CN110979852B - 吸管包装机的控制方法及系统、计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸管包装机的控制方法、控制系统，以及一种计算机可读存储介质。控制方法包括根据预设的S型速度曲线计算每个控制周期的进给长度以控制主轴运行；根据各进给长度计算出从轴跟随主轴运动的跟随角度，并根据各跟随角度控制从轴同步运行；根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿。本发明合理设计了从轴的启动曲线和停机曲线，以确保设备停机之后能快速再次启动，缩短了设备的控制周期，提高了数据采集的精度和传感器检测的灵敏度，在保证成品率的前提下提升了产能，此外，还可以自动在线对包装长度进行补偿，无需停机和人工干预，提升设备的易操作性和效率。

Description

吸管包装机的控制方法及系统、计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及包装设备领域，特别是涉及一种吸管包装机控制方法及系统、计算机可读存储介质。

背景技术

吸管包装机是一种将饮料吸管自动包装入袋的设备，整机由传动系统、薄膜自动张力放卷装置、管材充填装置、自动封口切割装置，成品输送装置等组成，成袋、充填、包装一次完成。其中，自动封口切割的速度和精度直接影响着包装的效率和成品率。

目前，吸管包装机的控制主要是由具有飞剪或轮切功能的可编程逻辑控制器(PLC)来完成，应用具有轮切功能的PLC作为主控，具有这种功能的PLC售价不菲，在主轴机械上安装光电编码器，利用PLC的高速脉冲计数器采集编码器数据，结合主轴机械传动最终换算成主轴进给长度，将该长度作为轮切运动曲线的输入，计算出从轴封切刀棍的跟随运行长度或角度，最终转化成数字量控制封切刀棍的运行。同时，PLC通过外部高速中断，跟踪色标信号，用于检测每个封切点和色标之间的长度偏差，进而对主轴进给长度进行修正，最终达到修正封切刀棍运动曲线的效果，实现对封切长度的补偿功能。光电编码器计数和高速色标信号的检测，对PLC的高速脉冲计数和快速中断响应的能力要求很高，这些都限制了包装机整机的速度上限。其次，设备停机之后再启动，需要操作者手动测量并输入下一次的启动长度，一般来说，设备的控制精度要求为2mm，这样的操作极大地降低了设备的生产效率。设备实际能达到的速度和精度由PLC高速脉冲计数器的响应时间和PLC的扫描周期共同决定。当PLC的响应时间为2ms时，PLC的检测精度为2mm，设备的整体速度理论上可以达到60米/分钟。如果要提高设备的实际精度，只能采取降低设备运行的速度，或者更换高性能控制器这两种方式。第一种方式降低了效率和产能，第二种方式增加了设备的成本。

目前现有技术中使用的光电编码器作为关键的主轴运行长度反馈装置，安装在主轴机械上，容易受设备振动或误敲击导致内部光栅损坏，进而造成整个编码器失效，影响到整台设备的控制。另外，软件中编码器数据采集和解码模块会占用不少处理时间，不利于软件执行效率的提升。其次，轮切运动曲线的规划，特别是启动曲线和停机曲线，未能考虑到现场实际的使用情况。设备在正常停机或故障停机之后的再启动，要求操作者手动测量最近的色标到封切刀口的距离，并输入到PLC，修正下一次的启动曲线。这样的操作极大地降低了设备的生产效率，并无形中提高了对使用者的能力要求。另外，由于PLC响应时间和处理能力的不足，造成编码器数据采集精度和色标检测灵敏度受限，限制了设备整体的速度和精度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种吸管包装机的控制方法、一种吸管包装机的控制系统以及一种计算机可读存储介质。

本发明的第一方面，提供一种吸管包装机的控制方法，包括以下步骤：

根据预设的S型速度曲线计算每个控制周期的进给长度以控制主轴运行；

根据各所述进给长度计算出从轴跟随所述主轴运动的跟随角度，并根据各所述跟随角度控制所述从轴同步运行；

根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿。

可选的，所述根据各所述进给长度计算出从轴跟随所述主轴运动的跟随角度，包括：

根据各所述进给长度和预设的多项式曲线计算出所述跟随角度。

可选的，还包括：根据所述多项式曲线，计算所述从轴的初次启动曲线，所述从轴初次启动曲线为所述从轴由从轴零点运行到封切点，运行角度为180°，具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L1为所述主轴初次启动长度或下次启动长度。

可选的，还包括：根据所述多项式曲线，计算所述从轴的正常停机曲线，所述正常停机曲线为所述从轴由同步区终点运行到所述从轴零点；具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L4为所述主轴从所述同步区终点开始运行的长度；

y2为所述从轴第一次回零后的启动角度。

可选的，还包括：根据所述多项式曲线，计算所述从轴故障停机后的启动曲线，具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L3为主轴在任意位置启动的启动长度，具体有L3＝L-x1；

其中，x1为所述主轴故障时的运行长度；

y3为故障停机时所述从轴在任意位置到所述封切点的运行角度，具体有y3＝180±y1；其中，y1为所述从轴故障时的运行角度。

可选的，所述根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿，包括：

检测当前封切点到下一个色标信号之间的长度，并将相邻两次长度之间的差值累加，以获得封切长度误差；

判断所述封切长度误差是否超过预设阈值，若是，则根据预先设定的补偿值进行补偿。

可选的，还包括：检测所述主轴运动过程中的所述色标信号，并根据用户预先设定的参数和所述色标信号的状态判断所述色标信号是否丢失。

可选的，检测所述主轴运动过程中的所述色标信号，并根据用户设定的参数和所述色标信号的状态判断所述色标信号是否丢失，包括：

在所述主轴连续N次到达所述封切点均没有检测到所述色标信号时，判定所述色标信号丢失，N为大于或等于1的正整数；和/或；和/或，

在当前所述封切点到下一次所述色标信号之间的长度超过封切长度的预定倍数时，判定所述色标信号丢失。

本发明的第二方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现上述的吸管包装机的控制方法。

本发明的第三方面，提供一种吸管包装机的控制系统，包括主轴运动控制模块、从轴运动控制模块及封切长度误差补偿模块；其中，

所述主轴运动控制模块，用于根据预设的S型速度曲线计算出主轴在每个控制周期的进给长度以控制主轴运行，并将各所述进给长度反馈到所述从轴运动控制模块；

所述从轴运动控制模块，用于根据各所述进给长度计算出从轴跟随所述主轴运动的跟随角度，并根据各所述跟随角度控制所述从轴同步运行；

所述封切长度误差补偿模块，用于根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿。

本发明提供的一种吸管包装机的控制系统，具有以下有益效果：第一、采用S型速度曲线，以速度控制的方式实时控制主轴伺服运行，同时将主轴伺服的给定指令内部直接反馈到从轴运动曲线的输入端，本发明的软件中去除编码器数据采集和解码模块，较大程度减轻控制器的负担，机械上无需安装编码器，节省设备成本，降低机械安装的复杂程度。其次，缩短了设备的控制周期，提高了数据采集的精度和传感器检测的灵敏度，加快了设备的控制速度精度，在保证成品率的前提下提升了产能。第二、合理设计从轴的启动曲线和停机曲线，启动曲线包括第一次启动和停机后再次启动的曲线，停机包括正常停机和故障停机，以确保设备停机之后能快速再次启动，提升设备的可操控性，降低对使用者的专业技能要求。第三、提供一种动态误差检测在线长度补偿的方式，实时、动态地检测当前封切点到下一个色标信号之间的长度，当误差值达到或超过设定值时，自动在线对包装长度进行补偿，无需停机和人工干预，这种检测方式能有效消除单次长度检测带来的偶然性影响，提升设备的易操作性和效率。

附图说明

图1为本发明实施例中吸管包装机的控制方法的流程图；

图2为本发明实施例中吸管包装机的控制系统的控制框图；

图3为本发明实施例中从轴运动规划示意图；

图4为本发明实施例中封切长度自动补偿流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明的第一方面提供一种吸管包装机的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据预设的S型速度曲线计算每个控制周期的进给长度以控制主轴8平滑运行；

具体地，预设的S型速度曲线由主轴运动控制模块5控制，通过S型速度曲线计算出主轴8在每个控制周期的进给长度x，其中，各进给长度x并不相同；同时，在机械部分没有松动打滑的情况下，直接将进给长度x反馈到从轴7的输入端。

如图2所示，本步骤主轴运动控制模块5采用S型速度曲线，以速度控制的方式实时控制主轴8伺服运行，同时将主轴8伺服的给定指令内部直接反馈到从轴7运动曲线的输入端，无需安装编码器，节省设备成本，降低机械安装的复杂程度。

步骤二、根据各进给长度计算出从轴7跟随主轴8运动的跟随角度，并根据各跟随角度控制从轴7同步运行，具体包括：

如图3所示，根据通用五次方多项式曲线为基础，计算从轴7的初次启动曲线，从轴7的初次启动曲线为从轴7由从轴零点O运行到封切点C，运行角度为180°，具体曲线方程如下：

式中，y为从轴7跟随主轴8运动的角度；

x为主轴8的进给长度；

L1为主轴8初次启动长度。

需要说明的是，如图3所示，图中O点为从轴零点，A点为同步区起点，B点为同步区终点，C点为封切点，D点为故障停机时从轴7的任意位置，逆时针方向为从轴7的正常工作方向，主轴封切长度为L，从轴7回零后第一次启动手动测量并输入启动长度L1，同步区角度为θ，从轴7运动半径为r，同步区运行长度L2＝(π*r*θ)/180，x为主轴运动控制模块5中计算出来主轴8的进给长度，y为从轴运动控制模块4计算出来的从轴7运行角度。

进一步需要说明的是，同步区运动包括从同步区起点A点到同步区终点B点的运动，调整区运动包括从同步区终点B点到同步区起点A点的运动，以上两种运动属于通用的轮切曲线运动，该通用的轮切曲线运动也可以利用从轴运动控制模块4计算。

进一步地，正常停机后自动更新下次启动的启动长度L1＝(L-L2)/2，直接将L1代入曲线方程(1)中，即为下次启动的曲线方程，无需人工测量和干预，可直接一键启动。

具体地，还包括：根据多项式曲线，计算从轴7的正常停机曲线，该正常停机曲线为从轴7由同步区终点B运行到从轴零点O；具体曲线方程如下：

式中，y为从轴7跟随主轴8运动的角度；

x为主轴8的进给长度；

L4为主轴8从同步区终点B开始运行的长度，具体有

L4＝(L-L2)/2；

y2为从轴7第一次回零后的启动角度，具体有y2＝180-θ/2。

具体地，还包括：根据多项式曲线，计算从轴7故障停机后的启动曲线，具体曲线方程如下：

式中，y为从轴7跟随主轴8运动的角度；

x为主轴8的进给长度；

L3为主轴8在任意位置启动的启动长度，具体有L3＝L-x1；

其中，x1为主轴8故障时的运行长度；

y3为故障停机时从轴7在任意位置到封切点C的运行角度，具体有y3＝180±y1；其中，y1为从轴7故障时的运行角度。

需要说明的是，在出现故障或紧急停机的情况下，主轴8和从轴7可能停在任意位置，假设从轴7停止在图2中的D点，下次启动时，从轴7从D点运行到C点，运行角度为y3＝180±y1，当D点在O点左边时取减号，当D点在O点右边时取加号。

本步骤中合理设计了从轴7的启动曲线和停机曲线，启动曲线包括第一次启动和停机后再次启动的曲线，停机包括正常停机和故障停机，结合启动曲线(1)和(3)、停机曲线(2)，可以实现设备任意状态下的一键启停，提升设备的可操控性与生产效率，降低对使用者的专业技能要求。

步骤三、根据封切点C与色标信号之间的封切长度误差进行封切长度补偿，包括：

检测当前封切点C到下一个色标信号之间的长度，并将相邻两次长度之间的差值累加，以获得封切长度误差；判断封切长度误差是否超过预设阈值，若是，则根据预先设定的补偿值进行补偿。

具体地，如图3和4所示，当设备启动后到达封切点C点，触发对主轴运动控制模块5中主轴8输出长度的累加计数，检测到色标信号后，将检测值另存为m2，若m2超过封切长度L，则直接将m2丢弃；计算m2与上一次非零有效检测值m1之间的差值，即m2与m1的差值Δm＝m2-m1，并将所有Δm的值做累加，累加值即为检测出来的封切长度累计误差，记为sum；随即将m2的值赋值给m1，之后将m2清零。当sum达到或超过设定的允许误差门限值的时候，在同步区的终点B点对调整区曲线进行误差在线补偿，补偿值为用户设定值；当sum低于设定的门限值的时候，不补偿，以上一次的封切长度进入到调整区运行。

进一步地，根据封切点C与色标信号之间的封切长度误差进行封切长度补偿，还包括：检测主轴8运动过程中的色标信号，并根据用户预先设定的参数和色标信号的状态判断色标信号是否丢失。其中，判断过程包括：在主轴8连续N次到达封切点C均没有检测到色标信号时，判定色标信号丢失，N为大于或等于1的正整数，用户可以自行设定具体数值，在此不做具体限定。或者，在当前封切点C到下一次色标信号之间的长度超过封切长度的预定倍数时，判定色标信号丢失。

具体地，如图4所示，利用封切长度封切长度误差补偿模块6检测色标丢失信号，当连续多次到达封切点均没有检测到色标信号时，判断为色标丢失；当检测到当前封切点到下一次色标信号之间的长度超过封切长度L的N倍时，N由用户设定，也判断为色标丢失。

该步骤中封切长度误差补偿模块6的程序循环运行，不需要给定检测基准，当误差值达到或超过设定值时，自动在线对包装长度进行补偿，且产生的数据全部掉电不丢失，无需停机和人工干预，实现了色标快速精确检测和封切长度自动补偿的功能。这种检测方式能有效消除单次长度检测带来的偶然性影响，提升设备控制的稳定性，以及提升设备的易操作性和效率。

需要说明的是，本实施例中也可以采用带有轮切功能的运动控制型PLC或者高性能运动控制器，定制开发色标补偿功能，同时合理地设计启动和停机部分的运动曲线，优化软件结构，将控制周期缩短到不高于0.5毫秒，同样可以实现本发明的目的，但这样会造成设备电气成本大幅度增加，降低设备的竞争力。

本发明的第二方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。该计算机程序被处理器执行时能实现上述的吸管包装机的控制方法。

其中，计算机可读存储介质可是任何包含或存储程序的有形介质，其可以是电、磁、光、电磁、红外线、半导体的系统、装置、设备，更具体的例子包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、光纤、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件，或它们任意合适的组合。

其中，计算机可读存储介质也可包括在基带中或作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码，其具体的例子包括但不限于电磁信号、光信号，或它们任意合适的组合。

本发明的第三方面，提供一种吸管包装机的控制系统，该控制系统可以适用于前文记载的控制方法，控制方法的具体内容可以参考前文相关记载，在此不作赘述。如图2所示，控制系统包括从轴运动控制模块4及主轴运动控制模块5、封切长度误差补偿模块6；其中，从轴运动控制模块4，用于根据各进给长度x计算出从轴7跟随主轴8运动的跟随角度，并根据各跟随角度控制从轴7同步运行。

主轴运动控制模块5，用于根据预设的S型速度曲线计算出主轴8在每个控制周期的进给长度x以控制主轴8运行，并将各进给长度x反馈到从轴运动控制模块4。

封切长度误差补偿模块6，用于根据封切点C与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿。

需要说明的是，本发明的吸管包装机的控制系统是基于设备主控制器而设计的，该设备主控制器1由高速ARM+FPGA平台构成，ARM负责信号和数据的采集、运动曲线的规划和计算、与触摸屏10进行通讯，FPGA负责高速脉冲的分频、计数和发送，控制主轴8和从轴7运行，脉冲频率达到500KHz。设备主控制器1中软件控制周期缩短到了0.5毫秒，提高了数据采集的精度和传感器检测的灵敏度，相应的，设备速度和精度也得到提升。其中，在图2中，2～6均为设备主控制器1中的软件功能模块，其中，2为编码器数据采集和解码模块，3为通用modbus通讯模块，4为从轴运动控制模块，5为主轴运动控制模块，6为封切长度误差检测和补偿模块，7是从轴，8为主轴，9为色标传感器，10为触摸屏，11为光电编码器，7～11为设备本体的零部件，其中，对色标传感器9安装方式和位置无特殊要求，也就是说，7～11的零部件与本发明没有直接关系。

进一步需要说明的是，本实施例中去除了编码器数据采集和解码模块2与光电编码器11，也就是说，本实施例在不存在编码器数据采集和解码模块2与光电编码器11的情况下，利用S型曲线速度控制的方式实时控制主轴伺服运行。由此，较大幅度减轻了设备主控制器1中ARM的负担，使得整体软件执行效率得到提高，节省了设备成本，降低了机械安装的复杂程度。

本发明提供的一种吸管包装机的控制系统，具有以下有益效果：第一、采用S型速度曲线，以速度控制的方式实时控制主轴伺服运行，同时将主轴伺服的给定指令内部直接反馈到从轴运动曲线的输入端，本发明的软件中去除编码器数据采集和解码模块，较大程度减轻控制器的负担，机械上无需安装编码器，节省设备成本，降低机械安装的复杂程度。其次，缩短了设备的控制周期，提高了数据采集的精度和传感器检测的灵敏度，加快了设备的控制速度精度，在保证成品率的前提下提升了产能。第二、合理设计从轴的启动曲线和停机曲线，启动曲线包括第一次启动和停机后再次启动的曲线，停机包括正常停机和故障停机，以确保设备停机之后能快速再次启动，提升设备的可操控性，降低对使用者的专业技能要求。第三、提供一种动态误差检测在线长度补偿的方式，实时、动态地检测当前封切点到下一个色标信号之间的长度，当误差值达到或超过设定值时，自动在线对包装长度进行补偿，无需停机和人工干预，这种检测方式能有效消除单次长度检测带来的偶然性影响，提升设备的易操作性和效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种吸管包装机的控制方法，其特征在于，包括：

根据预设的S型速度曲线计算每个控制周期的进给长度以控制主轴运行；

根据各所述进给长度和预设的多项式曲线计算出从轴跟随所述主轴运动的跟随角度，其中，根据所述多项式曲线，计算所述从轴的初次启动曲线，所述初次启动曲线为所述从轴由从轴零点运行到封切点，运行角度为180°，具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L1为所述主轴初次启动长度或下次启动长度；并根据各所述跟随角度控制所述从轴同步运行；

根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述多项式曲线，计算所述从轴的正常停机曲线，所述正常停机曲线为所述从轴由同步区终点运行到从轴零点；具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L4为所述主轴从所述同步区终点开始运行的长度；

y2为所述从轴第一次回零后的启动角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述多项式曲线，计算所述从轴故障停机后的启动曲线，具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L3为主轴在任意位置启动的启动长度，具体有L3＝L-x1；

其中，x1为所述主轴故障时的运行长度；

y3为故障停机时所述从轴在任意位置到所述封切点的运行角度，具体有y3＝180±y1；其中，y1为所述从轴故障时的运行角度。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿，包括：

检测当前封切点到下一个色标信号之间的长度，并将相邻两次长度之间的差值累加，以获得封切长度误差；

判断所述封切长度误差是否超过预设阈值，若是，则根据预先设定的补偿值进行补偿。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：

检测所述主轴运动过程中的所述色标信号，并根据用户设定的参数和所述色标信号的状态判断所述色标信号是否丢失。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，检测所述主轴运动过程中的所述色标信号，并根据用户预先设定的参数和所述色标信号的状态判断所述色标信号是否丢失，包括：

在所述主轴连续N次到达所述封切点均没有检测到所述色标信号时，判定所述色标信号丢失，N为大于或等于1的正整数；和/或，

在当前所述封切点到下一次所述色标信号之间的长度超过封切长度的预定倍数时，判定所述色标信号丢失。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，

所述计算机程序被处理器执行时能实现根据权利要求1至6所述的吸管包装机的控制方法。

8.一种吸管包装机的控制系统，其特征在于，包括主轴运动控制模块、从轴运动控制模块及封切长度误差补偿模块；其中，

所述主轴运动控制模块，用于根据预设的S型速度曲线计算出主轴在每个控制周期的进给长度以控制主轴运行，并将各所述进给长度反馈到所述从轴运动控制模块；

所述从轴运动控制模块，用于根据各所述进给长度和预设的多项式曲线计算出从轴跟随所述主轴运动的跟随角度，其中，根据所述多项式曲线，计算所述从轴的初次启动曲线，所述初次启动曲线为所述从轴由从轴零点运行到封切点，运行角度为180°，具体曲线方程如下：

式中，y为所述从轴跟随所述主轴运动的角度；

x为所述主轴的进给长度；

L1为所述主轴初次启动长度或下次启动长度；并根据各所述跟随角度控制所述从轴同步运行；

所述封切长度误差补偿模块，用于根据封切点与色标信号之间的长度误差进行封切长度补偿。

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