三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现
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三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现———于镭，卫光
三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现
于 镭，卫 光
（ 青岛科技大学，山东 青岛 266042）
摘要： 介绍了目前新型三伺服枕式包装机的工作过程及其能够实现的特有功能电子防切； 通过阐述 错位传感器的检测原理和电子防切技术的控制算法，实现三伺服枕式包装机的电子防切功能。通过实 际应用达到了设计要求，得到了用户的一致好评。
［4］ 余新旸． 大容量高精度全自动灌装设备的研制［J］． 包装与食品机械，2012，30（ 2） ： 38 － 40．
［5］ 阳斌． 伺服技术在枕式装机中的应用［J］． 食品与机 械，2005，21（ 3） ： 49 － 52．
［6］ 丁宇莉，刘巨保，武铜柱，等． 基于三维模型的立式拱 顶储罐应力分析与弱顶影响因素分析［J］． 压力容 器，2011，28（ 12） ： 11 － 17．
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图 3 物料错位示意图
错位传感器检测物料的前沿和后沿，判断切料 的位置是首先要考虑的问题。如图 4 所示为切物
三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现———于镭，卫光
料示意图，假设横封刀刚好切在物料的前沿，那么
需要计算此时 X 的大小，即 EC 的距离。根据直角
三角形的公式，即可求得 X 。设横封刀半径为 R ，
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包装与食品机械 2012 年第 30 卷第 3 期
图 1 为新型三伺服枕式自动包装机示意图。 从图中看到，三伺服枕式自动包装机的横封切断 辊刀、包装膜轴和卸料传送带、送料拨叉轴分别由 单独 的 伺 服 电 机 作 为 动 力，集 自 动 送 料、包 装 物 品、封口、切断于一体，是一种高效率的连续式的 包装机。此包装机已被广泛用于食品、肥皂、药品 等产品的自动包装上。新型三伺服自动包装机控 制系统的重点和难点在于三轴的位置及速度同步 补偿以及凸轮运动的实现［2 － 4］。
Key words： three-servo pillow packaging machine； electronic anti-cutting function； control-algorithm
0 引言
枕式包装机在我国的应用开始于 20 世纪 90 年代初，随着食品工业的高速发展，以及规模化、 现代化生产方式的普及，对枕式包装机的自动化、 智能化水平 提 出 了 更 高 的 要 求［1］。 枕 式 包 装 机 采用三伺服控制方案，可以使控制更加方便、机械 结构大大简化，满足包装行业对自动包装机各种 性能的要求。
3 错位传感器的安装要求
图 2 横封加工过程图
两轴对滚时，被加热的热封头压向两块包装 物之间的间隙，包装薄膜被热封。由于热封头的 中间装有切刀，使得包装薄膜材料被热封的同时 被切断，成为包装成品。 4． 2 物料错位算法实现
如图 3 所示为物料错位示意图。电子防切的 功能就是提前将错位物料检测出来。切料的位置 不在热封点上，而是在热封点之前的一定位置上。 所以，在横封之前判断是否切料，是整个电子防切 功能的关键。
EF
=
L 2cosθ
（ 2）
由式（ 1） 和（ 2） 可得
Fra Baidu bibliotek
X
=
EC
=
CF
－
EF
=
（
R
－
W 2
）
tanθ
－
L 2cosθ
（
3）
因此，根据上述公式推导，可以求得横封刀在
点 Q 时的位置。则能判断横封刀在点 Q 位置到
点 B 位置上为切物料范围。
5 三轴同步处理错位物料
错位物料 判 断 完 成 后，对 错 位 物 料 进 行 处 理； 通过前面错位判断当错位物料走到横封时， 横封刀停 止 运 动，膜 轴 与 送 料 轴 电 机 以 同 步 速 度继续运 行 两 个 袋 长 的 距 离，把 错 位 物 料 让 过 横 封 ，当 三 轴 位 置 重 新 到 达 协 调 位 置 ，此 时 三 轴 同时启 动 继 续 正 常 的 包 装 过 程。注 意，横 封 停 止时一对 横 封 刀 应 在 水 平 位 置，这 样 便 于 物 料 从上下 横 封 刀 之 间 顺 利 让 过 去。在 此，还 应 注 意两个问题： 一是出现多错位或隔错位时，需要 标 记 错 位 物 料 ，当 出 现 连 续 多 错 位 的 情 况 ，此 时 包装机 的 触 摸 屏 报 警 画 面 的 错 位 报 警 灯 会 提 示 ，同 时 主 画 面 弹 出 报 警 提 示 对 话 框 ，以 便 操 作 人员及时排除问题； 二是在高速装时出现错位 物 料 ，需 要 逐 级 变 速 停 止 横 封 刀 ，使 得 电 机 的 加 减速响应曲线平滑稳定。
当错位检测传感器检测物料后，经过判断切 料，那么控制系统就要对错位物料进行处理，将错 位物料让过去而不切料，所以对于错位物料的处 理，是电子防切功能实现的另一个关键问题。
错位检测 传 感 器 安 装 在 成 型 器 与 横 封 刀 之 间。安装要求： 传感器到横封之间的距离尽量远， 在靠近成型器的地方，保证系统在高速运行时，从 检测错位到横封刀停止转动有充分的调整时间。 同时注意物料错位时需要让一包，因为一旦有一 个物料错位，将影响到两包产品，因为两个产品不 能包装成型。这也是为什么需要传感器检测物料 前后沿的原因，就是判断切物的前沿还是切物的 后沿。
物料个高度为 W ，则 BC 为半个物料长度为 W /2 。
横封刀宽为 L ，此时横封刀相对于热封点的夹角为
θ ，即 ∠QOC 。那么在直角 ΔFOC 中：
CF
=
（
R
－
W 2
）
tanθ
（ 1）
由 三 角 形 之 间 的 关 系，不 难 得 到 ∠QEC
= ∠QOC = θ 。
在直角 ΔFQE 中，得
［7］ 耿爱农，肖容美，李率沫，等． 双联平动转子式压缩机 的结构探讨［J］． 流体机械，2011，39（ 8） ： 51 － 53．
65
参考文献：
图 4 切物料示意图
测量出错位检测传感器到热封点距离，根据 式（ 3） 中求得 X ，那么传感器到切物点之间的距 离为两者之差，除以袋长取整为 N ，即这段距离 上有 N 个袋长。由错位传感器触发时触发中断， 中断服务函数中读取当前横封刀电机的编码器数 值。在进行切物判断时，根据上述求得的距离以 及当前的加工速度，即可求得物料走过这段距离 所用的时间 t ，通过计算可得横封刀从读取位置 开始，在时间 t 内运行到哪个位置，将横封刀位置 与上述的切物料，位置范围进行比较，再结合 N 值，即可在横封之前判断是否切物。这一步为错 位物料处理奠定了良好的基础［6 － 7］。
6 结束语
新型三伺服枕式包装机中电子防切功能的 使 用 ，有 效 的 保 护 了 横 封 刀 和 包 装 产 品 ，即 使 错 位 也 无 须 停 车 调 整 ，提 高 了 生 产 线 的 包 装 效 率 。 通过现场 调 试，对 程 序 中 出 现 的 逻 辑 问 题 进 行 改 进 后 ，目 前 得 到 了 良 好 的 应 用 ，受 到 了 用 户 的 一致好评。
关键词： 三伺服枕式包装机； 电子防切； 控制算法 中图分类号： TB486． 02 文献标识码： A 文章编号： 1005 － 1295（ 2012） 03 － 0063 － 03 doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 1295． 2012． 03． 016
Electronic Anti-cutting Function and Control-algorithm Realization of Three-servo Pillow Packaging Machine
1 三伺服枕式包装机
图 1 三伺服自动包装机示意图 1、2 － 自动接膜传感器 3 － 挂纸辊 4 － 空包检测传感器
5 － 物料 6 － 色标传感器 7 － 制袋成型器 8 － 电子防切传感器 9 － 横封切断辊刀 10 － 包装成品
11 － 拨叉 12 － 拨叉传感器 13 － 供料传送链 14 － 物料伺服电机 15、16、17 － 减速器 18 － 纵封轮
YU Lei，WEI Guang （ Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China）
Abstract： The paper introduced the procession of new model of three-servo packaging machine and its unique features electronic anti-cutting function． By elaborating the principle of error-sensor and the electronic anti-cutting technology controlling algorithm，realized the electronic anti-cutting technology of three-servo packaging machine． At last the machine meets the design requirement and customs need through the practice．
电子防切功能又称包装物错位端封不切功 能［5］，是指物 料 进 入 成 型 器 中 与 通 过 纵 封 的 包 装膜一起 运 动，在 运 动 过 程 中 错 位 检 测 传 感 器 提前检测 物 料 是 否 能 被 横 封 刀 切 上，如 果 判 断 能 切 到 物 料 ，则 横 封 刀 停 止 在 水 平 位 置 ，而 包 装 膜与送料 轴 继 续 运 动，直 到 把 错 位 物 料 送 出 横 封，系统自 动 开 车 进 入 到 正 常 运 行 的 包 装 过 程 的功能。错位检测传感器采用透过式传感器， 要求能通过包装塑料薄膜检测到包装物料的前 沿 和 后 沿 ，从 而 避 免 横 封 刀 机 械 损 伤 ，不 用 停 车 处理错位 物 料，提 高 了 包 装 机 的 生 产 效 率 以 及 自动化水平。
［1］ 周晖，李兴根． 基于 W77E 58 单片机的枕式包装机 控制系统的设计［J］． 轻工机械，2006，24（ 3） ： 97．
［2］ 于镭，常军，黄存柱． 基于 DSP 的自动装机控制系统 的软件设计［J］． 微型机与应用，2010，29（ 1） ： 3 － 5．
［3］ 苗辉，戴庆辉，孙敬敬． 双秤定量包装机控制系统分 析［J］． 包装与食品机械，2012，30（ 1） ： 34 － 36．
4 电子防切控制算法的实现
4． 1 横封加工过程 横封是枕式自动包装机的一道重要工序。它
通常位于纵封工序的后面，作用是使填充了物料 并经过纵封的袋子横向密封并切断。横封通常安 装在一副对滚轴上，如图 2 所示为横封加工过程 图。
2 电子防切功能
电子防切功能是新型三伺服包装机中的特色 功能之一，该功能的实现，充分体现了通用运动控 制器功能强大、智能化水平高、应用广泛。它不但 提高了包装效率，而且在包装刚性材质的物料时， 能保护其横封刀免受机械损伤。因此，电子防切 功能对整个自动包装机的应用来说是一个不可或 缺的功能。
19 － 包装膜伺服电机 20 － 横封伺服电机
收稿日期： 2012 － 04 － 23； 修稿日期： 2012 － 05 － 08 作者简介： 于镭（ 1969 － ） ，男，汉，副教授，硕士生导师，研究方向为视觉机器人、数字伺服系统，通信地址： 266042 山东青岛市郑州路 53
号 青岛科技大学（ 四方校区） 自动化学院，E － mail： weiguang1982@ 126． com。
三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现
于 镭，卫 光
（ 青岛科技大学，山东 青岛 266042）
摘要： 介绍了目前新型三伺服枕式包装机的工作过程及其能够实现的特有功能电子防切； 通过阐述 错位传感器的检测原理和电子防切技术的控制算法，实现三伺服枕式包装机的电子防切功能。通过实 际应用达到了设计要求，得到了用户的一致好评。
［4］ 余新旸． 大容量高精度全自动灌装设备的研制［J］． 包装与食品机械，2012，30（ 2） ： 38 － 40．
［5］ 阳斌． 伺服技术在枕式装机中的应用［J］． 食品与机 械，2005，21（ 3） ： 49 － 52．
［6］ 丁宇莉，刘巨保，武铜柱，等． 基于三维模型的立式拱 顶储罐应力分析与弱顶影响因素分析［J］． 压力容 器，2011，28（ 12） ： 11 － 17．
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图 3 物料错位示意图
错位传感器检测物料的前沿和后沿，判断切料 的位置是首先要考虑的问题。如图 4 所示为切物
三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现———于镭，卫光
料示意图，假设横封刀刚好切在物料的前沿，那么
需要计算此时 X 的大小，即 EC 的距离。根据直角
三角形的公式，即可求得 X 。设横封刀半径为 R ，
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包装与食品机械 2012 年第 30 卷第 3 期
图 1 为新型三伺服枕式自动包装机示意图。 从图中看到，三伺服枕式自动包装机的横封切断 辊刀、包装膜轴和卸料传送带、送料拨叉轴分别由 单独 的 伺 服 电 机 作 为 动 力，集 自 动 送 料、包 装 物 品、封口、切断于一体，是一种高效率的连续式的 包装机。此包装机已被广泛用于食品、肥皂、药品 等产品的自动包装上。新型三伺服自动包装机控 制系统的重点和难点在于三轴的位置及速度同步 补偿以及凸轮运动的实现［2 － 4］。
Key words： three-servo pillow packaging machine； electronic anti-cutting function； control-algorithm
0 引言
枕式包装机在我国的应用开始于 20 世纪 90 年代初，随着食品工业的高速发展，以及规模化、 现代化生产方式的普及，对枕式包装机的自动化、 智能化水平 提 出 了 更 高 的 要 求［1］。 枕 式 包 装 机 采用三伺服控制方案，可以使控制更加方便、机械 结构大大简化，满足包装行业对自动包装机各种 性能的要求。
3 错位传感器的安装要求
图 2 横封加工过程图
两轴对滚时，被加热的热封头压向两块包装 物之间的间隙，包装薄膜被热封。由于热封头的 中间装有切刀，使得包装薄膜材料被热封的同时 被切断，成为包装成品。 4． 2 物料错位算法实现
如图 3 所示为物料错位示意图。电子防切的 功能就是提前将错位物料检测出来。切料的位置 不在热封点上，而是在热封点之前的一定位置上。 所以，在横封之前判断是否切料，是整个电子防切 功能的关键。
EF
=
L 2cosθ
（ 2）
由式（ 1） 和（ 2） 可得
Fra Baidu bibliotek
X
=
EC
=
CF
－
EF
=
（
R
－
W 2
）
tanθ
－
L 2cosθ
（
3）
因此，根据上述公式推导，可以求得横封刀在
点 Q 时的位置。则能判断横封刀在点 Q 位置到
点 B 位置上为切物料范围。
5 三轴同步处理错位物料
错位物料 判 断 完 成 后，对 错 位 物 料 进 行 处 理； 通过前面错位判断当错位物料走到横封时， 横封刀停 止 运 动，膜 轴 与 送 料 轴 电 机 以 同 步 速 度继续运 行 两 个 袋 长 的 距 离，把 错 位 物 料 让 过 横 封 ，当 三 轴 位 置 重 新 到 达 协 调 位 置 ，此 时 三 轴 同时启 动 继 续 正 常 的 包 装 过 程。注 意，横 封 停 止时一对 横 封 刀 应 在 水 平 位 置，这 样 便 于 物 料 从上下 横 封 刀 之 间 顺 利 让 过 去。在 此，还 应 注 意两个问题： 一是出现多错位或隔错位时，需要 标 记 错 位 物 料 ，当 出 现 连 续 多 错 位 的 情 况 ，此 时 包装机 的 触 摸 屏 报 警 画 面 的 错 位 报 警 灯 会 提 示 ，同 时 主 画 面 弹 出 报 警 提 示 对 话 框 ，以 便 操 作 人员及时排除问题； 二是在高速装时出现错位 物 料 ，需 要 逐 级 变 速 停 止 横 封 刀 ，使 得 电 机 的 加 减速响应曲线平滑稳定。
当错位检测传感器检测物料后，经过判断切 料，那么控制系统就要对错位物料进行处理，将错 位物料让过去而不切料，所以对于错位物料的处 理，是电子防切功能实现的另一个关键问题。
错位检测 传 感 器 安 装 在 成 型 器 与 横 封 刀 之 间。安装要求： 传感器到横封之间的距离尽量远， 在靠近成型器的地方，保证系统在高速运行时，从 检测错位到横封刀停止转动有充分的调整时间。 同时注意物料错位时需要让一包，因为一旦有一 个物料错位，将影响到两包产品，因为两个产品不 能包装成型。这也是为什么需要传感器检测物料 前后沿的原因，就是判断切物的前沿还是切物的 后沿。
物料个高度为 W ，则 BC 为半个物料长度为 W /2 。
横封刀宽为 L ，此时横封刀相对于热封点的夹角为
θ ，即 ∠QOC 。那么在直角 ΔFOC 中：
CF
=
（
R
－
W 2
）
tanθ
（ 1）
由 三 角 形 之 间 的 关 系，不 难 得 到 ∠QEC
= ∠QOC = θ 。
在直角 ΔFQE 中，得
［7］ 耿爱农，肖容美，李率沫，等． 双联平动转子式压缩机 的结构探讨［J］． 流体机械，2011，39（ 8） ： 51 － 53．
65
参考文献：
图 4 切物料示意图
测量出错位检测传感器到热封点距离，根据 式（ 3） 中求得 X ，那么传感器到切物点之间的距 离为两者之差，除以袋长取整为 N ，即这段距离 上有 N 个袋长。由错位传感器触发时触发中断， 中断服务函数中读取当前横封刀电机的编码器数 值。在进行切物判断时，根据上述求得的距离以 及当前的加工速度，即可求得物料走过这段距离 所用的时间 t ，通过计算可得横封刀从读取位置 开始，在时间 t 内运行到哪个位置，将横封刀位置 与上述的切物料，位置范围进行比较，再结合 N 值，即可在横封之前判断是否切物。这一步为错 位物料处理奠定了良好的基础［6 － 7］。
6 结束语
新型三伺服枕式包装机中电子防切功能的 使 用 ，有 效 的 保 护 了 横 封 刀 和 包 装 产 品 ，即 使 错 位 也 无 须 停 车 调 整 ，提 高 了 生 产 线 的 包 装 效 率 。 通过现场 调 试，对 程 序 中 出 现 的 逻 辑 问 题 进 行 改 进 后 ，目 前 得 到 了 良 好 的 应 用 ，受 到 了 用 户 的 一致好评。
关键词： 三伺服枕式包装机； 电子防切； 控制算法 中图分类号： TB486． 02 文献标识码： A 文章编号： 1005 － 1295（ 2012） 03 － 0063 － 03 doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 1295． 2012． 03． 016
Electronic Anti-cutting Function and Control-algorithm Realization of Three-servo Pillow Packaging Machine
1 三伺服枕式包装机
图 1 三伺服自动包装机示意图 1、2 － 自动接膜传感器 3 － 挂纸辊 4 － 空包检测传感器
5 － 物料 6 － 色标传感器 7 － 制袋成型器 8 － 电子防切传感器 9 － 横封切断辊刀 10 － 包装成品
11 － 拨叉 12 － 拨叉传感器 13 － 供料传送链 14 － 物料伺服电机 15、16、17 － 减速器 18 － 纵封轮
YU Lei，WEI Guang （ Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China）
Abstract： The paper introduced the procession of new model of three-servo packaging machine and its unique features electronic anti-cutting function． By elaborating the principle of error-sensor and the electronic anti-cutting technology controlling algorithm，realized the electronic anti-cutting technology of three-servo packaging machine． At last the machine meets the design requirement and customs need through the practice．
电子防切功能又称包装物错位端封不切功 能［5］，是指物 料 进 入 成 型 器 中 与 通 过 纵 封 的 包 装膜一起 运 动，在 运 动 过 程 中 错 位 检 测 传 感 器 提前检测 物 料 是 否 能 被 横 封 刀 切 上，如 果 判 断 能 切 到 物 料 ，则 横 封 刀 停 止 在 水 平 位 置 ，而 包 装 膜与送料 轴 继 续 运 动，直 到 把 错 位 物 料 送 出 横 封，系统自 动 开 车 进 入 到 正 常 运 行 的 包 装 过 程 的功能。错位检测传感器采用透过式传感器， 要求能通过包装塑料薄膜检测到包装物料的前 沿 和 后 沿 ，从 而 避 免 横 封 刀 机 械 损 伤 ，不 用 停 车 处理错位 物 料，提 高 了 包 装 机 的 生 产 效 率 以 及 自动化水平。
［1］ 周晖，李兴根． 基于 W77E 58 单片机的枕式包装机 控制系统的设计［J］． 轻工机械，2006，24（ 3） ： 97．
［2］ 于镭，常军，黄存柱． 基于 DSP 的自动装机控制系统 的软件设计［J］． 微型机与应用，2010，29（ 1） ： 3 － 5．
［3］ 苗辉，戴庆辉，孙敬敬． 双秤定量包装机控制系统分 析［J］． 包装与食品机械，2012，30（ 1） ： 34 － 36．
4 电子防切控制算法的实现
4． 1 横封加工过程 横封是枕式自动包装机的一道重要工序。它
通常位于纵封工序的后面，作用是使填充了物料 并经过纵封的袋子横向密封并切断。横封通常安 装在一副对滚轴上，如图 2 所示为横封加工过程 图。
2 电子防切功能
电子防切功能是新型三伺服包装机中的特色 功能之一，该功能的实现，充分体现了通用运动控 制器功能强大、智能化水平高、应用广泛。它不但 提高了包装效率，而且在包装刚性材质的物料时， 能保护其横封刀免受机械损伤。因此，电子防切 功能对整个自动包装机的应用来说是一个不可或 缺的功能。
19 － 包装膜伺服电机 20 － 横封伺服电机
收稿日期： 2012 － 04 － 23； 修稿日期： 2012 － 05 － 08 作者简介： 于镭（ 1969 － ） ，男，汉，副教授，硕士生导师，研究方向为视觉机器人、数字伺服系统，通信地址： 266042 山东青岛市郑州路 53
号 青岛科技大学（ 四方校区） 自动化学院，E － mail： weiguang1982@ 126． com。