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隨著生活水平的提高,產(chǎn)品種類的多樣化、高檔化,對產(chǎn)品的包裝質(zhì)量提出了越來越高的要求.目前,市場上用于產(chǎn)品包裝的包裝機械主要有三種:其一是進口的全自動包裝機,如大型面粉廠使用的粉包裝機,其價格昂貴,使用范圍有限;其二是功能單一的小型包裝機械,如制袋機、封口機等,其工序復(fù)雜,生產(chǎn)效率較低,計量精度難以保證;其三是機械傳動的小型全自動包裝機,基本上實現(xiàn)了制袋、下料、封口等工序的自動化作業(yè).但是,現(xiàn)有的包裝機通常采用一臺電機作為驅(qū)動元件,經(jīng)過許多齒輪、離合器的組合,將主運動分解為三個執(zhí)行機構(gòu)的單獨動作.要實現(xiàn)上述動作的理想狀態(tài),存在以下問題:(1)包裝袋長的誤差無法隨機補償、調(diào)整;(2)包裝物料的計量誤差調(diào)整困難;(3)袋長變化十分困難[1].針對上述缺陷,我們設(shè)計并研制了一種用三臺步進電機分別實現(xiàn)制袋、下料、封口等工序獨立動作的全自動包裝機.
1全自動包裝機的工作原理
DXD1000全自動包裝機主要包括三大部分:
1.1自動制袋
本機采用兩片塑料薄膜(紙)自動制袋.兩卷塑料薄膜分別裝在機架上的兩個紙卷支承上,采用一臺步進電機經(jīng)一對齒輪驅(qū)動紙卷進給,塑料紙經(jīng)走紙輪后進入熱壓合輪,從而使紙袋兩側(cè)熱合,同時剪掉紙的多余部分.在紙卷和走紙輪之間,設(shè)計有若干個導(dǎo)紙輪,以保證走紙方向正確,走紙流暢.并加有缺紙檢測裝置,缺紙報警并停機等待裝紙.經(jīng)該環(huán)節(jié)后,本機制出均勻、美觀的塑料紙袋,并為后面的填料、封口作好準(zhǔn)備.
1.2自動稱重和填料
本機采用電子秤稱重.當(dāng)產(chǎn)品進入料斗后,先經(jīng)攪拌器攪拌均勻,再由螺旋推進器送至電子秤,稱重后送入一端封口的袋中,等待封口.攪拌器和螺旋推進器采用一臺步進電機驅(qū)動,通過控制步進電機的速度便可調(diào)節(jié)進料重量.
1.3自動封口打印生產(chǎn)日期
本機采用輪式自動封口.封口鼓輪的封合部分寬度為每個紙袋封合部分寬度的兩倍,在封口鼓輪的中間加一個切割刀片,將封口部分從中間切開,一半作為上一個袋的封底,另一半作為已完成袋的封口.在封口鼓輪上鑲嵌有可更換的生產(chǎn)日期鋼印,可保證每個袋的上下兩封口處有出廠日期.封口鼓輪采用步進電機驅(qū)動,由微機控制,保證日期正確,袋長合適,動作與制袋、填料協(xié)調(diào).
由以上分析可知,系統(tǒng)主要控制三臺步進電機:①下料攪拌器驅(qū)動電機(電機A);②走紙輪驅(qū)動電機(電機B);③封口鼓輪驅(qū)動電機(電機C).
2控制電路設(shè)計
在本系統(tǒng)中,要求三臺步進電機按一定的時序循環(huán)起停.為使三者協(xié)調(diào)工作,且便于調(diào)整,我們以可編程計數(shù)器8253為核心構(gòu)成步進電機接口電路.由8553的三個定時器輸出三臺步進電機的實時控制脈沖,該電路具有精度高、工作穩(wěn)定、控制靈活等特點.并且在步進電機工作期間,不用CPU直接干預(yù),大大提高了CPU實時處理能力.由于三臺步進電機頻繁起停,采用自動升降速控制電路實現(xiàn)升降速控制,以減輕軟件的工作量;然后由分相電路產(chǎn)生符合步進電機需要的三相脈沖源.其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示

2.1實時脈沖發(fā)生電路
可編程定時計數(shù)器8253內(nèi)部具有3個獨立的計數(shù)器,它們的結(jié)構(gòu)、功能完全相同,每個計數(shù)器都具有時鐘輸入CLK、門控GATE和輸出OUT三個引腳與外部發(fā)生聯(lián)系,它們具有6種工作模式[2],具有硬同步和軟同步功能.可見,8253是一個功能強大、使用靈活、性能優(yōu)良的定時計數(shù)接口芯片,它的三個計數(shù)器在不同模式、不同形式的組合下,可以實現(xiàn)不同功能的實時脈沖電路.本系統(tǒng)利用三個計數(shù)器的定時輸出信號,分別控制三個步進電機A、B、C,如圖2.

根據(jù)工藝流程要求,三臺步進電機的運行時序是:

據(jù)此設(shè)置定時器相應(yīng)的脈沖序列,如圖3所示

根據(jù)時序圖,計數(shù)器#0、#1、#2都用工作方式1-可編程單拍脈沖.脈沖的寬度Tc、Tb和Ta由封口、走紙和下料所需時間決定.計數(shù)的起停由GATE控制,當(dāng)減到1時輸出1個周期的負脈沖,驅(qū)動步進電機,同時自動恢復(fù)初值繼續(xù)計數(shù).
2.2自動升降速控制電路
目前對步進電機的升降速控制有軟件和硬件兩種方法.軟件方法利用計算機實現(xiàn)復(fù)雜的升降速控制,并能夠根據(jù)需要選擇多種升降速曲線.但要占用大量的程序空間,使軟件設(shè)計復(fù)雜化.特別是在多臺步進電機聯(lián)動運行時,軟件的處理更為困難.
硬件的升降速控制目前主要有兩種類型:一種是利用VF和FV變換,在其中間串入一個緩沖環(huán)節(jié);另一種是利用可逆計數(shù)器、DA變換器和壓控振蕩器(VCO)電路,組成一個脈沖反饋控制系統(tǒng).前者的特點是結(jié)構(gòu)簡單,線性較好,但VF變換電路的價格較高,且零點調(diào)整需要雙電源.而后者的電路要復(fù)雜些,可以實現(xiàn)位置跟蹤,但通常頻率響應(yīng)范圍較窄.所以在實際應(yīng)用中兩者都有一定的局限性。

本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)自動升降速控制,實用電路如圖4.圖中R2、RW與C2構(gòu)成濾波電路,調(diào)整RW可以設(shè)置升降速時間.圖5是經(jīng)實驗測出的升降速過程響應(yīng)曲線.由于鎖相環(huán)跟蹤作用,該曲線已經(jīng)不是RC積分電路的過度過程曲線形狀,它已經(jīng)接近理想的升降速特性.結(jié)果表明,鎖相環(huán)升降速控制電路的性能明顯優(yōu)于其它電路[3].

2.3分相電路
由8253構(gòu)成的實時脈沖,需要經(jīng)過分相才能滿足步進電機的時序要求.分相電路種類很多,可由計數(shù)器和譯碼器構(gòu)成的,也可由移位寄存器和反饋函數(shù)構(gòu)成的.我們采用了由移位寄存器CC4015來實現(xiàn)A、B、C三相時鐘源.其特點是硬件電路簡單,軟件控制方便.
3設(shè)計要點
3.1系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)程序主要控制三臺步進電機的運行,它們在時序上要密切配合,任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題(如缺紙、缺料等),均需立即中斷,進行單步處理.
3.2抗干擾問題
由于工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣,設(shè)備起停頻繁,電磁干擾嚴重,單片機的抗干擾問題必須充分加以考慮.在本系統(tǒng)中我們從硬件和軟件兩個方面解決.在硬件方面,選用加靜電屏蔽的變壓器,且變壓器容量比實際需要大1.2～1.5倍;采用低通濾波器;采用光電偶合.在軟件方面,采用數(shù)字濾波;指令重復(fù)執(zhí)行;設(shè)置軟件陷阱等[4].
4結(jié)語
全自動包裝機是一個較復(fù)雜的機械設(shè)備,控制系統(tǒng)的完善與否,直接關(guān)系著工作效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益.由于機械設(shè)備存在動態(tài)誤差、機械磨損等不確定因素,控制系統(tǒng)的定量控制信號、檢測信號都要經(jīng)過多次試驗才能逐步完善。

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