隨著生活水平的提高,產品種類的多樣化、高檔化,對產品的包裝質量提出了越來越高的要求.目前,市場上用於產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,如大型麵粉廠使用的粉包裝機,其價格昂貴,使用範圍有限;其二是功能單一的小型包裝機械,如製袋機、封口機等,其工序複雜,生產效率較低,計量精度難以保證;其三是機械傳動的小型全自動包裝機,基本上實現了製袋、下料、封口等工序的自動化作業.但是,現有的包裝機通常采用一台電機作為驅動元件,經過許多齒輪、離合器的組合,將主運動分解為三個執行機構的單獨動作.要實現上述動作的理想狀態,存在以下問題:(1)包裝袋長的誤差無法隨機補償、調整;(2)包裝物料的計量誤差調整困難;(3)袋長變化十分困難[1].針對上述缺陷,我們設計並研製了一種用三台步進電機分別實現製袋、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自動製袋
本機采用兩片塑料薄膜(紙)自動製袋.兩卷塑料薄膜分別裝在機架上的兩個紙卷支承上,采用一台步進電機經一對齒輪驅動紙卷進給,塑料紙經走紙輪後進入熱壓合輪,從而使紙袋兩側熱合,同時剪掉紙的多餘部分.在紙卷和走紙輪之間,設計有若幹個導紙輪,以保證走紙方向正確,走紙流暢.並加有缺紙檢測裝置,缺紙報警並停機等待裝紙.經該環節後,本機製出均勻、美觀的塑料紙袋,並為後麵的填料、封口作好準備.
1.2自動稱重和填料
本機采用電子秤稱重.當產品進入料鬥後,先經攪拌器攪拌均勻,再由螺旋推進器送至電子秤,稱重後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台步進電機驅動,通過控製步進電機的速度便可調節進料重量.
1.3自動封口打印生產日期
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動,由微機控製,保證日期正確,袋長合適,動作與製袋、填料協調.
由以上分析可知,係統主要控製三台步進電機:①下料攪拌器驅動電機(電機A);②走紙輪驅動電機(電機B);③封口鼓輪驅動電機(電機C).
2控製電路設計
在本係統中,要求三台步進電機按一定的時序循環起停.為使三者協調工作,且便於調整,我們以可編程計數器8253為核心構成步進電機接口電路.由8553的三個定時器輸出三台步進電機的實時控製脈衝,該電路具有精度高、工作穩定、控製靈活等特點.並且在步進電機工作期間,不用CPU直接幹預,大大提高了CPU實時處理能力.由於三台步進電機頻繁起停,采用自動升降速控製電路實現升降速控製,以減輕軟件的工作量;然後由分相電路產生符合步進電機需要的三相脈衝源.其電路結構如圖1所示

2.1實時脈衝發生電路
可編程定時計數器8253內部具有3個獨立的計數器,它們的結構、功能完全相同,每個計數器都具有時鍾輸入CLK、門控GATE和輸出OUT三個引腳與外部發生聯係,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、性能優良的定時計數接口芯片,它的三個計數器在不同模式、不同形式的組合下,可以實現不同功能的實時脈衝電路.本係統利用三個計數器的定時輸出信號,分別控製三個步進電機A、B、C,如圖2.

根據工藝流程要求,三台步進電機的運行時序是:

據此設置定時器相應的脈衝序列,如圖3所示

根據時序圖,計數器#0、#1、#2都用工作方式1-可編程單拍脈衝.脈衝的寬度Tc、Tb和Ta由封口、走紙和下料所需時間決定.計數的起停由GATE控製,當減到1時輸出1個周期的負脈衝,驅動步進電機,同時自動恢複初值繼續計數.
2.2自動升降速控製電路
目前對步進電機的升降速控製有軟件和硬件兩種方法.軟件方法利用計算機實現複雜的升降速控製,並能夠根據需要選擇多種升降速曲線.但要占用大量的程序空間,使軟件設計複雜化.特別是在多台步進電機聯動運行時,軟件的處理更為困難.
硬件的升降速控製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衝環節;另一種是利用可逆計數器、DA變換器和壓控振蕩器(VCO)電路,組成一個脈衝反饋控製係統.前者的特點是結構簡單,線性較好,但VF變換電路的價格較高,且零點調整需要雙電源.而後者的電路要複雜些,可以實現位置跟蹤,但通常頻率響應範圍較窄.所以在實際應用中兩者都有一定的局限性。

本係統采用鎖相環CD4046實現自動升降速控製,實用電路如圖4.圖中R2、RW與C2構成濾波電路,調整RW可以設置升降速時間.圖5是經實驗測出的升降速過程響應曲線.由於鎖相環跟蹤作用,該曲線已經不是RC積分電路的過度過程曲線形狀,它已經接近理想的升降速特性.結果表明,鎖相環升降速控製電路的性能明顯優於其它電路[3].

2.3分相電路
由8253構成的實時脈衝,需要經過分相才能滿足步進電機的時序要求.分相電路種類很多,可由計數器和譯碼器構成的,也可由移位寄存器和反饋函數構成的.我們采用了由移位寄存器CC4015來實現A、B、C三相時鍾源.其特點是硬件電路簡單,軟件控製方便.
3設計要點
3.1係統主程序
係統程序主要控製三台步進電機的運行,它們在時序上要密切配合,任何一個環節出現問題(如缺紙、缺料等),均需立即中斷,進行單步處理.
3.2抗幹擾問題
由於工作現場環境惡劣,設備起停頻繁,電磁幹擾嚴重,單片機的抗幹擾問題必須充分加以考慮.在本係統中我們從硬件和軟件兩個方麵解決.在硬件方麵,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.在軟件方麵,采用數字濾波;指令重複執行;設置軟件陷阱等[4].
4結語
全自動包裝機是一個較複雜的機械設備,控製係統的完善與否,直接關係著工作效率、產品質量和經濟效益.由於機械設備存在動態誤差、機械磨損等不確定因素,控製係統的定量控製信號、檢測信號都要經過多次試驗才能逐步完善。

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