同时钩爪输送链将待包装物传送到套筒中；最后，由横封装置完成横向封合切断并输出成品。电机转速。定义伺服电机分辨率即其旋转 1 圈所需脉冲个数为 K，那么对应脉冲频率 f 可表示为：

图 1 枕式包装机结构

Fig.1 Structure of pillow packaging machine

主电机一般选用三相电机，经中间机构将动力传送至横封装置。为满足包装工艺要求，横封装置通常作凸轮运动，即空转情况下速度比较快；在封切区间内其速度比较慢，这样就可以保证包装膜进给速度和封切线速度相匹配，进而提高包装封切质量。一旦设定包装机械的生产率，就可根据包装袋长或色标间距，以横封速度为基准，调整纵封伺服电机的转速。通过控制纵封速度以调节包装薄膜的速度。

2. 色标定位方法

包装薄膜输送过程见图 2。色标传感器安装在成型器前端并选用漫反射式光电传感器，主要用于检测包装薄膜上的色标位置。色标传感器具体型号应根据包装薄膜颜色来选择。为便于色标补偿，通常要求横封

通过触摸屏设置包装袋长 l，由 PLC 控制器根据上式求解出对应的脉冲频率 f 和脉冲数目 k，并将这2 个参数传送至伺服驱动器，进而驱动伺服电机按设定参数运行。虽然 PLC 可以保证伺服电机按设定参数精确运行，但是在实际生产过程中，包装薄膜所受张紧力往往不均衡，同时受机械振动、印刷误差等外在因素影响，难免出现色标超前或滞后的情况。为解决此问题，可采用如下方法(见图 3)：系统运行过程中包装薄膜沿成型器方向以特定速度前进；色标传感器下有薄膜印刷色标经过时，其都会产生一个电信号M；同样，横封装置封切筒状且内含包装物料的包装袋时，凸轮开关会产生一个电信号 N。

图 3 传感器检测信号

Fig.3 Sensor detection signal

定义电信号 M 和 N 的周期为 T₁ 和 T₂，理想情况 率、脉冲数目应根据式(5)和式(6)进行调整下，满足 T₁=T₂，为了便于研究与分析，可近似认为电信号 M 和 N 的周期相等，均用 T 表示。若以横封切断信号 N 作为基准，那么包装过程中电信号 M 和

N 之间存在 3 种时序关系，见图 4。图 4a 表示信号 M和 N  同时发生，即最优状况。不过在实际运行过程中，信号 M 和 N 只需部分重合就没有必要进行补偿。图 4b 表示信号 M 滞后于信号 N，即纵向封合平均速度小于横向封切平均速度，切口位置超前，此时纵封机构伺服电机需要加速。图 4c 表示信号 M 超前于信号 N，即纵向封合平均速度大于横向封切速度，切口位置滞后，此时纵封机构伺服电机需要减速。

图 4 时序关系

Fig.4 The sequence diagram

3. 控制系统设计
   1. 硬件配置

根据包装机械工艺要求和控制需求，基于 PLC 控制器搭建其控制系统，PLC 端口分配见表 1，总共需要 11 个输出接口以及 13 个输入接口。

表 1 PLC 端口配置

Tab.1 PLC port configuration

三菱 FX2N 系列 PLC 具有比较丰富的指令控制系统，如运动控制、通讯控制以及十分灵活的扩展功能。扩展后可保证控制系统具备多路 A/D 和 D/A 通道，以满足多点速度检测、控制的要求，有利于实现包装机械色标的准确定位。PLC 温控模块FX2N-4AD-TC 实现纵封机构和横封机构的温度采集，并将模拟温度信号转换为数字信号，然后将其传送至  PLC  内进行处理。当出现色标和刀位信号时，会触发光电开关并向  PLC  发送一个脉冲。如上所述，结合控制程序进行速度匹配和位置当纵封超前时，其伺服电机控制参数包括运行频匹配，从而提高了包装精度。PLC 接线见图 5。

图 5 PLC 接线

Fig.5 PLC wiring diagram

伺服电机选用通用 HF-KN73(B)系列，与其配套的伺服驱动器为 MR-E 系列的 MR-E-70A。电机相关参数：额定转速为 3000 r/min；额定输出功率为 750

W；最大转速为 4500 r/min；最大输出转矩为 7.2 N·m；瞬间最大转速为 5175 r/min。另外，选用  F930GOT 系列触摸屏作为人机交互界面。其不仅可以作为控制参数，如包装袋长、速度、热封温度输入以及包装机械运行情况实时显示等。

1. 2. 软件设计

系统软件主要包括触摸屏程序设计、PLC 控制程序设计等。此处重点介绍 PLC  控制程序设计方法， 例如伺服驱动控制、色标自动定位、串行通讯等。

控制器主要用于处理各种反馈信号并根据处理结果控制伺服驱动器，以协调包装机械各执行机构动作。伺服驱动器为闭环控制系统，通过内置编码器检测位置和速度等信号，将其反馈到  PLC  以保证电机运动的精确性。伺服驱动器接收控制器所传送脉冲信号，其中脉冲频率用于控制器电机转速、脉冲数目用于控制电机旋转角度。另外，控制器还可根据色标、刀位检测信号判断封切位置是否在误差允许范围内。枕式包装机色标定位控制流程见图 6。首先，进行故障检测，判断系统是否存在严重故障，如果存在故障，则进行排除；如果没有故障，则按下启动按钮。系统运行前先判断系统是否有故障，如无故障则按下启动按钮；横封、纵封电机转动；在包装过程中，实时检测色标和刀位信号，判断横封与纵封是否同步；如果不同步，则具体情况（滞后或超前）做相应的补偿。若按下停止按钮，系统完成当前包装周期后停止运行。

图 6 枕式包装机色标定位流程

4. 实验研究

为验证所述枕式包装机自动定位方法的可行性和有效性，选用上述的 FX2N 系列 PLC 和伺服系统Fig.6 Color positioning process of pillow packaging machine搭建控制平台，并进行相关实验研究。

首先，进行实验 1，包装误差实验，以排除其对色标定位的影响。设定包装速度为 80 包/min，包装长度在 100~300 mm 内随机选取，实测包装误差见表2。由实验结果可知：包装误差非常小，可以忽略不计。伺服系统闭环控制能够保证电机运动十分精确， 再加上电机轴和横向封切轴为刚性连接，电机运动误差很小，故可不考虑其对色标定位精度的影响，因此， 实验中应重点考虑张紧力失衡、振动等因素。然后， 进行实验 2，色标定位误差实验。设定包装速度为 80

包/min、包装长度为 100 mm、色标宽度为 5 mm，测量切点和色标中心点之间的距离，实验结果同样见表2。由实验结果可知：最大误差只有 1 mm，小于色标宽度的一半，即切点仍位于色标点上。表明文中所述色标自动定位方法可以满足包装机械对色标定位精度的要求。