专利名称：经过改进的热引线控制设备和方法
背景技术：
用于在物品周围包装并密封塑料膜的包装机通常利用加热的引线以使膜层彼此密封且熔透所述层从而当物品通过机器时使一个物品与另一个物品分开。电流被供应至引线以将引线加热至高温从而实现密封和切割操作。由于膜在密封件周围产生的紧密收缩而导致所得的密封件具有良好并且洁净的外观，尤其在使用聚丙烯膜时情况更是如此。这种热引线通常用于形成端部密封件和侧部密封件。
当引线接触膜并执行其预期功能时，其向膜以及向周围的环境散失热量，因此电流必须被持续或连续地供应至引线以便保持适当的引线温度。
通常情况下，引线是直径为约千分之45-50英寸的电阻元件，因此使其易于出现温度积聚、疲劳和失效的问题。因此，如果被供应至引线的电流未受到适当的控制且引线温度变得过高，则引线倾向于产生断裂。例如，随着机器速度的升高，被传送至密封引线以将引线加热至适当温度的电流脉冲变得越来越频繁，直至达到使得密封系统实际上总是处于开启状态的程度。由于从被密封的膜中吸收过量热量(作为吸热装置)的速度不如热量被供应至引线的速度那么快，因此引线变得更易于产生失效。引线最终被软化、拉长并断裂。这是一种惯常出现的问题，特别是在操作者未能给予适当关注的情况下更易出现。更换引线需要在关闭机器的情况下进行，这会导致生产率的严重损失。
在美国专利No.5,597,499中，该问题的解决是通过提供对施加到密封引线上的热量脉冲的持续时间进行控制的密封引线控制系统来实现的。该专利利用了开路构型，所述开路构型基于物品数量和物品行进通过包装机的频率而对施加到密封引线上的热量进行调控。然而，这种解决方案的通用性是有限的。
美国专利申请序列号No.10/251,415通过监控密封引线的膨胀而解决该问题。该专利利用了闭路构型，所述闭路构型基于引线的长度而对施加到引线上的电流进行调控。当引线膨胀至某个阈值长度时，施加到密封引线上的电流被降低或除去。在引线已经充分冷却以便收缩至低于该阈值的长度时，施加的电流被恢复。尽管该构型代表了对现有构型的改进，但当包装机的循环速率被调节时，该构型仍需要进行调节。如果未进行这些调节，则尽管该密封引线与受到开路构型控制的密封引线相比将持续更长的时间，但仍可能由于疲劳而过早失效。
所希望的是提供一种具有闭路反馈构型的密封系统，所述密封系统检测引线的膨胀和收缩，并调节电流以便调控引线的长度从而防止其产生疲劳和失效。
结合下列描述和附图将易于理解这些和其它目的。
发明内容
本发明已经克服了现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于控制对电阻元件如密封引线的电流输入的控制系统和设备。本发明的所述系统和设备是对常规系统作出的闭路反馈变型，且利用了当密封引线受到加热时其产生的固有膨胀。所述反馈机构对所述密封引线的长度进行监控，并且响应于该监控长度而对施加到所述引线上的电流进行调节。
本发明的装置因此对所述密封引线的膨胀和收缩进行直接监控，并且例如通过利用算法如PID(比例积分微分)回路而基于所述监控长度对施加到所述密封引线上的电流进行调节。利用该技术，降低了引线应力和疲劳从而允许实现更长的引线寿命。
在优选实施例中，可变电流源包括变压器，所述变压器的次级绕组被连接至所述密封引线。通过所述次级绕组的电流由通过初级绕组的电流决定。通过比例控制电路对所述初级绕组进行调控，所述比例控制电路对输入的交变电流的占空因数进行调节。该比例控制电路的输入信号是从控制器接收到的，所述控制器的输入信号进一步是从近程传感器接收到的。所述近程传感器产生输出信号，所述输出信号是响应于所述密封引线中的膨胀和收缩量而产生的。随后利用该输出信号对所述比例控制电路进行控制，所述比例控制电路进一步确定要施加到所述密封引线上的电流量。该顺序被重复，优选以连续方式被重复，由此保持所述密封引线的长度。通过连续监控所述密封引线的长度，使得大大改进了所述引线的耐久性和寿命。
图1是根据本发明的端部密封组件的局部前视图；图2是根据本发明的端部密封组件的局部前视图，其中密封引线处于低温；图3是根据本发明的另一实施例的端部密封组件的局部前视图；图4是示出了根据本发明的代表性近程传感器的输出信号的曲线图；和图5是本发明的优选实施例的示意图。
具体实施例方式
现在参考附图，图中示出了根据本发明的一个实施例的用于包装机的端部密封组件的一部分。应该理解的是，端部密封组件是以图示性方式示出的，而本发明并不限于密封机构的任何特定位置。如图(图1)所示的顶钳(top jaw)20通常被一对相对设置的膜夹(film clamps)夹住，所述膜夹通过膜保护装配件(未示出)进行联接，所述装配件进而被联接到顶钳20上。电脉冲元件如密封引线2的一端被固定到具有引线拉伸块(未示出)的顶钳20的下侧上。密封引线2的相对移动端或悬空端在引线端子10处被联接至密封引线枢转构件1。枢转构件1在枢转点9处被枢转安装在顶钳20上，从而使所述枢转构件响应于密封引线2根据密封引线温度产生的膨胀和收缩而进行移动。检测器致动器3被安装到密封引线枢转板或枢转块1上，并朝向检测器5延伸超出枢转构件1，如图所示。致动器3优选终止于凸缘部分3A处以提供足够的表面区域从而对近程检测器5进行致动，正如下面要更详细地讨论的那样。偏置构件4如卷簧的一端被固定到致动器3上且偏置构件4的相对端被固定到顶钳20上以便保持致动器3(和枢转构件1)处于拉伸状态下，并且使致动器且因此使密封引线2沿远离引线拉伸块8的方向产生偏置。
在与致动器3隔开预定距离的位置处设置有检测器5如近程传感器。能够监控密封引线2的膨胀和收缩的其它检测器如光学检测器是适当的且位于本发明的范围内。当电流被施加到密封引线2上且密封引线2变热并产生膨胀时，通过偏置构件4的拉力和枢转构件1的枢转作用对所述膨胀进行适应性调节。结果是，枢转构件1沿顺时针方向从如图2所示的位置枢转至从图1中观察到的位置，从而朝向检测器5的传感器驱动致动器3。检测器5感测其本身与致动器3之间的距离并响应于该距离产生输出信号。在优选实施例中，产生了与检测器5和致动器3之间的距离成线性比例关系的响应，如图4所示。基于该输出信号，施加到密封引线2上的电流产生变化从而设法保持大致均匀的引线长度。因此，当检测器5的输出信号表明致动器3比所需情况还要更近(且因此使得过热)时，施加到密封引线2上的电流量被减少。现在在施加的电流减少的情况下，密封引线2冷却并收缩，且枢转构件1和致动器3沿逆时针方向被拉动，如图2所示。这增加了检测器5与致动器3之间的距离，而这进一步增加了来自检测器5的输出信号。相反，当检测器5的输出信号表明致动器3比所需情况还要更远(且因此使得过冷)时，施加的电流量被增加，由此对密封引线2进行加热。现在在施加的电流增加的情况下，密封引线2加热并膨胀，且枢转构件1和致动器3沿顺时针方向被拉动，如图1所示。这减少了检测器5与致动器3之间的距离，而这进一步减少了来自检测器5的输出信号。
确定密封引线2长度的其它装置可被使用且位于本发明的范围内。例如，代替利用如图1所示的进行枢转的枢转构件1的方式的是，可利用如图3所示的线性系统。
图3示出了致动器进行线性移动而不是进行枢转的实施例。支承块31的线性导轨30被联接至顶钳20。在该实施例中，近程开关5′被放置以便能够感测致动器3′的移动。因此，当致动器3′位于如图3所示的位置处时，密封引线2还未产生膨胀。偏置构件4′如压缩弹簧或拉伸弹簧被附接到引线拉伸块上(致动器3′也被连接到所述引线拉伸块上)并如前所述保持密封引线2处于拉伸状态。当引线2变热并膨胀时，致动器3′朝向检测器5′以线性方式行进(在图3中向左行进)。这导致近程传感器的输出信号减少，而这进一步减少了施加到密封引线2上的电流。当密封引线2冷却时，其产生收缩，致动器3′以线性方式行进远离检测器5(在图3中向右行进)。这导致近程传感器的输出信号增加，而这进一步增加了施加到密封引线2上的电流。
在另一实施例中，代替使用近程传感器方式的是，利用了电位计。在该实施例中，电位计基于转动移动而产生输出信号。电位计被放置在枢转点9处(图1)。当密封引线2的长度产生变化时，枢转构件围绕枢转点9进行转动。因此，可基于枢转构件1的转动角度确定密封引线2的长度。枢转构件1的转动移动导致电位计的输出信号产生相应的变化。该输出信号可随后以与近程传感器的输出信号相同的方式被使用，正如稍后将要进行描述地那样。本领域的技术人员将意识到，还可能利用测量密封引线长度的其它方法，且在此进行的描述不旨在将本发明仅限于这些实施例。
图5示出了用于产生施加到密封引线上的变化的电流的电路的实施例。如上所述，检测器5产生响应于密封引线长度的输出信号，所述检测器优选为近程传感器。在优选实施例中，检测器的输出信号与在致动器和检测器之间的测量距离之间存在线性关系，如图4所示。来自检测器5的该输出信号由电力供应装置90接收，所述电力供应装置响应于接收到的输入信号而产生可变的施加电流。在优选实施例中，电力供应装置90包括处理单元100、比例控制电路110、变压器120和交流(AC)电源130，下面将对这些器件中的每个器件进行更详细地描述。
处理单元100的输入信号来自检测器5，在优选实施例中，所述输入信号在0至10伏特的范围内。处理单元随后利用算法以基于该输入信号确定要施加到密封引线上的适当电流量。在最简单的实施例中，处理单元100简单地将接收到的信号传送至比例控制电路110。该方法允许对施加的电流进行连续调节，然而，其可能导致出现不稳定性、不可接受的瞬态响应或稳态误差。
在第二实施例中，处理单元100包括PID(比例积分微分)控制器。比例积分微分控制器基于三个分量产生输出信号，即与输入信号成比例的第一分量、基于输入信号的微分的第二分量以及基于输入信号的积分的第三分量。这些分量中的每个分量影响了比例积分微分控制器的输出信号。例如，微分分量增加了系统的稳定性、减轻了过调问题且改进了瞬态响应。积分分量减少了稳态误差，但增加了过调和瞬态响应。比例分量将减少输出信号的上升时间，且将减少但决不会消除稳态误差。这些分量中的每个分量具有相关联的增益，如果该特定分量未被用于产生输出信号，则所述增益包括零值。对这些增益值的调节影响了比例积分微分控制器的所得输出信号。本领域的技术人员易于理解可通过经验方式或通过利用本领域目前可得的其中一个模拟工具而对这些增益进行优化以适于特定应用。
本领域的技术人员易于理解存在比例积分微分控制器的多个实施例。在优选实施例中，PLC或者说可编程逻辑控制器被用于实施该功能。在另一可选实施例中，利用的是离散比例积分微分控制器如由Gefran制造的那些控制器。当对已有机器进行改型翻新时，该可选实施例尤其有用。
比例控制电路110接收由处理单元100产生的输出信号。比例控制电路被串联在变压器120与交流电源130之间。比例控制电路通过调控变压器的占空因数而起到对通过变压器120的初级绕组的电流进行控制的作用。简言之，来自电压源130的电流波形通常是正弦波。比例控制电路110通过将该输入信号的仅一部分传送至初级绕组而对该正弦输入信号进行修正。为了做到这一点，比例控制电路110将输入波形分成小的时段。在每个时段期间，电路110允许输入信号在占特定百分比的时间期间通过，而在该时段的其余时间期间则禁止所述输入信号通过。100％的占空因数表示输入信号在不变的情况下被传送至初级绕组，而0％的占空因数表示没有输入信号被传送至初级绕组。50％的占空因数表示输入信号在每个时段的50％的时间期间被传送至初级绕组。在优选实施例中，处理单元的输出信号与所需占空因数成线性比例关系。因此，如果来自处理单元110的输出信号在0至10伏特的范围内，则占空因数将等于接收到的电压乘以10。例如，来自处理单元100的4伏特的输出信号将导致比例控制电路利用40％的占空因数。尽管该线性关系是优选的关系，但同样可应用其它实施例且本发明不限于该实施例。
通过以这种方式对输入电流波形进行调制，使得通过变压器120的初级绕组的平均电流受到控制。此外，正如所有变压器的真实情况那样，通过初级绕组的电流与通过次级绕组的电流成正比关系。因此，使通过初级绕组的电流产生的变化在施加到被连接至次级绕组的密封引线2上的电流中产生了相似的变化。
可选地，可视参考装置140如安培计可被串联地插置在变压器120与密封引线2之间从而为操作者提供对于通过密封引线的电流量的指示。
在优选实施例中，检测器5对密封引线2的长度进行连续监控，且处理单元100对施加到密封引线2上的电流进行连续调节。在另一可选实施例中，通过处理单元100以规则的时间间隔对由检测器5产生的输出信号进行采样，所述处理单元随后以规则的时间间隔产生并传送其输出信号。因此，代替获得来自处理单元100的连续可变输出信号的是，获得了在离散的时间点处产生的输出信号，所述在离散的时间点处产生的输出信号被用于控制施加到密封引线2上的电流。处理单元对来自检测器的输入所述处理单元的输入信号进行采样并产生所述处理单元的输出信号的频率基于系统的实施方式。本发明并不限于该采样频率且既可应用于连续采样系统也可应用于离散采样系统。
在优选实施例中，枢转构件和偏置构件能够补偿密封引线中产生的约1英寸的膨胀和收缩量。例如，0.0英寸的膨胀量代表冷引线，而1英寸的膨胀量代表最大程度加热的密封引线。膨胀长度与引线的温度成比例关系。控制器具有默认的引线膨胀量设置，如1/2″膨胀量。系统将随后对引线的长度进行监控并对施加到引线上的电流进行调节从而使密封引线的长度保持该所需长度。因此，通过监控密封引线的实际长度与所需长度之间的差别，可通过利用本发明对施加到密封引线上的电流进行适当控制而使引线的长度保持在约1/8″的所需值内。
本发明能够在多种不同级别的密封运行中保持该公差。例如，当密封引线被用于在高速下进行密封时，由于密封材料如塑料与密封引线之间直接接触的时间量而使所述密封材料为所述密封引线提供了吸热装置。由于密封材料从密封引线中吸收热量，密封引线冷却并因此产生收缩。本发明检测该收缩并适当地增加施加到密封引线上的电流从而恢复所需长度。相反，当在低速下进行密封操作时，由于密封材料与密封引线的接触远没有那么频繁，因此减轻了密封材料用作吸热装置的效应。因此，引线将加热并开始膨胀。同样地，本发明检测该膨胀并适当地减少施加到密封引线上的电流。由于闭路控制系统的原因，因此本发明可进行自动调节以改变密封运行的级别。
配备有本发明的机器的操作者可通过将比例积分微分控制器的名义设置调节到提供了就强度和外观方面而言适当的密封件的值而可选地改变默认设置参数。一旦确定了该可调设置，则不论速度如何机器都不再需要进行进一步调节，这是因为闭路控制将确保恒定的长度和温度。
上面的描述指的是机器在运行状态下进行密封操作时所使用的比例积分微分控制器的设置的优化方式。除了该设置以外，可选地，还可能对机器停置期间密封引线的长度进行控制且因此对所述密封引线的温度进行控制。
在第一实施例中，比例积分微分控制器包括单组设置。因此，无论机器是在运行状态下进行密封工艺或是处于停置状态，都将使密封引线保持相同的长度且因此保持相同的温度。
在第二实施例中，在机器停置期间利用第二组比例积分微分控制器设置。例如，控制器可基于预定的停置时间或输送带的停置状态而检测出机器处于闲置状态。基于该信息，机器自动切换至第二比例积分微分控制器设置。该第二设置通常低于运行状态的设置且用于使引线的疲劳最小化并改进瞬态响应。在该实施例中，在检测机器的停置状态时，控制器采用第二设置。当机器再次进行密封操作时，机器则切换至先前的优化设置。可利用多种不同机构产生第二组比例积分微分控制器设置。
在一个实施例中，比例积分微分控制器尤其是在机器停置期间使用时保持第二组预定值。在检测停置状态时，比例积分微分控制器利用该第二组值使密封引线保持适当长度并因此保持适当温度。
在另一实施例中，使用者能够限定在机器停置期间要使用的第二组值。使用者可因此确定在机器停置期间密封引线将要保持的温度。该选择是基于多种因素如引线疲劳、达到运行温度的时间以及其它因素作出的。
可简单地通过添加外部比例积分微分控制器、致动器、检测器以及适当的电路以对电源进行改型从而易于利用本发明对现有设备进行改型翻新。
权利要求
1.一种控制电阻加热元件的温度的方法，所述方法包括监控所述元件的长度；基于所述元件的所需长度与所述监控的长度之间的差别确定要施加到所述元件上的电流；并且将所述确定的电流施加到所述元件上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中利用比例积分微分控制回路实施所述确定所述电流的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中以连续的方式重复所述监控、确定和施加的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中以预定的采样间隔重复所述监控、确定和施加的步骤。
5.用于控制电阻加热元件的温度的设备，所述设备包括被安装到活动构件上的具有固定部分和活动部分的电阻加热元件，所述活动构件适于响应于所述元件的膨胀和收缩而产生移动；用于检测所述活动构件的移动的检测器；和响应于所述检测到的移动将可变电流供应至所述元件的电力供应装置。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述检测器响应于所述活动构件的所述移动而形成第一电信号。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述电力供应装置适于接收所述第一电信号并响应于所述第一电信号对施加到所述构件上的所述电流进行调节。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述电力供应装置包括控制器，其中所述控制器适于接收所述第一电信号并响应于所述第一电信号产生第二电信号。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述电力供应装置进一步包括具有初级绕组和次级绕组的变压器、交流电压源和电路，所述电路被串联地插置在所述电压源与所述初级绕组之间且适于响应于所述第二电信号改变所述电压源的占空因数。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制器利用比例积分微分控制回路产生所述第二电信号。
11.用于密封热塑性膜的具有包括密封引线的至少一个密封钳的设备，所述设备包括用于监控所述密封引线的膨胀和收缩的检测装置；用于将可变电流供应至所述密封引线的装置，供应的所述电流量是响应于所述检测装置被供应的。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述用于供应电力的装置包括控制器，其中所述控制器适于接收来自所述检测装置的输出信号并响应于所述输出信号产生电信号。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述电力供应装置进一步包括具有初级绕组和次级绕组的变压器、交流电压源和电路，所述电路被串联地插置在所述电压源与所述初级绕组之间且适于响应于所述电信号改变所述电压源的占空因数。
全文摘要
用于控制对电阻元件如密封引线(2)的电流输入的控制系统和设备。本发明的所述系统和设备是对常规系统作出的闭路反馈变型，且利用了当密封引线(2)受到加热时其产生的固有膨胀。所述反馈机构对所述密封引线的长度进行监控，并且响应于该监控长度而对施加到所述引线上的电流进行调节。电脉冲元件如密封引线(2)的一端被固定到具有引线拉伸块的顶钳(20)的下侧上。密封引线(2)的相对移动端或悬空端在引线端子(10)处被联接到密封引线枢转构件(1)上。枢转构件(1)在枢转点(9)处被枢转安装在所述顶钳(20)上，从而使所述枢转构件响应于所述密封引线(2)根据所述密封引线温度产生的膨胀和收缩而进行移动。检测器致动器(3)被安装到所述密封引线的枢转板或枢转块(1)上，并朝向检测器(5)延伸超出所述枢转构件(1)。
文档编号H05B1/00GK101095373SQ200580045712
公开日2007年12月26日 申请日期2005年8月23日 优先权日2004年11月2日
发明者M·A·卡林诺夫斯基 申请人:香克林公司