全數字交流伺服系統在塑料機械上的應用

引言
　　
塑料包裝行業(yè)是隨著(zhù)機電技術(shù)的進(jìn)步和塑料加工工藝的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，并逐步形成為一個(gè)獨立的工業(yè)部門(mén)。上世紀六七十年代后，許多塑料原料已能大規模生產(chǎn)，塑料制品代替金屬、木材、玻璃、紙、纖維等材料制成的產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟各部門(mén)和人們生活各個(gè)領(lǐng)域的應用越來(lái)越多。需求的不斷增加使得中國塑料包裝機械發(fā)展很快、生產(chǎn)出來(lái)的品種也越來(lái)越多，大多已能供應國內塑料制品加工裝備的需要，隨著(zhù)技術(shù)的不斷更新，近年來(lái)以伺服系統為主要執行元件的塑料機械，以其速度快、效率高、能耗低、控制水平完善、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)迅速成為市場(chǎng)主流機型，并加快國產(chǎn)塑機自動(dòng)化水平的進(jìn)程。
　　
塑料機械控制流程及電氣原理

圖1 塑料制袋機械設備圖

國產(chǎn)塑料制袋機如圖1所示。從圖1中可見(jiàn)，塑料制袋機是由:熱封切刀，伺服裝置，變頻裝置、牽引皮輥、承切皮輥、熱封切刀及控制器組成。主要技術(shù)特征在于熱封切刀安裝在轉動(dòng)軸上，轉動(dòng)軸上設有齒輪，齒輪與設在機架上的主電機主軸上的齒輪相互嚙合，主電機上設有皮輥運動(dòng)傳感器，熱封切刀的轉動(dòng)軸上設有切刀位置傳感器。這種熱封切刀伺服裝置結構設計科學(xué)合理，大大減少了制袋機的整體體積，并且由于牽引皮輥的連續運動(dòng)，不存在受力距大小的影響，而智能控制器能準確地控制薄膜的設置長(cháng)度。
　　
該類(lèi)設備主要用于加工塑料包裝袋及各種規格的生活塑料袋，早期的設備采取的是剎車(chē)離合器等控制機構，后來(lái)改進(jìn)為步進(jìn)系統控制裝置，現在，又發(fā)展成為PLC及伺服電機加變頻調速為主的控制機構。隨著(zhù)技術(shù)的更新進(jìn)步，更高的定位精度和更好的穩定性，直接導致所制膠袋的質(zhì)量和效率也不斷提升。
　　
系統整體控制原理，如圖2所示:

圖2 控制原理框圖

人機界面，采用觸摸屏，便于操作人員設置參數及對整臺設備運行狀態(tài)的了解，負責人機對話(huà)交流。界面上可設定定長(cháng)封切或追色封切、切袋長(cháng)度、追色長(cháng)度、預警個(gè)數、送袋速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間，當選擇為定長(cháng)封切時(shí)，追色感應器無(wú)作用。
　　
PLC做為核心程序的載體，負責脈沖信號的發(fā)送及各種控制信號轉化與流通，最終控制各執行機構的運轉與協(xié)調。PLC程序根據伺服機構的機械傳動(dòng)比、伺服驅動(dòng)器的電子齒輪比、伺服電機變碼器的線(xiàn)數以及出料輥的周長(cháng)，計算出伺服驅動(dòng)器接收一定數量的脈沖，伺服電機就驅動(dòng)出料輥轉動(dòng)帶出一定長(cháng)度的膠袋，實(shí)現定長(cháng)控制。
　　
色標、溫控、到位信號，做為傳感元氣件，負責時(shí)間的判斷與控制信號的發(fā)出，使個(gè)執行件之間確立邏輯關(guān)系。
　　
溫控器的溫度，應根據主電機的轉速高低進(jìn)行設定，以膠袋封口處結實(shí)耐拉為準。封刀溫度偏低，會(huì )導致膠袋封口處不牢。若封刀溫度偏高，會(huì )導致膠袋封口處燙穿，因此，應根據主電機轉速及封口時(shí)間長(cháng)短進(jìn)行調節，通常，溫度都設定在180℃左右。
　　
主變頻裝置，負責熱封刀與切刀的連續上下運動(dòng)，同時(shí)控制出袋速度與效率。
　　
送料變頻裝置，負責整卷物料的第一級輸送。
　　
伺服驅動(dòng)裝置，由驅動(dòng)，伺服電機，碼盤(pán)反饋信號構成，作為主要運動(dòng)機構，主要任務(wù)是完成定位精度的控制，嚴格執行來(lái)自PLC的脈沖指令控制，同時(shí)，保證在頻繁啟動(dòng)負載下自身運動(dòng)的平穩性與快速響應性，使伺服電機的一次送料轉速滿(mǎn)足切刀上下運行的時(shí)間要求。并使伺服電機與送料變頻電機之間不發(fā)生相對滑動(dòng)。伺服性能直接反映了這臺設備的整機性能與質(zhì)量。
　　
設備的工作流程如圖3所示:

圖3 控制流程圖

（1）設備上電后，溫控器控制封刀處加熱器進(jìn)行加熱。（2）自動(dòng)起動(dòng)后，送料變頻器驅動(dòng)送料電機以設定的速度輸送塑料薄膜，送料感應器檢測到送料端放卷的塑料薄膜足夠時(shí)，送料電機停止送料。（3）溫度到達，溫度信號導通，主變頻器驅動(dòng)主電機通過(guò)機械傳動(dòng)裝置控制切刀和封刀的上下往復運動(dòng)。（4）切刀每向上運動(dòng)一次，伺服信號導通一次，伺服電機驅動(dòng)出料輥夾著(zhù)塑料薄膜帶轉動(dòng)一次，切刀和封刀下切，膠袋形成。（5）設定個(gè)數到達或按停止鍵時(shí)，當前膠袋形成后停機，切刀和封刀停在高位停車(chē)處。
　　
伺服系統應用與控制原理
　　
本機采用的伺服系統為GSK98A系列伺服，驅動(dòng)單元采用美國TI公司最新數字信號處理器DSP為核心、大規?？删幊涕T(mén)陣列（CPLD）和MITSUBISHI智能化功率模塊（IPM），集成度高、體積小、保護完善、可靠性好。采用最優(yōu)PID算法完成PWM。驅動(dòng)單元具備標準位置控制與速度控制，可接收脈沖信號及模擬信號，脈沖信號兼容脈沖方向信號與正反脈沖信號兩種。由于采用成熟智能功率模塊，驅動(dòng)單元具備了控制超速、主電源過(guò)壓欠壓、過(guò)流、過(guò)載、制動(dòng)異常、編碼器異常、控制電源異常、位置超差等多項在線(xiàn)檢測與診斷，使控制過(guò)程一目了然。
　　
所采用伺服電機為SJT系列的三相永磁同步伺服電機，寬調速比，恒轉矩輸出，三倍過(guò)載能力，具有3000rpm的額定轉速，2500p/r的碼盤(pán)反饋脈沖精度。
　　
本機只需使用一套伺服系統就能完成其主要功能，伺 服的控制性能反映了該類(lèi)產(chǎn)品的控制質(zhì)量。伺服系統與主變頻裝置的關(guān)系，如圖4所示:

圖4 伺服與變頻器的關(guān)系圖