一步优选地，所述回转工作台停止转动，所述机械手上的激光感应器与所述回转工作台上的激光接收器对接成功后，所述机械手夹住最终成型的瓶体并放置在流水线上。

作为进一步优选地，所述传感器优选为磁阻传感器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于回转工作台的定位采用闭环控制，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过采用对回转工作台的定位误差进行PID控制算法进行误差补偿的方式，使得最终回转工作台的定位精度在±0.025mm内，而现有的控制系统中回转工作台一般能达到的定位精度在±0.1mm左右，定位精度提高了75％；

2、回转工作台的定位与产品生产中的合格率密切相关，特别是入模工位，当初成型料滴经过翻转机构进入该工位的过程中，回转工作台的定位精度直接影响了产品外形尺寸精度，本发明通过提高回转工作台的定位精度，降低了生产过程中的次品率；

3、本发明在人机接口设定了回转工作台定位误差大于设定值δ₁时的最大转速，解决了现有回转工作台为了保证生产中的精度而降低转速的问题，回转工作台的最大转速的设定，提高了生产过程中的生产效率，实验测得工作效率提高了20％；

4、本发明的控制方法步骤简单，只需在人机接口输入初始的设定值，系统就会自动运行，最终简化了整个控制方法,高效率，高质量地获得了所要制备的产品，并且整个控制过程便于操作和质量控制，尤其是对于回转工作台的位置控制尤为简单易行。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例构建的智能化制瓶机的控制系统；

图2是按照本发明的优选实施例构建的智能化制瓶机生产的工艺流程；

图3是按照本发明的优选实施例构建的回转工作台位置的控制方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例构建的智能化制瓶机的控制系统，图3是按照本发明的优选实施例构建的制瓶机的控制方法。如图1和图3所示，制瓶机的控制系统包括用户空间和内核空间，其中用户空间和内核空间通过共享缓冲区存放采集的数据，用户空间包括人机接口和任务调度，任务调度通过共享缓冲区与运动控制连接，运动控制同时与伺服电机1、伺服电机2和伺服电机3连接，伺服电机1用于驱动翻转机构，将有效的料滴从初成型工位翻转到成型入模工位，伺服电机2用于驱动回转工作台，通过PID控制算法，使得回转工作台定位在模具工位时精确更高，伺服电机3用于驱动机械手，完成与钳瓶工作的对接；操作人员通过人机接口输入参数，控制系统程序在任务协调的控制下，形成有效的控制命令，经过运动控制卡后生成轴控制值，同时人机交互接口实时显示重要参数，如定位误差、回转工作台转速等。

图2是按照本发明的优选实施例构建的智能化制瓶机生产的工艺流程；如图2所示，原料首先在熔炉供料中熔融，然后在剪料机构将熔炉中出来的熔融料定量分离，再进入料滴称重系统中称重，称得料滴的质量m_x，m为理想的料滴质量，δ_m为料滴质量的波动边界值，若|m_x-m|≤δ_m，则料滴会流进初成型模具，否则重新进入熔炉，称重合格的料滴进入初成型模具中成型，接着进入翻转机构中翻转，翻转后的初成型料进入回转工作台的夹具座中，并随着回转工作台的转动依次经过入模工位、冷却工位和出模工位，最后机械手将在出模工位的产品取走，过渡工位在入模工位和出模工位上起过渡的作用。

按照本发明的优选实施例，回转工作台的四个模具工位对应的伺服回转轴的四个位置标记，磁阻传感器安装在与底座相连的夹具上。

通过磁阻传感器检测回转工作台坐标系与四个模具工位形成的初始坐标系的夹角，基于PID控制算法对夹角进行实时调整，直到夹角在误差允许的范围内。同时对回转工作台的误差参数进行高效控制，当检测到定位误差的范围在δ₁距离外时，以预设的最大转速转动；当检测到定位误差的范围在δ₁距离内时，通过PID控制算法使其最终定位误差落在δ₂范围内。

机械手末端与回转工作台的出模模具工位的精确对接接收对射激光感应器实现，钳瓶的过程中当人机交互界面接收到传感器的信号时，机械手末端钳子夹住玻璃瓶放于流水线上。

为了避免采用常规PID控制算法容易出现振荡，稳定时间长的问题，本发明的定位系统针对不同的运动状态采用不同的控制策略。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PID算法智能化制瓶机的控制方法，该智能化制瓶机配备有料滴称重单元、回转工作台和机械手，其中所述料滴称重单元用于将原料进行称重筛选，原料经过初成型后形成瓶体送至所述回转工作台，在所述回转工作台旋转过程中，将收到的瓶体完成包括入模，冷却的进一步加工，所述机械手则用于将最终成型的瓶体夹住并放置在流水线上，其中所述回转工作台包括伺服电机和设置在该工作台底部的传感器，所述回转工作台的圆周上设置有均匀分布的四个工位，对于所述回转工作台的位置控制过程而言，其特征在于，包括下列步骤：所述四个工位构成初始平面坐标系，所述四个工位对应所述回转工作台上的四处位置，该四处位置构成该工作台的平面坐标系，

(a)所述伺服电机从控制单元获取预设的第一转速即最大转速、第二转速和转角指令，并且驱动所述回转工作台以相应的第一转速和转角转动；

(b)所述回转工作台按照所述转角转动后，通过所述传感器检测所述回转工作台的平面坐标系与所述初始平面坐标系的实际夹角δ；

(c)比较所述实际夹角δ与预设的角度边界值δ₁：

(c1)当所述实际夹角δ＞δ₁时，所述回转工作台保持所述预设的第一转速转动第一补偿角度δ′，其中，第一补偿角度δ′按照以下表达式进行计算，δ₂为预设的最大可接受误差，δ₁＞δ₂：

δ’＝δ-δ₂；

(c2)当所述实际夹角δ≤δ₁时，所述伺服电机驱动所述回转工作台按照所述第二转速转动，同时按照以下PID控制算法表达式对所述实际夹角δ进行补偿，直至δ≤δ₂，其中，t为整个PLD控制算法过程中的取样时间节点，e(t)为t时刻所述回转工作台的平面坐标系与所述初始平面坐标系的瞬时夹角，u(t)为t时刻的瞬时角度补偿，K_P为比例增益，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数：

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述控制单元包括人机交互接口、任务调度和运动控制，所述人机交互接口和所述任务调度是制瓶机的用户空间，所述运动控制是制瓶机的内核空间，制瓶机的预设参数通过所述用户空间传输给所述内核空间，然后分别传递给多个伺服电机。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述料滴称重单元将经过熔融、剪切后形成的料滴进行称重，称得的料滴重量与预设理想料滴重量按照以下表达式进行比较，其中，m_x为称得的料滴重量，m为预设理想料滴重量，δ_m为可接受的质量误差值：

(i)当|m_x-m|≤δ_m时，所述料滴执行下一个工序；

(ii)当|m_x-m|＞δ_m时，所述料滴重新熔融、剪切。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述回转工作台停止转动，所述机械手上的激光感应器与所述回转工作台上的激光接收器对接成功后，所述机械手夹住最终成型的瓶体并放置在流水线上。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述传感器优选为磁阻传感器。