TWI542512B - 多軸控制裝置、循圓方法以及包裝機 - Google Patents

Description

多軸控制裝置、循圓方法以及包裝機

本發明涉及自動控制領域，尤其涉及一種多軸控制裝置、循圓方法以及包裝機。

在社會流通的全過程中，包裝能發揮保護、美化、宣傳、銷售產品的功能，提高商品的競爭能力。包裝自動化是利用自動化裝置控制和管理包裝過程，使其按照預先規定的程式自動進行。包裝自動化已成為一種必然的趨勢，但現有技術中包裝工程的自動化程度並不高。由於企業的各個生產線是連續不間斷的，因此對包裝機械中的馬達的扭矩、速度、精度和動態性能等指標都有極高的要求。在包裝機械上需要控制馬達的精確位置和嚴格的速度同步，保證輸送、裝卸、卸垛、打標、打包等工序正常運轉。這是封口機、打包機、打碼機、旋蓋機等包裝機械產品在升級時需要考慮的關鍵問題。

目前市場上常見的包裝機械控制系統主要有兩種方式：

方式1：主控採用機械傳動方式。對於包裝技術不複雜，包裝速度要求不高的場合，在主控部分採用機械凸輪的方式即可以滿足要求，故這種控制方式仍然被少量使用，主要原因是成本低。但是採用機械凸輪控制的方式，無論如何也避免不了後期維護的不便。由於機械的硬性 連接，在運行的過程中，會出現機械磨損嚴重，噪音大，效率低等特點。

方式2：主控採用可程式設計邏輯控制器(PLC，Programmable Logic Controller)控制。第1圖所示是現有技術中採用可程式設計邏輯控制器的包裝機械控制系統的結構示意圖，包括可程式設計邏輯控制器11、交流伺服驅動器12和變頻器13。PLC 11通過發送脈衝給交流伺服驅動器12完成定位動作，變頻器13驅動主軸14做等速運動。主軸14的脈衝同樣輸出給交流伺服驅動器12作為命令來源，做出相應的動作。PLC 11同時控制I/O設備15，包括溫控器等。這種方式的缺點在於配線複雜，不利於維護，且主軸是採用變頻方式驅動，系統包裝精度難以提高，無法滿足包裝行業對精度越來越高的要求。大量的運算都集中在可程式設計邏輯控制器11，運算量大，影響運行速度和精度。且每次修改包裝程式都需要通過修改PLC命令實現，而修改PLC控制命令需要專業人士花費大量時間才能夠完成。

本發明所要解決的技術問題是，提供一種多軸控制裝置，可以精確地同步控制多個馬達協同工作，且對外部命令的處理速度迅速。

本發明所要解決的技術問題還在於提供一種包裝機，可以精確控制傳送馬達和裁切馬達系統工作，並且能在樣品規格發生變化時，簡單快速地調整工作模式，從而節省生產時間。

為了解決上述問題，本發明提供了一種多軸控制裝置，包括：一啟動控制器，通過一命令接收模組接收外部的啟動和停止訊號；一運動控制器，與該啟動控制器通信，用於根據該啟動控制器發出的命令開 始或停止執行一預置的控制程式；一馬達驅動器，與該運動控制器通信，用於根據該運動控制器發出的命令來控制至少一外部馬達；以及一輸入模組，與該啟動控制器和該運動控制器通信，用於使用者從外部輸入參數來控制該多軸控制裝置。

較佳的，進一步包括一I/O模組，與該啟動控制器和該運動控制器通信，該I/O模組用於同連接至該多軸控制裝置外部的至少一運動控制器即時通信，以擴展該多軸控制裝置的控制能力。

較佳的，該運動控制器為一數位訊號處理晶片。

較佳的，該輸入模組進一步包含一圖形化的人機界面，使用者通過該圖形化的人機界面完成輸入。

較佳的，該運動控制器中進一步包括一內插命令單元，該內插命令單元與該馬達驅動器連接，該內插命令單元用於合成多軸的同步內插命令並發送至馬達驅動器實施內插。

本發明進一步提供了一種循圓方法，採用上述的多軸控制裝置，包括如下步驟：通過該輸入模組將編輯的圓周路徑命令發送至該運動控制器；該運動控制器驅動外部的馬達執行該圓周路徑命令，並通過該命令接收模組回饋收集執行結果，該執行結果包含該馬達執行該圓周路徑命令的實際平面路徑，以及該馬達的命令位置與回授位置之間的變化，以用於循圓誤差分析。

本發明進一步提供了一種包裝機，包括：一上述的多軸控制裝置；以及一傳送馬達、一送料馬達和一裁切馬達，各自與該多軸控制裝置連接並被單獨的馬達驅動器驅動，接收各自的馬達驅動器控制訊號並分 別驅動一傳送帶、一該傳送帶表面的樣品和一切刀同步運轉。

較佳的，進一步包括一位置監控器，與該運動控制器通信，該位置監控器用於監控該傳送帶表面的樣品位置偏移，並通過該命令接收模組回饋至該運動控制器。

較佳的，進一步包括一I/O模組，與該啟動控制器和該運動控制器通信，該I/O模組用於同連接至該多軸控制裝置外部的至少一運動控制器即時通信，以擴展該多軸控制裝置的控制能力。

較佳的，該運動控制器為一數位訊號處理晶片。

較佳的，該輸入模組進一步包含一圖形化的人機界面，使用者通過該圖形化的人機界面完成輸入。

較佳的，該運動控制器中進一步包括一內插命令單元，該內插命令單元與該馬達驅動器連接，該內插命令單元用於合成多軸的同步內插命令並發送至多個馬達驅動器實施內插。

本發明該多軸控制裝置的優點在於採用了運動控制器根據外部命令計算出每個馬達的運動路徑，並發送至馬達驅動器，馬達驅動器根據運動控制器發出的統一時鐘來執行這些路徑。這種架構使所有的馬達驅動器的運動路徑規劃均來自於同一個運動控制器，並且共用運動控制器的時鐘，可以做到精確同步；並且把現有技術中集中在上位機上的運算量在該馬達驅動器與該運動控制器之間重新分配，提高了系統的處理速度，使該多軸控制裝置能夠在工作狀態下及時準確地對外界命令做出回應。並且該多軸控制裝置由於各軸之間的同步性好，因此還能夠執行循圓儀的功能。

本發明該包裝機的優點在於採用上述多軸控制裝置驅動傳送馬達、送料馬達和裁切馬達，能夠做到精確同步，並且在該運動控制器中預設演算法，根據使用者輸入的參數自行計算出各個部件的工作參數，並轉化成運動路徑下發至馬達驅動器。這樣無需每次更換不同規格的樣品時都要重新編寫軟體代碼，而只需要將參數輸入即可實現調整。而輸入參數的動作是普通的操作工人即可完成的，因此本包裝機可以節省生產時間並降低操作難度。

11‧‧‧可程式設計邏輯控制器

12‧‧‧交流伺服驅動器

13‧‧‧變頻器

14‧‧‧主軸

15‧‧‧I/O設備

20‧‧‧多軸控制裝置

21‧‧‧啟動控制器

22‧‧‧命令接收模組

23‧‧‧運動控制器

24‧‧‧馬達驅動器

25‧‧‧輸入模組

26‧‧‧I/O模組

41‧‧‧傳送馬達

42‧‧‧裁切馬達

43‧‧‧位置監控器

44‧‧‧樣品

45‧‧‧送料馬達

231‧‧‧內插命令單元

411、451‧‧‧驅動輪

412‧‧‧傳送帶

421‧‧‧齒輪

422‧‧‧切刀

S30-S31‧‧‧步驟

第1圖所示是現有技術中採用可程式設計邏輯控制器的包裝機械控制系統的結構示意圖。

第2圖所示是本發明該多軸控制裝置具體實施方式的結構示意圖。

第3圖所示是本發明該循圓方法具體實施方式的實施步驟示意圖。

第4圖所示是本發明該包裝機具體實施方式的結構示意圖。

下面結合圖示對本發明提供的多軸控制裝置、循圓方法以及包裝機的具體實施方式做詳細說明。

第2圖所示是本發明該多軸控制裝置20具體實施方式的結構示意圖，包括一啟動控制器21、一命令接收模組22、一運動控制器23、多個馬達驅動器24、一輸入模組25以及一I/O模組26。該馬達驅動器24的數量由需要驅動的馬達數目決定，並至少為一個。本具體實施方式為三個。

該啟動控制器21通過該命令接收模組22接收外部的啟動和 停止訊號。該命令接收模組22還可以進一步和運動控制器23連接，用於接收多軸控制裝置20外部發送至運動控制器23的參考訊號，該參考訊號例如是可以用來校準馬達驅動器24的工作狀態的。

該運動控制器23與該啟動控制器21通信，用於根據啟動控制器21發出的命令開始或停止執行一預置的控制程式。該輸入模組25與該啟動控制器21和該運動控制器23通信。該預置的控制程式是通過該輸入模組25發送至運動控制器23的。使用者通過輸入模組25輸入運動控制器23的控制參數。輸入模組25進一步包括一圖形化的人機界面，使用者可以通過此圖形化的介面完成輸入動作。運動控制器23根據此參數生成馬達驅動器24能夠執行的控制命令，從而執行相應的操作。該運動控制器23可以是數位訊號處理(DSP)晶片。

該多個馬達驅動器24各自與該運動控制器23通信，用於根據該運動控制器23發出的運動路徑來控制各自對應的外部馬達。在該馬達驅動器24為多個的情況下，由於運動路徑來自於同一個運動控制器23，因此所有的馬達驅動器24共用同一個命令時鐘，嚴格地保證伺服的同步性，因此可以實現同動控制，並且馬達驅動器24之間交換資料僅通過運動控制器23而無其它外部設備，因此交換速度高且無時間延遲。在上述結構中，運動控制器23用於根據外部命令計算出每個馬達的運動路徑，並發送至馬達驅動器24，馬達驅動器24存儲收到的運動路徑至本地，並根據運動控制器23發出的統一時鐘來執行這些運動路徑。這種架構把現有技術中集中在上位機上的運算量在該馬達驅動器24與該運動控制器23之間重新分配，提高了系統的處理速度，能夠在工作狀態下及時準確地對外界命令做出回應。 並且該運動控制器23還可以進一步通過命令接收模組22採集馬達的工作狀態以及各種監控資訊，並據此做出調整。

該運動控制器23還可以進一步包括一內插命令單元231。該內插命令單元231與該馬達驅動器24連接。在三維運動中，每個馬達對應一個運動軸。在該馬達驅動器24為多個，即多軸的情況下，多軸的同步內插命令可以通過該內插命令單元231生成。內插命令單元231內部根據座標利用內插演算法自動分配出相關的運動軸相應的位置和速度值，並發送至對應的馬達驅動器24執行，以實現多軸的同步內插，包括直線、圓弧與螺旋的內插。由內插命令單元231運算可以減低控制器運算，驅動動作回應更精確及時，且無需上位機介入。在進行多軸運動時，為了達到整個路徑的運行更加平穩和高效，利用三軸圓弧內插指令，只需給定一個目標點，內插命令單元231便可以根據座標利用內插演算法自動分配出相應的位置和速度值給相關的運動軸。內插命令單元231可以支援絕對，相對，增量座標模式，可以實現單軸定位，兩軸/三軸直線和圓弧內插。

為了擴展該多軸控制裝置的控制能力，還可以進一步包括一較佳的I/O模組26。該I/O模組26與該啟動控制器21和該運動控制器23通信。由於該多軸控制裝置20中的馬達驅動器24的數目是固定的，故多軸控制裝置20所能夠控制的馬達數目必然不能超過馬達驅動器24的數目。該I/O模組26的優點在於可以突破此限制，使多軸控制裝置20能夠控制更多的馬達。該I/O模組26與外部的至少一運動控制器以及馬達控制器(未圖示)即時通信，為了保證控制效果，通信協議應採用高速的通信協定，通過高速通信協定可與外部的單軸伺服快速通訊，以擴展該多軸控制裝置的控制能力。

上述多軸控制裝置還可以很容易地實現循圓功能，代替專門的循圓儀。

第3圖所示是本發明該循圓方法具體實施方式的實施步驟示意圖，包括：步驟S30，通過該輸入模組將編輯的圓周路徑命令發送至該運動控制器；以及步驟S31，該運動控制器驅動外部的馬達執行該圓周路徑命令，並通過該命令接收模組回饋收集執行結果。

在步驟S30中，通過該輸入模組25將編輯的圓周路徑命令發送至該運動控制器23。該運動控制器23可以在內部根據座標利用內插演算法自動分配出相應的位置和速度值給X軸和Y軸對應的馬達，因此能夠保證兩軸之間的絕對同步。

在步驟S31中，該運動控制器23驅動外部的馬達執行該圓周路徑命令，並通過該命令接收模組22回饋收集執行結果。該執行結果包含該馬達執行該圓周路徑命令的實際平面路徑，以及該馬達的命令位置與回授位置之間的變化，以用於循圓誤差分析。此結果可供使用者對設備的工作狀態進行判斷。

接下來給出本發明該包裝機的具體實施方式。上述多軸控制裝置適合用於包裝機等需要多馬達協同工作的設備上。第4圖所示是本具體實施方式該包裝機的結構示意圖，包括：一多軸控制裝置20、一傳送馬達41、一送料馬達45和一裁切馬達42。該傳送馬達41、送料馬達45和裁切馬達42各自與該多軸控制裝置20連接並被單獨的馬達驅動器24驅動，接收各自的馬達驅動器發出的控制訊號。該傳送馬達41通過一組驅動輪411驅動一傳送帶412水準運動，輸送樣品44。該送料馬達45通過一驅動輪451來驅動 樣品在傳送帶412上同步移動，並且該驅動輪451還可以同時給樣品上加印色標。該裁切馬達42通過一組齒輪421驅動一組切刀422轉動以切割樣品44。為了使切刀422每次都在預定的位置切割樣品44，必須嚴格保證傳送馬達41、送料馬達45和裁切馬達42同步運轉。由於該多軸控制裝置20中的所有馬達驅動器24執行的是同一個運動控制器23分解的命令，並且共用運動控制器23的時鐘，可以很好的滿足上述精確的同步要求。

繼續參考第4圖，該包裝機還可以進一步包括一位置監控器43。該位置監控器43與該多軸控制裝置20中的運動控制器23通信。該傳送帶412表面的樣品44上可以設置色標等定位圖案，並採用位置監控器43監測這些圖案的出現頻率，從而計算出樣品44的位置和移動速率。由於樣品44在表面由於抻拉或者滑動可能導致樣品的位置偏移和速度變化。位置監控器43可以監控到這一現象，並通過該多軸控制裝置20中的命令接收模組22回饋至該運動控制器23。運動控制器23可以根據收到的資訊調整三個馬達的工作狀態。例如，如果發現樣品的位置整體向後移動，可以給裁切馬達42發送一個延時命令，從而保證裁切的位置正確。若發現樣品在表面移動的速度大於或者小於預定速度，則可以通過調節傳送馬達41和裁切馬達42的轉速比，使裁切馬達42的相對裁切速度增大或減小，從而保證裁切的位置仍然正確，或者調整送料馬達45的轉速，以使樣品44的速度發生變化。以上演算法全部都是在運動控制器23中完成的，並將根據計算結果得出的馬達運動路徑下發到對應的馬達驅動器24中，而馬達驅動器24存儲收到的路徑至本地，並根據運動控制器23發出的統一時鐘來執行這些路徑。顯然這種處理方式將運算和執行兩個任務分別分配在運動控制器23和馬達驅動 器24中來完成，降低了單一設備尤其是運動控制器23的運算量，從而提高了運算速度，使包裝機可以根據樣品44的情況及時準確地調整傳送馬達41、送料馬達45和裁切馬達42的工作狀態。

使用者通過該輸入模組25完成輸入，例如樣品長度和包裝速度等。運動控制器23收到這些參數後，根據內置的演算法自行計算出各個部件的工作參數，並轉化成驅動命令下發至馬達驅動器24。該多軸控制裝置20中的輸入模組25還可以進一步包含一圖形化的人機界面。對於人機界面而言，除了可以輸入參數之外，還可以預設一些工作模式，或者對切刀422以及傳送帶412的工作狀態進行手動調整的選項，並將上述功能在人機界面上設置成按鍵。使用者按下這些按鍵後，運動控制器23便根據內部預設的程式來做出相應的調整，並將驅動命令下發至馬達驅動器24。該運動控制器23進一步可以是一數位訊號處理(DSP)晶片。由於運動控制器23中可以預製大量演算法，因此無需每次更換不同規格的樣品44都要重新編寫軟體代碼，而只需要將參數輸入即可實現調整。而輸入參數的動作是普通的操作工人即可完成的，因此本包裝機可以節省生產時間並降低操作難度。

以上該僅是本發明的較佳實施方式，應當指出，對於本技術領域的一般技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

20‧‧‧多軸控制裝置

21‧‧‧啟動控制器

22‧‧‧命令接收模組

23‧‧‧運動控制器

24‧‧‧馬達驅動器

25‧‧‧輸入模組

26‧‧‧I/O模組

231‧‧‧內插命令單元

Claims (12)

1. 一種多軸控制裝置，其特徵在於，包括：一啟動控制器，通過一命令接收模組接收外部的啟動和停止訊號；一運動控制器，與該啟動控制器通信，用於根據該啟動控制器發出的命令開始或停止執行一預置的控制程式；一馬達驅動器，與該運動控制器直接通信，用於根據該運動控制器發出的命令來控制至少一外部馬達；以及一輸入模組，與該啟動控制器和該運動控制器通信，用於使用者從外部輸入參數來控制該多軸控制裝置。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的多軸控制裝置，其特徵在於，進一步包括一I/O模組，與該啟動控制器和該運動控制器通信，該I/O模組用於同該多軸控制裝置外部的至少一運動控制器即時通信，以擴展該多軸控制裝置的控制能力。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的多軸控制裝置，其特徵在於，該運動控制器為一數位訊號處理晶片。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的多軸控制裝置，其特徵在於，該輸入模組進一步包含一圖形化的人機界面，使用者通過該圖形化的人機界面完成輸入。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的多軸控制裝置，其特徵在於，該運動控制器中進一步包括一內插命令單元，該內插命令單元與該馬達驅動器連接，該內插命令單元用於合成多軸的同步內插命令並發送至馬達驅動器實施內插。
6. 一種循圓方法，採用如申請專利範圍第1項所述的多軸控制裝置，其特徵在於，包括如下步驟：通過該輸入模組將編輯的圓周路徑命令發送至該運動控制器；該運動控制器驅動外部的馬達執行該圓周路徑命令，並通過該啟動控制器中的該命令接收模組回饋收集執行結果，該執行結果包含該馬達執行該圓周路徑命令的實際平面路徑，以及該馬達的命令位置與回授位置之間的變化，以用於循圓誤差分析。
7. 一種包裝機，其特徵在於，包括：一申請專利範圍第1項所述的多軸控制裝置；以及一傳送馬達、一送料馬達和一裁切馬達，各自與該多軸控制裝置連接並被單獨的馬達驅動器驅動，接收各自的馬達驅動器控制訊號並分別驅動一傳送帶、一該傳送帶表面的樣品和一切刀同步運轉。
8. 根據申請專利範圍第7項所述的包裝機，其特徵在於，進一步包括一位置監控器，與該運動控制器通信，該位置監控器用於監控該傳送帶表面的樣品位置偏移，並通過該啟動控制器中的該命令接收模組回饋至該運動控制器。
9. 根據申請專利範圍第7項所述的包裝機，其特徵在於，進一步包括一I/O模組，與該啟動控制器和該運動控制器通信，該I/O模組用於同連接至該多軸控制裝置外部的至少一運動控制器即時通信，以擴展該多軸控制裝置的控制能力。
10. 根據申請專利範圍第7項所述的包裝機，其特徵在於，該運動控制器為一數位訊號處理晶片。
11. 根據申請專利範圍第7項所述的包裝機，其特徵在於，該輸入模組進一步包含一圖形化的人機界面，使用者通過該圖形化的人機界面完成輸入。
12. 根據申請專利範圍第7項所述的包裝機，其特徵在於，該運動控制器中進一步包括一內插命令單元，該內插命令單元與該馬達驅動器連接，該內插命令單元用於合成多軸的同步內插命令並發送至多個馬達驅動器實施內插。