1 卷煙包裝機 項目設計方案 1. 緒論 題背景及研究意義 在卷煙廠制造香煙的自動化生產過程中，撕帶包裝是香煙包裝過程中的重要的組成部分。 撕帶的供給速度要時刻隨著整機運行速度的改變而改變，時刻與整機的運行同步。此環(huán)節(jié)的運行是否正常直接關系到整個包裝流程是否能順利的進行，關系到生產效率和產品的包裝質量。香煙包裝是香煙生產的重要環(huán)節(jié)，鋁箔紙包裝、商標紙包裝、撕帶與透明膜包裝、條盒包裝等過程。其中撕帶包裝的作用是為了使煙包美觀、增加防偽標識以及給消費者查封煙包時帶來方便。在傳統(tǒng)的撕帶供給系統(tǒng)中，主電機通過機械 傳動機構驅動機器上包括撕帶傳輸供給機構的各個相關部分運轉。撕帶傳輸供給機構的運轉速度與主電機的運轉速度成正比，實現(xiàn)了包裝與撕帶供給的同步。但這都存在著難以避免的缺陷：機械傳動裝置體積大，結構復雜，運行噪音大 , 隨著時間的推移，由于機械零件的磨損，同步機械傳動裝置在運行中易產生誤差積累，使撕帶的供給與整機的運行在同步上產生偏差，撕帶受力發(fā)生變化，從而影響產品的包裝質量，有時還會出現(xiàn)撕帶斷開的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在機器啟動、急停等情況下表現(xiàn)得尤為明顯，嚴重影響了生產的正常進行。這對于時間就是效益的卷煙廠來說是無法接受 的。鑒于上述原因，許多卷煙廠迫切要求改進撕帶傳輸供給機構，以克服上述影響生產的不良因素，確保包裝生產的正常進行。設計出一套運行穩(wěn)定可靠、實用的撕帶供給控制系統(tǒng)，已成為一項重要課題。 究步驟、方法 第一：根據(jù)所選的題進行理論知識的收據(jù)， 研究題目所涉及到的內容，能夠較好的掌握有關題目的知識。 第二：收集與所選題相關的硬件資料，并確定各個部分所需要的各種芯片。 第三：根據(jù)課題要求，提出大體系統(tǒng)框架，并在框架的基礎上畫總體的原理圖。 第四：確定以單片機為核心的硬件電路圖，并實現(xiàn)各種芯片與單片機間的通信。 第五：根據(jù)系統(tǒng)控制過程完成 軟件設計部分 ， 繪制出主流程圖及各個子流程圖。 第六：調試軟件，使系統(tǒng)軟件與硬件和結合，根據(jù)試驗結果撰寫論文。 2 2 方案論證 統(tǒng)原理 按照設計方案所設計的撕帶傳輸供給系統(tǒng)的工作原理如下： 運用脈沖寬度調制（ 術設計所產生的信號去驅動電動機，并用電動機驅動撕帶軸轉動，實現(xiàn)撕帶的主動供給。撕帶電機的轉速由撕帶供給控制單元及驅動單元進行控制。主驅動電機上的測速發(fā)電機信號的大小是包裝機運行速度的直接反應，可將該信號進行處理并送入控制單元作為撕帶電機的同步轉速給定信號。 控制單元以單片計算機為核心組成調速系統(tǒng)，單片機對撕帶電機的轉速給定信號及轉速和電流反饋信號進行處理、運算，最終輸出 動單元根據(jù)控制信號的大小驅動撕帶電機以一定的轉速轉動，即可實現(xiàn)撕帶電機穩(wěn)定運行并快速跟隨整機的運行速度，達到撕帶供給與整機運行同步的目的。 以上是撕帶供給控制系統(tǒng)的總體設計方案，系統(tǒng)的主要職能是控制撕帶電機的轉動速度?？蓪⑾到y(tǒng)從各部分結構功能上劃分為外圍檢測與執(zhí)行元件和內部控制系統(tǒng)兩大部分。 統(tǒng)框圖 圖 1 系統(tǒng)框圖 - + 控制單元 驅動單元 主電機的測速發(fā)電機 M G 撕帶輪及撕帶系統(tǒng) 3 3 硬件設計 帶電機的選用 在包裝過程中，當出現(xiàn)包裝機本身必要的輔助材料銜接以及連續(xù)剔除不合格煙包的情況時，機器需要自動降速運行 ;上游機原料及半成品供應不連續(xù)時，包裝速度也要自動適時調節(jié)甚至短暫停機 ;包裝機運行時，若出現(xiàn)故障需要立即停機 ;等等。因此包裝機的運行速度并非固定不變，有時波動性很大。為了保證撕帶供給與包裝同步，要求撕帶電機必須滿足以下要求 : 響應速度快 撕帶電機必須能夠以足夠的精度快速跟蹤整機的運行速度。 性能穩(wěn)定 要求撕帶電機調速范圍寬，尤其要求低速特性穩(wěn)定 。 根據(jù)以上設計要求，應以伺服電機為選擇對象 : 伺服電機可分為直流和交流兩類。和相應的普通電動機相比，在基本原理和 結構上沒有特別明顯的差別。但由于是伺服元件，所以伺服電動機和普通電動機在性能要求上截然不同。伺服電動機有靈敏度高 (電動機始動電壓小 )、動態(tài)響應快 (機械時間常數(shù)和電磁時間常數(shù)小 )、機械特性和調節(jié)特性線性度高等控制性能。直流伺服電機由直流電源供電，是靠電樞電流與主磁場作用產生電磁轉矩，使電機旋轉。直流類電動機具有優(yōu)良的控制特性，控制方法經濟實用。直流伺服電機的調速和控制性能優(yōu)異，轉速選擇范圍 寬，因此直流伺服電機主要用于需要速度控制的高性能電力拖動和伺服控制方面，廣泛應用在寬調速系統(tǒng)和精確控制系統(tǒng)中，它有以下特點 : i. 穩(wěn)定性好 直流伺服電機具有下垂的機械特性，能在較寬的速度范圍內穩(wěn)定運行。 直流伺服電機具有線性的調節(jié)性能，能使轉速正比于控制電壓的大小 ;轉向取決于控制電壓的極性 :控制電壓為零時，轉子慣性很小，能立即停止轉動。 控制信號增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電機能快速起動、快速增速、快速減速和快速 停止。 直流電機具有電刷及換相器裝置，運轉時存在換相火花和無線電干擾，這是它的不足之處。對交流伺服電機來說，交流伺服電機具有過載能力強，無換相部件，體積小，精度高等諸多優(yōu)點。但目前而言，對交流伺服電機的控制技術還相當復雜。所以不作為本課程設計的選擇。本設計對驅動電動機最主要的要求，是良好的調速性能和起、制動性能，直流伺服電機容易滿足這一要求，能方便地、經濟地在大范圍內平滑地調速，綜上所述，經過對比論證，本設計選用直流伺服電機做為撕帶電機，用以驅動撕帶輪轉動。為了使線路簡潔，選用永磁式直流伺服電機 (。永磁式直流伺服電機的主磁場是由永久磁鋼產生的恒定勵磁磁場，不需要勵磁電源和勵磁線 4 圈。所以永磁直流伺服電機結構簡單、體積小、重量輕、安裝方便。此外，永磁式直流伺服電機還具有高轉矩 /慣量比、動態(tài)晌應快、低速脈動小、調速范圍寬、低速轉矩大、過載能力大、高效節(jié)能等特點，完全可以滿足本設計的要求 1。 動方式 直流伺服電機是用直流供電的，為調節(jié)電動機的轉速，可對其直流電壓的大小進行控制。在本設計中采用晶體管脈寬調速驅動方式（ 制撕帶電機的運轉 。該驅動方式是將一個控制電壓 2為脈寬直流驅動的原理圖。 b) 圖 2 脈寬直流驅動原理圖 a)控制電路圖 b)電壓 控制電壓 制開關 S 周期性的閉合、斷開。使加到電機兩端的電壓為一脈沖方波。當控制電壓 化時，脈沖方波的幅值不變而振蕩周期 (占空比 )發(fā)生變化，從而改變了電機電樞回路的平均電壓值 機的轉速發(fā)生變化。設脈沖方波的幅值為 U,振蕩周期為 T，方波在一個周期內所占的寬 度為 ，當 從 0 到 T 之間變化時，則一個周期內電樞回路的平均電壓值 : 01 =TU = U 式中 = /T 為導通率。當 T 不變時，只要連續(xù)地改變 （ 0可以連續(xù) 地 使 0 變化到 U，從而達到連續(xù)改變直流電機轉速的目的。在實際應用的 統(tǒng)中，脈沖方波靠大功率三極管或大功率場效應管 工作在開關狀態(tài)來實現(xiàn) 。其開關頻率可從 220振蕩周期 T 比電動機的機械時間常數(shù)小得多，故不至于引起電動機轉速的脈動。并且 寬調速驅動方式有諸多的優(yōu)點：線路簡單，管耗小，系統(tǒng)效率高，在開關頻率高時，電流波形好，諧波小、可使系統(tǒng)的低速性能好，調速范圍寬、快速響應和動態(tài)性能都教好。因此 寬調速驅動方式很適用本課題的中小功率范圍的驅動及控制系統(tǒng) 2。 5 動電路的工作原理 圖 3 為本設計所采用的單極性 流調速驅動電路 。 單極性驅動即是指在一個 期里，電動機電樞的電壓極性呈單一變化。 O T O R S E R V b 1U b 2U b 3U b 4 單極性 流調速驅動電路圖 圖中 起開關作用的大功率晶體管， 電機電樞同一側的晶體管 基極控制電壓反相，使 作在交替的開關狀態(tài)。電機電樞的另一側的 于飽和導通狀態(tài)， 作在截止狀態(tài)。當需要改變電機的電樞電壓極性時，可令 止，和導通， 替工作。 當要求電動機正轉工作時，平均電壓 于感應電動勢 每個 t 時 ,通， 至。電流 A 到 B 流過電樞繞組，在 tT,通， 至，電動機與電源斷開，這時電樞電流減小，電樞電感釋放能量，維持續(xù)流電流，電樞電流方向不變，此時電流 I 經 A 流到 B 再到 成回路。此時由于二極管 導通， 際是不能導通的。下一周期重復上述過程。 當電動機在進行減速運行時，平均電壓 于感應電動勢 每個期的 0t,在感應電動勢和自感電動勢共同作用下，電流經二極管 1 流向電源，方向是從 B 到 A，電動機處于再生制動狀態(tài)。在每個 期的 tT,通， 止，在感應電動勢的作用下電流經 2 仍然是從 B 到 6 A 流過繞組，電動機處在耗能制動狀態(tài)。下一周期重復上述過程 。 制方式 針對本設計要求直流電機穩(wěn)定運行和快速反應的場合，采用轉速電流雙閉環(huán)反饋調速方式。圖 4 為雙閉環(huán) 速系統(tǒng)結構圖。 圖 4 雙閉環(huán) 速系統(tǒng)結構圖 別為轉速調節(jié)器和電流調速器 脈寬調速驅動單元 M 表示直流伺服電機 G 代表測速發(fā)電機 圖 3各個輸入輸出信號的含義為 : 速度給定 速度負反饋 電流負反饋 轉速調節(jié)器 (出 電流調節(jié)器 (出 脈寬調速驅動單元輸出電壓平均值 電機電樞電流 控制單元的工作過程 : a)當速度給定信號電機 時， 出為零，電機轉速 n=0。 b)當 ,電機開始啟動，轉速偏差 由于電機的慣性相對于調節(jié)器來說很大，因此 輸出 快達到限幅值 個限幅值加到電流調節(jié)器 (輸入端，使 輸出升，因此 寬調速驅動單元的輸出電壓平均值 升，電機的轉速開始上升。由于電機慣性的原因，其反向感應電動勢不能立即升上來，從而電機的電樞電流 快升高并達到設計時所選定的最大值 電流負反饋電壓 到最大值 此后由于 直處于飽和狀態(tài)，速度環(huán)相當于開壞，速度反饋不起作用，只有以 主的電流環(huán)發(fā)揮調節(jié)作用，以保 7 持電流 恒定，使電機的轉速及其反向感應電動勢在恒定電流 態(tài)下按線性規(guī)律上升，直到電機的轉速達到給定的轉速，整個系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)。 c)當電 機轉速上升到使轉速偏差 ，比較器輸出滿幅的正電平；當 ，比較器輸出正脈沖寬、負脈沖窄的矩形波 空比 增加，伺服電機的轉速上升。 當 2致運算放大器 出端電壓升高，通過發(fā)射二極管的電流 隨之增大，由于 3=此 增大，最終調節(jié)的結果是 因為輸出電壓信號 32此輸出電壓 U。與輸入電壓 等， U。隨著 增大而線性增大。反之，當輸入電壓 低時，運算放大器 出端電壓降低，通過發(fā)光二極管的電流 隨之減小，與上類似，輸出電壓U。也隨輸入電壓 降低而減小，但仍保持 i，因此實現(xiàn)了模擬量的1: 1 隔離傳輸。該電路外接電路簡單，線性度好，輸 全能夠保證轉換精度。 據(jù)采樣保持電路 數(shù)據(jù)采樣保持器是計算機系統(tǒng)模擬量輸入通道中的一種模擬量存儲裝置。它是連接采樣器和模數(shù)轉換器的中間環(huán)節(jié)。采樣器是一種開關電路或裝置，它在固定時間點上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉換器轉換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。在模數(shù)轉換器工作期間采樣保持器一直保持著轉換開始時的輸入 值。 在本設計中，由光電隔離輸出為模擬量輸出，在信號輸入單片機前要將信號轉換為數(shù) 值量輸入。由于模擬量隨時間連續(xù)變化，而完成A/D 變換需要一定的時間，為使 A/D 變換結束時的值能代表采樣時的模擬量值，應該在轉換時間內保持輸入到 A/D 轉換器的模擬量不變，因此在光電隔離和模 /數(shù)轉換間加入數(shù)據(jù)采樣保持器。在本設計中采用 采樣 /保持器。一種反饋型的采樣保持放大器，具有采樣速率高，保持電壓下降慢和精度高等特點。圖 11 為 功能框圖 6。 14 0 0 N ( + )參考電壓輸入1 樣保持器功能圖 15 圖 15 算子程序流程 圖 算子程序 取 被乘數(shù)，暫存 取 e(k)作乘數(shù) 計算 Kp,e(k)，結果暫存 取 被乘數(shù)，暫存 取 e(k)作乘數(shù) 計算 k) 取 上 一 次 累 加 值10)(1e(k) + 10)(計算 P(k) = k)+子程序返 回 16 據(jù)采集程序 控制單元要定時采集輸入的信號。在控制過程中，計算機要控制數(shù)據(jù)采集的間隔時間，即采樣周期。本系統(tǒng)由于電流環(huán)與速度環(huán)所針對的控制對象不同(分別是電流和轉速 )，二者的運行時間常數(shù)不同 (電流環(huán)運行時間常數(shù)較小 )，因此所要確定的采樣周期并不相同?？捎脝纹瑱C內部定時器 別確定采樣周期。設計中， 為電流環(huán)輸入?yún)?shù) (采樣周期定時器， 為速度環(huán)輸入?yún)?shù) ( 的采樣周期定時器，定時時間 次定時時間到，向 出中斷申請，以啟動數(shù)據(jù)采樣及 A/D 轉換。圖 16 為電流環(huán)數(shù)據(jù)采集中斷服務程序流程圖。圖 17 為速度環(huán)數(shù)據(jù)采集中斷服務程序流程圖。 在速度環(huán)數(shù)據(jù)采集中，速度給定與速度反饋的采樣時刻存在時間間隔，但間隔極短，即使在 序運行過程中又運行了優(yōu)先級更高的 斷程序，間隔時間也可控制在微秒級內，遠小于電動機的機械時間常數(shù)。因此不會造成控制偏差。 17 圖 16 電流環(huán)數(shù)據(jù)采集中斷服務程序流程圖 斷服務子程序 保護現(xiàn)場 開中斷 重置定時器 值 置電流反饋通道 (址數(shù) 啟動 A/D 轉換 延時 150 S 讀 A/D 轉換后的數(shù)據(jù) 存入電流反饋存儲單元 恢復現(xiàn)場 中斷返回 18 圖 17 速 度環(huán)數(shù)據(jù)采集中斷服務流程圖 制計算子程序 控制計算子程序是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，立即進入相應的控制計算子程序，數(shù)據(jù)處理結果將作為下一個控制環(huán)節(jié)的給定值。這就使的執(zhí)行機構能夠得到及時有效的控制。在本設計中有速度環(huán)控制和電流環(huán)控制子程序。圖 18 為速度環(huán)控制計算子程序流程圖，圖 19 為電流環(huán)控制計算子程序流程圖。 斷服務 保護現(xiàn)場 開中斷 重置定時器 值 置速度給定通道 (址數(shù) 延時 150S 讀 A/D 轉換后的數(shù)據(jù)值 數(shù)據(jù)值存入存儲單元 調速度環(huán)控制計算子程序 恢復現(xiàn)場 中斷返回 19 圖 18 速度環(huán)控制計算子程序流程圖 N N N Y Y Y 讀速度給定值 饋值 算偏差 e(k) = 度控制器輸出飽和？ e(k) 0 A 限幅值 流給定單元 A 子程序返回 N A 限幅值 0 A 限幅值 20 圖 19 電流環(huán)控制計算子程序 流程圖 N Y N Y 讀電流給定值 饋值 算偏差 e(k) = 流控制器輸出飽和？ e(k) 0? 送電流環(huán)的 1、 10)( 調 算子程序 A 結果 A 0? A限幅值 k 存放單元 A 子程序返回 A 0 A 限幅值 限幅值 N 結論 21 結論 本設計從實際出發(fā)，對卷煙包裝機的撕帶供給的特點進行分析，對傳統(tǒng)的機構進行了電氣化改造，應用了直流伺服電極，依靠其優(yōu)良的伺服性能，并采用 寬調制驅動方式及雙閉環(huán)調速方式，很好的提高了撕帶供給的穩(wěn)定性，加快了動態(tài)反應速度，同時提高了驅動環(huán)節(jié)的整體工作效率。并以單片機為核心進行數(shù)據(jù)采集、轉換和控制運算，使系統(tǒng)具有硬件簡化、結構緊湊、控制精度高、控制靈活等一系列優(yōu)點。在設計中也還存在很多不足之處，如沒能設計出在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或是需要剔除不合格的產品時實現(xiàn)很好的暫時停機。本設計中還存在諸多不完善的 地方，希望老師能夠多提一些見解。使本設計在以后的實際的生產中能有好的應用。 參考文獻 22 參考文獻 1 顧繩谷 M械出版社 2 史國生 M學工業(yè)出版社 3 范正翹 M京航空航天大學出版社 4 康華光 M等教育出版社 5 袁任光 58 實例 M械工業(yè)出版社 6 何立民 9） M北京航空航天大學出版社 7 胡漢才 M華大學出版社 8 謝長生 M子科技大學出版社 9 康華光 M等教育出版社