一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，多轴伺服系统包括控制装置、伺服电机组、伺服驱动组、收卷装置、放卷装置和焊接装置；主轴伺服驱动器、滤布轴伺服驱动器、棉线轴伺服驱动器和标签轴伺服驱动器分别与主轴伺服电机、滤布轴伺服电机、棉线轴伺服电机和标签轴伺服电机对应连接。本实用新型提供一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统及其控制方法，进行四轴伺服系统的联动协调控制，进而通过超声波焊接技术实现滤袋复合包装薄膜材料的线—标、线—布、布—标的熔融贴焊。整机设备运行及生产高控制精度、高可靠度、高工作效率、调试维护更简便。
【专利说明】
一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]滤袋包材贴线标机是一种将热封标签、尼龙棉线焊接在用尼龙滤布、无纺布等复合包装材料上并收盘成卷的自动化设备，属于光机电一体化、高科技产品。焊上标签、棉线的包材成卷可以通过特定包装设备成型为四面体形或三棱锥形滤袋，具有内容积大、透视效果好、内装泡制物有效成分渗出快的特点，可应用于原茶、调味料等原料的包装。
[0003]目前国际上能够生产这种包装材料的设备以日本FUS0、韩国W00SHINFA为主。日本、韩国的设备主要以步进电机驱动的机械控制为主，气动控制辅助的方式实现线标、布标、线布的焊接。这些设备存在控制精度低、定位不准确;运行可靠性差、生产效率低;机械装置复杂、调试维护困难;噪音大等缺点。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，用以解决现有控制系统可靠性差的问题。
[0005]为实现上述目的，本实用新型的方案包括:
[0006]—种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，包括控制装置、伺服电机组、伺服驱动组、收卷装置、放卷装置和焊接装置;所述伺服电机组包括主轴伺服电机、滤布轴伺服电机、棉线伺服电机和标签轴伺服电机;伺服驱动组包括:主轴伺服驱动器、滤布轴伺服驱动器、棉线轴伺服驱动器和标签轴伺服驱动器;主轴伺服驱动器、滤布轴伺服驱动器、棉线轴伺服驱动器和标签轴伺服驱动器分别与主轴伺服电机、滤布轴伺服电机、棉线轴伺服电机和标签轴伺服电机对应连接;上述四个伺服电机均装配有编码器;所述控制装置控制连接各伺服驱动器;采样连接所述各编码器;并且控制连接收卷装置、放卷装置和焊接装置。
[0007]所述控制装置包括PLC模块、运动定位模块、智能功能模块和HMI模块;所述PLC模块运动定位模块、智能功能模块和HMI模块分别通讯连接。
[0008]所述运动定位模块通过串行总线与所述四个伺服驱动器通讯连接。
[0009]所述智能功能模块用于分别连接传感器、接近开关、按钮开关、断路器及接触器触点，智能功能模块包括高速计数模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块。
[0010]收卷装置包括变频器和变频器控制的收卷电机，以及用于检测收卷浮动臂角度的角位移开关，所述PLC模块采样连接该角位移开关。
[0011]放卷装置包括放卷电机，以及用于检测放卷电机的位置开关，所述PLC模块采样连接所述位置开关，控制连接一个用于为放卷电机供电的继电器。
[0012]所述焊接装置为超声波焊接装置，包括超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，超声变幅杆安装固紧在超声换能器上，超声换能器连接于超声发生器上，超声发生器与PLC模块连接。
[0013]还包括报警检测装置，报警检测装置连接所述PLC模块，报警检测装置用于发出报警信号。
[0014]针对目前国内外现有技术的不足，本实用新型提供一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统及其控制方法，进行四轴伺服系统的联动协调控制，进而通过超声波焊接技术实现滤袋复合包装薄膜材料的线一标、线一布、布一标的熔融贴焊。整机设备运行及生产高控制精度、高可靠度、高工作效率、调试维护更简便。基于本实用新型的贴线标机研制成功后将填补国内四面体形或三棱锥形滤袋包装材料贴棉线和标签技术与设备的空白。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型实施例的控制系统图；
[0016]图2是本实用新型实施例的程序控制图；
[0017]图3是超声波焊接系统构成图；
[0018]图4是本实用新型实施例的控制流程图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
[0020]图1为本实用新型一种实施例的系统方案架构图。包括:伺服电机组:对应安装有编码器单元;伺服驱动器组:驱动对应伺服电机;专用运动定位模块:包括用户自开发的运动定位程序，用以伺服驱动组及伺服电机组的定位控制；伺服电机通过高速电缆与伺服驱动器连接通信，伺服驱动器通过高速电缆与专用运动定位模块进行定位数据交互;PLC模块:包括PLC电池单元、CPU，CPU内含用户自开发的系统控制程序，用以整个系统的联动协调控制；触摸屏HM1:用户自开发触控界面程序，触控设定运行参数，通过RS232端口与PLC通信，实现与PLC及整机设备的交互控制；智能功能模块:完成高速计数、模拟量输入输出、数字量输入输出等功能；运动定位模块和智能功能模块通过基板与PLC模块相连接；收卷电机，由变频器控制其速度;放卷电机，由位置开关控制其启停;按钮开关、接近开关、断路器及接触器触点均与智能输入功能模块相连接；超声波焊接系统:以高频超声波技术进行线一标、线一布、布一标的热熔焊接;检测报警系统:对系统及设备装置的运行情况进行全程监控，缺料、故障时自动报警停机。
[0021]本实用新型运用PLC及运动定位模块实现四轴伺服系统的联动协调控制，基于本实用新型的贴线标机研制成功后将填补国内四面体形或三棱锥形滤袋包装材料贴棉线和标签技术与设备的空白，本实用新型的最终成果作为某型贴线标机的核心控制系统，用于滤袋复合包装材料线一标、线一布、布一标超声波焊接的全程控制，使整机运行及生产的控制精度高、可靠度好、工作效率高。
[0022]下面具体介绍系统的各种构成部分。
[0023]伺服电机组I包括四个伺服电机:主轴伺服电机11、滤布轴伺服电机12、棉线轴伺服电机13和标签轴伺服电机14。伺服驱动组2包括四个伺服驱动器:主轴伺服驱动器21、滤布轴伺服驱动器22、棉线轴伺服驱动器23和标签轴伺服驱动器24，各伺服驱动间通过通信电缆串行连接。主轴伺服驱动器21、滤布轴伺服驱动器22、棉线轴伺服驱动器23和标签轴伺服驱动器24分别通过四根高速SSCNET电缆连接相应的主轴伺服电机11、滤布轴伺服电机12、棉线轴伺服电机13和标签轴伺服电机14。四个伺服电机分别装有编码器，用以给运动定位模块10反馈脉冲，并通过PLC模块8进行绝对值运动定位控制。
[0024]运动定位模块10通过高速SSCNET电缆与主轴伺服电机I通信，发出运动定位指令；运动定位模块10还通过基板与PLC模块8通信，与主控制程序81进行数据及指令交互处理，控制四个伺服轴11121314按设定轨迹101完成指定动作。主轴伺服电机11连续工作，通过配套减速器驱动凸轮轴转动，实现整机棉线裁断、布一标焊接、标签裁断、动夹进退、时序调节等功能动作;滤布轴伺服电机12通过配套联轴器驱动滤布主动牵引辊及从动牵引辊转动，按设定轨迹101完成滤布的定长牵引；棉线轴伺服电机13通过配套减速器带动带轮和同步带，控制棉线动夹沿导轨按设定轨迹101做往复周期性运动，实现棉线的定长牵引；标签轴伺服电机14通过配套联轴器驱动主动牵引辊及从动牵引辊转动，按设定轨迹101完成标签的定长牵引。
[0025]PLC模块8是整个控制装置的控制中心，至少包括PLC电源模块和PLC CPU单元，PLC电源单元为整个PLC控制单元供电，PLC CPU单元通过USB或RS232用户接口 29传输并存储、执行PLC主控制程序81，保障和实现整个控制系统的数据处理及协调可靠运行。HMI模块9通过USB用户接口 28下载HMI人机界面程序91，触控设定运行参数，并通过RS232标准端口与PLC模块8进行数据通信，实现与PLC及整机设备的交互控制ILCAHMI〗?根据实现功能自行灵活开发。
[0026]智能功能模块7通过基板与PLC模块8通信，与至少包括高速计数模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块，分别完成高速脉冲计数、模拟量输入输出、数字量输入输出等功能。传感器3、断路器及接触器触点4、接近开关5及按钮开关6分别通过接线端子与智能功能模块7相连接。传感器3为光电传感器，至少包括反射式和对射式两种类型，检测标签、棉线、滤布状态。断路器及接触器触点4包括多个断路器、接触器触点，控制主电路及控制回路的通断，保障运行。接近开关5包括多个电感式感应开关，用以主电机零点检测、位置感应控制等。按钮操作开关6至少包括启动、点动、复位、停止、紧急停止按钮、总电源开关等，用于设备的操作控制。
[0027]放卷电机25为感应式步进电机，位置开关16检测位置信号并给PLC模块8发送信号，PLC模块8接到信号后进行逻辑判断并发出控制指令给继电器线圈18，通过继电器线圈18的通断控制放卷电机的启停。收卷电机26为变频电机，角位移开关15检测收卷浮动臂角度信号，PLC模块8接到信号后进行逻辑判断并进行PID控制计算，发出控制指令给变频器17，进而控制收卷电机的启停及收卷速度。
[0028]超声波焊接系统20以超声波技术进行线一标、线一布、布一标的热熔焊接。PLC模块8接收传感器3检测到的标签、棉线、滤布状态信号和变频器17、伺服驱动组2、运动定位模块10等的运行状态信号，进行数据处理，发送信号给检测报警系统19，报警系统19发出声光报警信号，在HMI模块9上弹出实时报警画面及操作提示，并在断线、缺标签、运行故障时自动报警并停机，实现对系统运行情况的全程监控。
[0029]图2为超声波焊接系统及装置图。超声波焊接系统及装置20至少包括超声发生器201、超声换能器202、超声变幅杆203等，超声变幅杆203安装固紧在超声换能器202上，超声换能器202连接于超声发生器201上，超声发生器201与PLC模块8相连，并由PLC模块8控制超声发生器201的运行。固紧在超声换能器202上的超声变幅杆203同时固定在焊接往复机械导轨上，在主轴伺服电机11的驱动下，根据凸轮时序带动链轮逐一实现棉线一一标签贴熔焊接、棉线滤布贴恪焊接、滤布标签贴恪焊接，并在导轨上做往复运动。棉线标签、棉线一一滤布、滤布一一标签贴焊点分别位于滤布薄膜材料的三个点，并处于同一直线上，每次贴焊的单位棉线长度约等于滤布材料的幅宽，并可根据滤布材料的幅宽进行调整。滤布材料为食品应用级无纺布、玉米纤维薄膜、无纺布等，棉线为食品应用级棉线，标签为热熔淋膜标签。超声发生器201为电流反馈式频率跟踪发生器，将220V/50HZ的交流电能转换为20?30KHz的高频电能;超声换能器202为压电式换能器，利用压电陶瓷的压电效应将其转换为同频率的轴向高频机械振动即超声波;超声变幅杆203放大超声振幅并传递给焊件即棉线、滤布、标签，在凸轮作用下在三个既定贴焊点上使变幅杆将棉线一一标签、棉线一一滤布、滤布一一标签压紧于焊接板，每秒几万次的高频超声振动使棉线、滤布、标签焊接面的分子相互摩擦撞击而熔融，实现棉线一一标签、棉线一一滤布、滤布一一标签的贴熔焊接，整个过程不足0.5秒，工效极高。超声波焊接完成后，由于温度急剧降低，分子运动瞬间降低，从而使棉线、滤布、标签接触面凝固成型，形成坚固分子链，强度及牢固度较高。
[0030]超声波焊接时不向棉线、滤布、标签输送电流，只是在静压力下将弹性振动能量转变为棉线、滤布、标签间的摩擦功、形变能以及随之有限的温升;焊接材料的融合不需要助焊剂，不会产生光、烟、水、气等额外排泄物，低碳环保，经济高效。
[0031]以上实施例的关键在于通过运用PLC、伺服驱动器和伺服电机实现四轴伺服系统的联动协调控制；即主轴伺服驱动器、滤布轴伺服驱动器、棉线轴伺服驱动器和标签轴伺服驱动器分别与主轴伺服电机、滤布轴伺服电机、棉线轴伺服电机和标签轴伺服电机对应连接;上述四个伺服电机均装配有编码器;控制装置(即PLC)控制连接各伺服驱动器;采样连接所述各编码器;并且控制连接收卷装置、放卷装置和焊接装置。其他方面的改进都可以替换为其他的现有具体手段，比如进而利用超声波技术实现线一标、线一布、布一标热熔焊接，不需要助焊剂，低碳环保，智能多功能，控制精准，安全可靠，保证成卷质量。
[0032]基于本实用新型的滤袋包材贴线贴标设备研制成功后，将填补国内四面体形或三棱锥形滤袋包装材料贴棉线和标签技术与设备的空白，使我国自行为滤袋复合包装材料贴棉线和标签成为现实。
[0033]图3为本实用新型程序控制图。PLC模块8分别与运动定位模块10、HMI模块9相连接。计算机30上安装有PLC编程软件82、HMI编程软件92和运动定位编程软件102。应用PLC编程软件82设置通信网络参数及环境，配置硬件信息，开发以梯形图为主的PLC控制程序81。应用运动定位编程软件102进行伺服驱动组2的型号设定、参数设置，开发四个伺服轴I的运动轨迹数据101JLC控制程序81和运动轨迹数据101均通过PLC CPU上的USB或RS232用户接口 29进行传输和通信，运动轨迹数据101可与PLC模块8进行数据实时交互。应用HMI编程软件92设置HMI模块型号，开发HMI界面程序91，并通过USB用户接口28下载至HMI模块9，HMI模块9通过RS232标准端口与PLC模块8连接，并进行控制参数的读取与写入。
[0034]图4所示为本实施例的控制流程图。
[0035]在整机设备通电后，系统会根据设计的自检程序对整机系统及设备状态进行自检，自检完成后会给出自检信息，若自检给出警报信息，须根据自检提示解除警报，再次进行自检。
[0036]自检无误后，在预设程序下系统对各运动轴进行原点回归，直至各轴均归零位，以此保证机械和电气零点的一致性，保护机械运动可靠性，减少操作伤害。各轴归零后，在HMI上设定各项运行参数，启动设备，则主轴首先运行，在特定时序时供送标签并进行滤布放卷，接着进行棉线定长牵弓I机标签定长裁切。
[0037]同时，在标签供送过程中利用光纤传感器进行标签检测，若PLC收到跳变信号，则系统认为标签供送正常，继续下一工序动作;若PLC收到的是常通信号，则启动缺标计数器T，若T2N(N为设定阈值)，则系统认为标签供送异常，PLC发出声光报警信号并自动停机，HMI弹出报警画面，提示人员排除警报;若T<N(N为设定阈值)，则系统认为标签供送正常，并继续下一工序动作。标签检测正常后，主轴驱动凸轮及超声波压紧装置，在链轮、导轨配合及PLC控制作用下，超声波焊接系统开始工作，在既定的三点进行棉线一一标签、棉线滤布、滤布标签的贴恪焊接，焊接过程控制在0.5秒以内。焊接完成，滤布轴进行成品滤布牵引，并供送新的滤布原料。
[0038]收卷电机在PLC、变频器控制下进行PID成品收卷成盘。也可以不收卷，而直接与下游设备如三角袋包装设备对接使用，即将焊接成品滤布直接连接于下游设备包材入料端，免去包材收卷、拆卸、安装过程，提高生产效率。
[0039]关于焊接过程的时间、标签异常的检测手段都可以根据需要采用其他的值或者手段。
[0040]以上控制系统和方法有以下优点和效果:
[0041]I)采用PLC与运动定位模块实现多伺服系统的四轴联动控制，定位精准，稳定可
A+-.罪；
[0042]2)通过HMI—键式设定滤布规格，则棉线、标签、滤布的牵引长度由程序随之自动设定，简化操作；
[0043]3)利用超声波技术实现线一标、线一布、布一标热熔焊接，不需要助焊剂，不会产生光、烟、水、气等额外排泄物，低碳环保，经济高效。
[0044]4)运行速度、点动控制可分开设定，调试维护方便；
[0045]5)传感器监控运行状态，缺标、断线、故障则自动报警停机，自动化控制程度高；
[0046]6)可与下游设备方便对接；
[0047]7)布局合理，操作便利。
[0048]本实用新型所提供的控制系统及方法，在设计过程中认真贯彻执行相应的国家标准和行业标准，使整机具有较好的可操作性、使用安全性、可维护性，运行噪声控制在相应标准规范以内。
[0049]本实用新型的最终成果形式为可销售的滤袋包材贴线标机的核心控制系统，用于滤袋复合包装材料线一标、线一布、布一标超声波焊接的全程控制，使整机运行及生产的控制精度高、可靠度好、工作效率高。将拓展完善国内袋泡茶叶包装设备的型谱体系，进一步推动四面体形或三棱锥形滤袋所需带线带标包装材料的生产制造，打破国外垄断，降低产品成本，为客户提供更加质优价廉的包装耗材，更有利于国内国际市场的开拓。
[0050]以上给出了本实用新型涉及的【具体实施方式】，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。在本实用新型给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本实用新型中的相应技术手段基本相同、实现的实用新型目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，包括控制装置、伺服电机组、伺服驱动组、收卷装置、放卷装置和焊接装置； 所述伺服电机组包括主轴伺服电机、滤布轴伺服电机、棉线伺服电机和标签轴伺服电机;伺服驱动组包括:主轴伺服驱动器、滤布轴伺服驱动器、棉线轴伺服驱动器和标签轴伺服驱动器;主轴伺服驱动器、滤布轴伺服驱动器、棉线轴伺服驱动器和标签轴伺服驱动器分别与主轴伺服电机、滤布轴伺服电机、棉线轴伺服电机和标签轴伺服电机对应连接;上述四个伺服电机均装配有编码器； 所述控制装置控制连接各伺服驱动器;采样连接所述各编码器;并且控制连接收卷装置、放卷装置和焊接装置。2.根据权利要求1所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，所述控制装置包括PLC模块、运动定位模块、智能功能模块和HMI模块;所述PLC模块运动定位模块、智能功能模块和HMI模块分别通讯连接。3.根据权利要求2所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，所述运动定位模块通过串行总线与所述四个伺服驱动器通讯连接。4.根据权利要求2所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，所述智能功能模块用于分别连接传感器、接近开关、按钮开关、断路器及接触器触点，智能功能模块包括高速计数模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块。5.根据权利要求2所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，收卷装置包括变频器和变频器控制的收卷电机，以及用于检测收卷浮动臂角度的角位移开关，所述PLC模块采样连接该角位移开关。6.根据权利要求2所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，放卷装置包括放卷电机，以及用于检测放卷电机的位置开关，所述PLC模块采样连接所述位置开关，控制连接一个用于为放卷电机供电的继电器。7.根据权利要求2所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，所述焊接装置为超声波焊接装置，包括超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，超声变幅杆安装固紧在超声换能器上，超声换能器连接于超声发生器上，超声发生器与PLC模块连接。8.根据权利要求2所述的一种滤袋包材贴线贴标的多轴伺服系统，其特征在于，还包括报警检测装置，报警检测装置连接所述PLC模块，报警检测装置用于发出报警信号。
【文档编号】G05B19/05GK205540187SQ201520962232
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年11月27日
【发明人】郑景润, 张广远, 韩东阳, 刘如磊
【申请人】凯迈(洛阳)机电有限公司