随着生活水平的提高,产品种类的多样化、高档化,对产品的包装质量提出了越来越高的要求.目前,市场上用于产品包装的包装机械主要有三种:其一是进口的全自动包装机,如大型面粉厂使用的粉包装机,其价格昂贵,使用范围有限;其二是功能单一的小型包装机械,如制袋机、封口机等,其工序复杂,生产效率较低,计量精度难以保证;其三是机械传动的小型全自动包装机,基本上实现了制袋、下料、封口等工序的自动化作业.但是,现有的包装机通常采用一台电机作为驱动元件,经过许多齿轮、离合器的组合,将主运动分解为三个执行机构的单独动作.要实现上述动作的理想状态,存在以下问题:(1)包装袋长的误差无法随机补偿、调整;(2)包装物料的计量误差调整困难;(3)袋长变化十分困难[1].针对上述缺陷,我们设计并研制了一种用三台步进电机分别实现制袋、下料、封口等工序独立动作的全自动包装机.
1全自动包装机的工作原理
DXD1000全自动包装机主要包括三大部分:
1.1自动制袋
本机采用两片塑料薄膜(纸)自动制袋.两卷塑料薄膜分别装在机架上的两个纸卷支承上,采用一台步进电机经一对齿轮驱动纸卷进给,塑料纸经走纸轮后进入热压合轮,从而使纸袋两侧热合,同时剪掉纸的多余部分.在纸卷和走纸轮之间,设计有若干个导纸轮,以保证走纸方向正确,走纸流畅.并加有缺纸检测装置,缺纸报警并停机等待装纸.经该环节后,本机制出均匀、美观的塑料纸袋,并为后面的填料、封口作好准备.
1.2自动称重和填料
本机采用电子秤称重.当产品进入料斗后,先经搅拌器搅拌均匀,再由螺旋推进器送至电子秤,称重后送入一端封口的袋中,等待封口.搅拌器和螺旋推进器采用一台步进电机驱动,通过控制步进电机的速度便可调节进料重量.
1.3自动封口打印生产日期
本机采用轮式自动封口.封口鼓轮的封合部分宽度为每个纸袋封合部分宽度的两倍,在封口鼓轮的中间加一个切割刀片,将封口部分从中间切开,一半作为上一个袋的封底,另一半作为已完成袋的封口.在封口鼓轮上镶嵌有可更换的生产日期钢印,可保证每个袋的上下两封口处有出厂日期.封口鼓轮采用步进电机驱动,由微机控制,保证日期正确,袋长合适,动作与制袋、填料协调.
由以上分析可知,系统主要控制三台步进电机:①下料搅拌器驱动电机(电机A);②走纸轮驱动电机(电机B);③封口鼓轮驱动电机(电机C).
2控制电路设计
在本系统中,要求三台步进电机按一定的时序循环起停.为使三者协调工作,且便于调整,我们以可编程计数器8253为核心构成步进电机接口电路.由8553的三个定时器输出三台步进电机的实时控制脉冲,该电路具有精度高、工作稳定、控制灵活等特点.并且在步进电机工作期间,不用CPU直接干预,大大提高了CPU实时处理能力.由于三台步进电机频繁起停,采用自动升降速控制电路实现升降速控制,以减轻软件的工作量;然后由分相电路产生符合步进电机需要的三相脉冲源.其电路结构如图1所示

2.1实时脉冲发生电路
可编程定时计数器8253内部具有3个独立的计数器,它们的结构、功能完全相同,每个计数器都具有时钟输入CLK、门控GATE和输出OUT三个引脚与外部发生联系,它们具有6种工作模式[2],具有硬同步和软同步功能.可见,8253是一个功能强大、使用灵活、性能优良的定时计数接口芯片,它的三个计数器在不同模式、不同形式的组合下,可以实现不同功能的实时脉冲电路.本系统利用三个计数器的定时输出信号,分别控制三个步进电机A、B、C,如图2.

根据工艺流程要求,三台步进电机的运行时序是:

据此设置定时器相应的脉冲序列,如图3所示

根据时序图,计数器#0、#1、#2都用工作方式1-可编程单拍脉冲.脉冲的宽度Tc、Tb和Ta由封口、走纸和下料所需时间决定.计数的起停由GATE控制,当减到1时输出1个周期的负脉冲,驱动步进电机,同时自动恢复初值继续计数.
2.2自动升降速控制电路
目前对步进电机的升降速控制有软件和硬件两种方法.软件方法利用计算机实现复杂的升降速控制,并能够根据需要选择多种升降速曲线.但要占用大量的程序空间,使软件设计复杂化.特别是在多台步进电机联动运行时,软件的处理更为困难.
硬件的升降速控制目前主要有两种类型:一种是利用VF和FV变换,在其中间串入一个缓冲环节;另一种是利用可逆计数器、DA变换器和压控振荡器(VCO)电路,组成一个脉冲反馈控制系统.前者的特点是结构简单,线性较好,但VF变换电路的价格较高,且零点调整需要双电源.而后者的电路要复杂些,可以实现位置跟踪,但通常频率响应范围较窄.所以在实际应用中两者都有一定的局限性。

本系统采用锁相环CD4046实现自动升降速控制,实用电路如图4.图中R2、RW与C2构成滤波电路,调整RW可以设置升降速时间.图5是经实验测出的升降速过程响应曲线.由于锁相环跟踪作用,该曲线已经不是RC积分电路的过度过程曲线形状,它已经接近理想的升降速特性.结果表明,锁相环升降速控制电路的性能明显优于其它电路[3].

2.3分相电路
由8253构成的实时脉冲,需要经过分相才能满足步进电机的时序要求.分相电路种类很多,可由计数器和译码器构成的,也可由移位寄存器和反馈函数构成的.我们采用了由移位寄存器CC4015来实现A、B、C三相时钟源.其特点是硬件电路简单,软件控制方便.
3设计要点
3.1系统主程序
系统程序主要控制三台步进电机的运行,它们在时序上要密切配合,任何一个环节出现问题(如缺纸、缺料等),均需立即中断,进行单步处理.
3.2抗干扰问题
由于工作现场环境恶劣,设备起停频繁,电磁干扰严重,单片机的抗干扰问题必须充分加以考虑.在本系统中我们从硬件和软件两个方面解决.在硬件方面,选用加静电屏蔽的变压器,且变压器容量比实际需要大1.2～1.5倍;采用低通滤波器;采用光电偶合.在软件方面,采用数字滤波;指令重复执行;设置软件陷阱等[4].
4结语
全自动包装机是一个较复杂的机械设备,控制系统的完善与否,直接关系着工作效率、产品质量和经济效益.由于机械设备存在动态误差、机械磨损等不确定因素,控制系统的定量控制信号、检测信号都要经过多次试验才能逐步完善。

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