卷烟封装设备运动控制半物理仿真平台的制作方法

本发明涉及烟草制备领域，尤其涉及用于烟草行业电气技术人员培训、考核的卷烟封装设备运动控制半物理仿真平台。

背景技术：

近年来，随着烟草行业新产品和现有设备技术升级改造的完成，大量高新设备代替了传统设备，极大的提高了烟草设备的自动化控制水平和生产能力。新技术的大量应用，对烟草行业设备管理和维护提出了更高的要求，需要通过教学平台对从业人员进行岗前或者定期培训。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种集成度高、操作方便、可视化能力强的卷烟封装设备运动控制半物理仿真平台。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种卷烟封装设备运动控制半物理仿真平台，包括机架，所述机架上设置有数据处理单元，所述机架上还设置有分别与数据处理单元电连接的盒烟循环与剔除教学装置、收放卷教学装置、模拟教学装置，所述数据处理单元包括人机界面、通讯单元、数据处理器，人机界面与数据处理器之间通过通讯单元电连接，

其中，所述盒烟循环与剔除教学装置包括设置在机架上的环形的输送带，所述输送带的驱动辊通过第一传动装置连接有第一伺服电机，所述输送带进料端处还设置有盒烟扫码装置，所述盒烟扫码装置包括第一传感器，所述输送带处还设置有盒烟剔除装置，所述盒烟剔除装置包括与带有电磁阀的气管相连的喷嘴，所述输送带端面上均匀设置有若干个向外的隔板，所述隔板将输送带端面均匀分割为若干用于放置盒烟的盒烟格，所述输送带下侧还设置有与隔板相配合的挡板，所述挡板用于防止盒烟掉落，所述第一伺服电机、第一传感器、盒烟扫码装置、电磁阀均通过通讯单元与数据处理单元电连接；

所述收放卷教学装置包括固定在机架上的基板，所述基板上设置摆臂，所述摆臂上设置有第一挂轮组，所述基板上固定有第二挂轮组，所述第一挂轮组和第二挂轮组之间设置有纸带，所述纸带两端分别连接有放卷纸盘和收卷纸盘，所述放卷纸盘与驱动辊之间设置有第二同步带，所述收卷纸盘连接有收卷电机，所述收卷电机也选用伺服电机，所述摆臂的转轴上设置有旋转式电位器，所述收卷电机、旋转式电位器均通过通讯单元与数据处理单元电连接；

机架上还固定有背板，所述模拟教学装置包括模拟信号源模块、状态指示单元，所述状态指示单元包括灯板，所述灯板上设置有10-20个光源，所述模拟信号源模块、状态指示单元均通过通讯单元与数据处理器电连接，所述人机界面、数据处理器和灯板均固定在背板上，

还包括伺服控制单元，所述伺服控制单元与第一伺服电机、收卷电机电连接，伺服控制单元固定在背板上，所述伺服控制单元通过通讯单元与数据处理器电连接。

进一步地，所述输送带两侧均设置有盒烟剔除装置，两烟盒剔除装置的喷嘴出口相互正对。

进一步地，所述模拟教学装置还包括设置于灯板上的热源，所述热源还对应设置有温度传感器，所述热源为与电源相连的电阻丝，所述电源和温度传感器通过通讯单元与数据处理单元电连接。

进一步地，所述摆臂的转轴的第一侧设置有第一挂轮组，所述摆臂的转轴的第二侧与基板之间设置有弹性装置，所述弹性装置选用弹簧，所述第一挂轮组和第二挂轮组中均包含有定位挂轮，所述定位挂轮包括挂轮本体和固定在挂轮本体工作面上的两组挡环，所述挡环设置在定位挂轮两端。

进一步地，所述第一传动装置包括与第一伺服电机相连的减速器、套装在减速器输出轴上的第三同步带轮、套装在驱动辊主轴上的第一同步带轮、套装在第三同步带轮和第一同步带轮之间的第一同步带，第一同步带轮和驱动辊主轴之间还串接有电动离合器，所述电动离合器通过通讯单元与数据处理单元电连接。

进一步地，所述第一传感器选用光电传感器，所述第一传感器正对输送带的进料端。

进一步地，所述挡板与输送带平行，所述挡板两端向上弯折成与输送带相匹配的圆弧状。

进一步地，所述数据处理器选用嵌入式ipc，通讯单元包括数据处理器的数据接口。

进一步地，所述伺服控制单元包括固定在背板上的伺服电源，所述伺服电源连接有伺服控制器，伺服控制器下侧的背板上还设置有用于对伺服控制器散热的风扇。

进一步地，所述人机界面安装虚拟仿真环境，虚拟仿真包括盒烟循环及剔除控制仿真、盘纸收放卷控制仿真和烟支漏气检测仿真，其中盒烟循环及剔除控制仿真、盘纸收放卷仿真采用三维虚拟仿真方式，盒烟循环及剔除控制仿真、盘纸收放卷控制仿真和烟支漏气检测仿真各自相应的仿真对象数学模型分别集成在数据处理器内。

本发明的有益效果在于：

1、本发明硬件平台统一、通用、开放，便于维护；

2、本发明嵌入式ipc处理速度快、伺服控制器控制和检测精度高、抗干扰能力强、可靠性高，稳定性好，调整方便；

3、本发明为烟草行业电气技术人员提供了当前主流设备的使用、维护教学培训平台，提高了烟草行业电气维修人员的技术水平；

4、本发明各个模块在一个数据处理器中处理，根据不同的培训课程，选取不同的模块进行教学，节约了硬件成本且各模块之间的协同性好。

5、本发明采用半物理仿真方式实现烟草机械设备自动化控制实验和实训，解决了传统实物机台在线训练的高成本、高风险问题。

附图说明

图1为实施例1连接关系图示意图；

图2为盒烟循环与剔除教学装置示意图；

图3为输送带俯视图示意图；

图4为输送带与挡板位置关系图示意图；

图5为盒烟剔除装置结构图示意图；

图6为收放卷教学装置示意图；

图7为收卷纸盘剖面图示意图；

图8为放卷纸盘剖面图示意图；

图9为定位挂轮剖面图示意图；

图10为背板及其附件结构图示意图；

图11为实施例1控制原理示意图；

其中：1-机架，2-盒烟循环与剔除教学装置，3-收放卷教学装置，4-人机界面，5-嵌入式ipc，6-灯板，7-伺服控制单元，8-led灯，9-热源，10-第一伺服电机，11-盒烟剔除装置，12-背板，13-线槽，14-显示器，15-温度传感器，101-第一同步带，102-第一同步带轮，103-第二同步带轮，104-第三同步带轮，105-减速器，111-气腔，112-气管，113-电磁阀，114-喷管，201-驱动辊，202-输送带，203-隔板，204-光电传感器，205-支架，206-电动离合器，207-挡板，301-基板，302-收卷纸盘，303-放卷纸盘，304-摆臂，305-旋转式电位器，306-弹簧，307-挂轮，308-纸带，309-收卷电机，310-固定板，311-收卷纸盘轴，312-第一轴承座，313-第二轴承座，314-轴承，315-第三轴承座，316-放卷纸盘轴，317-连接孔，318-螺栓，319-内套，320-外套，321-挡环，322-挂轮轴，323-定位销，324-第二同步带，325-第三同步带轮，326-棘轮，701-伺服电源，702-伺服控制器，703-风扇。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方安敢进行说明。

实施例1

如图1-10所示的一种卷烟封装设备运动控制半物理仿真平台，包括机架1，机架由铝合金型材搭建，取材方便、结构强度高，机架上安装有盒烟循环与剔除教学装置2、收放卷教学装置3、模拟教学装置。

盒烟循环与剔除教学装置2包括安装在机架上的环形的输送带202，输送带的驱动辊201通过第一传动装置连接有第一伺服电机10，第一传动装置包括与第一伺服电机相连的减速器105、套装在减速器输出轴上的第三同步带轮104、套装在驱动辊主轴上的第一同步带轮102、套装在第三同步带轮和第一同步带轮之间的第一同步带101，第一同步带轮和驱动辊主轴之间还串接有电动离合器206，通过电动离合器用于控制驱动辊主轴和第一同步带轮之间的连接和分离，输送带放入进料端安装有用于定位盒烟的第一传感器，输送带进料端处的机架上安装有竖直的支架，支架上端为u型，支架上端的两翼之间铰接有第一传感器，第一传感器选用光电传感器204，具体为sick条码阅读器，第一传感器正对输送带的进料端，输送带的带体端面上均匀一体塑造有若干个向外的隔板203，隔板将输送带端面均匀分割为若干用于放置盒烟的盒烟格，输送带下侧的机架上还安装有挡板207，挡板与输送带平行，挡板的两端向上弯折成与输送带相匹配的圆弧状，挡板的两侧也向上弯折成折边，挡板由不锈钢材料制成，挡板的上端面经研磨处理，输送带两侧的机架上均安装有盒烟剔除装置11，烟盒提出装置包括固定在机架上的气腔111，气腔上开有成行成列开有12-20个朝向输送带的喷嘴，两烟盒剔除装置的喷嘴出口相互正对，喷嘴由成行成列的12-20个截面积为4平方毫米的小孔组成，任一小孔处螺接或者焊接有喷管114，气腔下端还连通有气管112，气管通过电磁阀113与气源连通。

收放卷教学装置包括固定在机架上的基板301，基板为由不锈钢制成的网孔板，基板上安装有摆臂304，转轴的第一侧安装有第一挂轮组，摆臂的转轴的第二侧与基板之间安装有弹性装置，弹性装置选用弹簧306，摆臂的转轴上安装有旋转式电位器305，基板上位于第一挂轮组下侧固定有第二挂轮组，第一挂轮组由呈直线排列的四个挂轮307组成，第二挂轮组由呈直线排列的五个挂轮组成，第一挂轮组所在的直线与第二挂轮组所在的直线平行，第一挂轮组的挂轮和第二挂轮组的挂轮交叉安装，第一挂轮组和第二挂轮组之间绕装有纸带308，第二挂轮组下侧的基板两端还分别安装有收卷纸盘302和放卷纸盘303，其中放卷纸盘靠近第一伺服电机，收卷纸盘包括收卷纸盘轴311，基板上开有收卷纸盘安装孔，收卷纸盘安装孔处位于基板背面通过螺栓安装有第三轴承座315，第三轴承座内安装有轴承，收卷纸盘轴穿装在第三轴承座的轴承内，收卷纸盘轴的外端固定套装有内套319和外套320，内套内端和外套外端均固定有环形的限位，收卷纸盘轴内端面开有截面呈正方形的连接孔317，基板背面位于收卷纸盘处还安装有收卷电机309，收卷电机选用伺服电机，放卷纸盘包括放卷纸盘轴，基板上开有放卷纸盘安装孔，放卷纸盘安装孔处位于基板背面通过螺栓安装有第一轴承座312，第一轴承座内安装有轴承314，放卷纸盘轴311穿装在第一轴承座的轴承内，放卷纸盘轴的外端固定套装有内套和外套，内套内端和外套外端均固定有环形的限位，机架上还安装有固定板310，固定板上与放卷纸盘安装孔相对应处也开有孔，孔处安装有第二轴承座313，第二轴承座内安装有轴承，放卷纸盘轴向内穿过第二轴承座的轴承并套装有第三同步带轮，电动离合器的轴上与第一同步带轮并排通过棘轮326套装有第二同步带轮103，第二同步带轮和第三同步带轮之间套装有第二同步带324，第一挂轮组和第二挂轮组中均包含有定位挂轮，定位挂轮包括挂轮本体，挂轮本体包括挂轮轴322，挂轮本体工作面上固定有两组挡环321，挡环通过定位销323固定在定位挂轮两端。

模拟教学装置包括固定在机架上的背板12，背板也是由不锈钢材料制成的网孔板，背板上安装有状态指示单元，状态指示单元包括固定在背板上的灯板6，灯板上成行成列安装有20个光源，光源选用led灯8，灯板上安装有热源9，热源与其电源之间连接有保护电路，热源为与电源相连的电阻丝，热源还处对应设置有温度传感器15，灯板上还安装有显示器14。

背板上还安装有伺服控制单元7，伺服控制单元与第一伺服电机、收卷电机电连接，伺服控制单元包括固定在背板上的伺服电源701，伺服电源连接有伺服控制器702，伺服控制器下侧的背板上还安装有用于对伺服控制器散热的风扇703，伺服控制器为两个，分别对应第一伺服电机和收卷电机。

背板上安装有数据处理器、人机界面4和用于走线的线槽13，数据处理器选用嵌入式ipc5，数据处理器的罩壳内安装有模拟信号源模块，人机界面选用触摸屏,，

还包括通讯单元，通讯单元包括数据总线和数据处理器的数据输入输出i/o模块，其中数据处理器、通讯单元、人机界面共同组成数据处理单元。

本实施例中，人机界面、第一伺服电机、显示器、电磁阀、光电传感器、电动离合器、旋转式电位器、收卷电机、伺服电源、热源、温度传感器、伺服控制器、风扇、模拟信号源模块均通过数据总线与嵌入式ipc电连接。

其中：数据总线为ethercat总线，伺服控制器为amk伺服控制器，光电传感器选用sick光电传感器，温度传感器选用pt100，电磁阀选用mac高速电磁阀，模拟信号源模块包括模拟信号源，模拟信号源采用ms430f5529单片微处理器。

通过本实施例能够实现盒烟循环与剔除教学、收放卷教学、盘纸拼接教学、温度pid检测控制教学、烟支漏气检测教学。

盒烟循环与剔除教学工作流程如下：加电启动后，数据处理器和人机界面都先进行初始化工作，数据处理器初始化成功后，通过ethercat总线接收输入输出i/o模块的数据，数据处理器将这些数据汇总处理，当启动按钮按下时，数据处理器根据人机界面设定的速度，控制伺服控制器来驱动伺服电机按照设定速度运转，同时，数据处理器通过ethercat总线实时读取第一伺服电机上的旋转编码器的速度值，根据反馈的速度值，再来调整第一伺服电机速度，这样，就形成一个闭环的控制，使第一伺服电机速度稳定在设定速度上。当第一伺服电机运转时，启动sick条码阅读器，对盒烟进行识别检测，当发现预设废品时，再根据定位传感器信号，延长n个盒烟工位，n为剔除路径长度，数据处理器通过i/o输出模块驱动电磁阀，进行废品剔除，工作中电动离合器吸合，第一伺服电机带动驱动辊转动，由于棘轮的作用，第二同步带轮不转动，输送带转动的过程中，盒烟格带动盒烟转动，通过计算，当盒烟移动到气腔的喷嘴处时，其中一个电磁阀动作，将盒烟吹至另一个气腔附近，盒烟继续移动，当移动至输送带下侧时，隔板推动盒烟沿挡板滑动，至输送带进料端处从新回到输送带上，完成循环，方便重复演示，通过人机界面实时仿真，方便查看。

收放卷教学的工作流程如下：加电启动后，数据处理器和人机界面都先进行初始化工作，数据处理器初始化成功后，通过ethercat总线接收输入输出i/o模块的数据，数据处理器将这些数据汇总处理，当启动按钮按下时，收卷电机根据嵌入式ipc设定速度进行匀速收卷，嵌入式ipc通过伺服控制器监测收卷电机的速度，通过旋转式电位器采集盘纸张力，通过pid算法计算出收卷速度，通过ethercat总线及伺服控制器控制收卷电机的速度，此过程中，收卷纸盘被收卷电机驱动，放卷纸盘从动，由于棘轮的作用，驱动辊不跟转，收卷纸盘完成收卷后，启动第一伺服电机，此时电动离合器为脱离状态，第一伺服电机根据嵌入式ipc设定的速度，通过棘轮带动第一、第二同步带轮同步转动，收卷电机放空，放卷纸盘开始收卷，嵌入式ipc通过伺服控制器监测收卷电机的速度，通过旋转式电位器采集盘纸张力，通过pid算法计算出收卷速度，通过ethercat总线及伺服控制器控制第一伺服电机的速度，来实现收放卷功能，依次重复，完成收放卷教学，通过人机界面实时仿真，方便查看。

盘纸拼接教学的工作流程如下：加电启动后，数据处理器、人机界面和模拟信号源模块都先进行初始化工作，数据处理器初始化成功后，通过ethercat总线接收输入输出i/o模块的数据，数据处理器将这些数据汇总处理，模拟信号源模块初始化成功后，输出机器速度erp信号和在用盘纸直径脉冲信号，当通过人机界面按下复位按钮后，拼接过程指示灯灭，在用盘纸直径信号则会以一个固定的加速度逐渐增加频率，当这个频率达到最大设定值时，如果没有拼接信号或拼接失败，则认为此次拼接失败，点亮拼接过程指示灯并输出，如果在达到最大设定值前，有备用盘纸加速信号，则备用盘纸直径脉冲信号以一个较快的加速度增加其脉冲频率，并超过机器速度脉冲，如果在这个频率接近机器速度脉冲的频率时有拼接信号，则认为拼接成功，否则拼接失败，如果一直无拼接信号，也认为拼接失败，无论拼接成功还是失败，之后都仍以初始状态发出脉冲，此过程中，通过人机界面仿真，灯板上的led灯对应有机器速度erp信号灯、在用盘纸直径脉冲信号灯、拼接过程指示灯、备用盘纸加速信号灯、备用盘纸直径脉冲信号灯，用于显示各个环节的动作信号，辅助学员理解纸盘拼接过程，此过程中，显示器显示为盘纸拼接教学。

温度pid检测控制教学工作流程为：加电启动后，数据处理器、人机界面都先进行初始化工作，数据处理器初始化成功后，通过ethercat总线接收输入输出i/o模块的数据，数据处理器将这些数据汇总处理，数据处理器根据测温传感器pt100及其后级调制的温度0—10v的电压范围，计算出当前温度值，再对比人机界面设定的温度值，当前温度值小于设定温度值时，嵌入式ipc输出的pid脉冲通过功率管的驱动，利用24v电源对热源进行加热，并通过保护电路对热源进行保护，再通过pt100测算实时温度，直至与人机界面设定的温度值一致，在此过程中，人机界面进行仿真，方便观察，灯板上的led灯对应的有加热信号灯、pid脉冲信号灯、温度值低信号灯、温度值合格信号灯，方便学员理解温度pid检测控制过程。

烟支漏气检测教学工作流程为：加电启动后，数据处理器、人机界面和模拟信号源模块都先进行初始化工作，数据处理器初始化成功后，通过ethercat总线接收输入输出i/o模块的数据，数据处理器将这些数据汇总处理，ipc根据模拟信号源模块产生的时序信号和漏气信号，数据处理器对漏气信号进行采样，取漏气信号的最小值作为漏气检测的谷值，取漏气信号的最大值作为漏气检测峰值，峰值和谷值的差值就是本次漏气检测的漏气值，然后本次检测的漏气值和界面设定值进行比较，如果本次检测的漏气值小于界面设置的最小值，则认为烟支漏气；否则，再拿本次检测的漏气值和漏气平均值与界面设置的漏气检测灵敏度的乘积相比较，如果漏气值小于这个乘积，则认为烟支漏气；否则，烟支为正常烟支，可以用来统计平均值，漏气烟支经过一定的移位时序后，发出废品剔除信号，本教学流程中，人机界面进行仿真，方便观察，灯板上的led灯对应的有时序信号灯、漏气信号灯、漏气检验合格灯、漏气检验不合格灯、废品剔除信号灯。

本实施例中，通过人机界面仿真，通过盒烟循环与剔除教学装置循环演示盒烟循环与剔除过程，通过收放卷教学装置实时演示收放卷过程，通过热源、pt100及led灯演示温度pid检测控制过程，通过模拟信号源模块及led灯演示盘纸拼接、烟支漏气检测过程，占地面积小、过程演示清楚，同时能够循环使用，达到教学的目的，盒烟循环及剔除控制仿真、盘纸收放卷控制仿真和烟支漏气检测仿真各自相应的仿真对象数学模型集成在数据处理器内，在部使用外部装置的情况下，也能够直接仿真，达到教学的目的。