机械工程及自动化专业毕业设计论文基于CPAC的包装机械自动化系统设计.docx
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机械工程及自动化专业毕业设计论文基于CPAC的包装机械自动化系统设计
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毕业设计
题目基于CPAC的包装机械自动化系统设计
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二〇一四年五月五日
1前言
1.1课题研究的背景与意义
1.1.1选题的背景
包装机械是集机、电、光、声、磁、化、生、美为一体的高竞争、高性能、高智能的产品。
更新速度快、发展速度快是它的一大特点。
世界上一切高新技术成果，都会在包装机械的产品中得到广泛应用。
国际上的包装机械近些年有了新的改变，主要的是：
一是资源的超利用率，高度的综合利用率和发展循环利用；二是高生产效率，生产线高度自动化，生产规模大型化，以获得最佳劳动生产率和经济效益；三是高新技术产业化，提高生产效率，产品高水平、高档次；四是科研成果商品化，使包装机械产品由从前的低效率，高成本逐渐转向产品智能化、知识密集化、技术综合化等方面发展；五是产品要高度重视节能环保，重视降低成本；
运动控制技术、柔性化生产、安全检测技术以及制造执行系统已经成为国内包装机械厂家关注的几大关键词。
运动控制技术在包装机械上的作用主要是达到精确的位置控制和严格的速度同步的要求，主要用于装卸、输送、打标、码垛、卸垛等工序。
运动控制技术是区别高、中、低端包装机械的关键因素之一，也是我国包装机械升级的技术支撑。
1.1.2选题的意义
包装是对产品进行定量装载、包裹、封装等工艺过程的总称。
包装的作用是对产品进行保护并使之便于运输、仓储与销售。
轻工产品主要是供于消费，所以既要使用又要注重包装装潢，以发挥其美化产品、宣传产品和吸引消费者的作用。
随着科学的发展，现代化的生产日益趋向商品化、社会化和国际化。
其产品已不单纯供应本地区或本国的消费，而是要发展出口创汇，逐步形成外向型的经济。
所以产品包装已不可能依靠手工操作，因手工包装不仅在速度、质量、卫生条件等方面都无法和机械自动化包装相比拟，现代化的包装机械已超越简单地模仿人地动作，有许多功能是手工操作不能实现的。
现代化生产的产品包装，甚至已不能满足单机操作的机械化和只能适应单一包装品种、规格的包装机。
大量的连续化生产要求包装作业也要成为由一系列自动化包装机、联动机、输送机、自动储存装置、自动检测装置组合起来的自动化包装生产线。
如产品为适应市场需要而经常变换包装品种和规格的话，也要求包装机具有稍加调整即可适应新的品种规格产品包装的功能，这是所谓多用包装机。
改革开放以来，随着生产与流通日益社会化、现代化，产品包装正以崭新的面貌崛起，受到人们等多的重视。
现实的生活中，实现包装机械化不但把生产率大大提高了，而且是更多的工人从繁重、单调的工作中解放出来，同时，包装机械化的实现扩大了生产规模、生产范围、产品品种，大大缩减了生产周期，有利于产品不断更新换代，以满足不断增长的需求。
在企业节约成本、提高利润等方面，也显示出来越来越大的优越性。
无论在国内或国外，包装工作已涉及到各行各业，生活中未经包装就出售的商品逐渐变少了，而且如果在包装上得不到大家的接受的话，可能会使很好的产品不能得到很成功的销售，“酒香不怕巷子深”的理论在现代社会已经与我们进行渐远了。
因此可以这样说，现在或者将来，如果没有自动化的包装就没有商品的生产和成功销售；可是如果没有先进的科学技术与工业生产的综合发展，也不可能出现高水平、现代化的包装。
1.2包装机械在国内外的发展状况
从全世界来看，包装工业的发展历史相对较一些，科学技术发达的欧美各国大体上是在上个世纪初叶起步的，及至上世纪五十年代步伐才大为加快。
由于社会上各方面的积极推动和努力配合，终于逐步的建立起包装印刷、包装材料、包装机械等生产部门和与之相适应的科研、教育、管理、学术、情报、技术等组织机构，进而形成了独立且完整的工业包装体系，且在整个国民经济中占据着重要地位。
1.2.1国际包装机械技术产业发展状况
德国的包装机械在制造和技术性能等方面均属世界一流。
该国生产的啤酒、饮料灌装成套设备具有：
（1）自动化程度高、生产速度快、可靠性好。
主要体现在：
全自动的工艺流程、高生产效率，满足了交货期短和降低工艺流程成本的要求；
（2）更高的柔性和灵活性。
主要体现在生产的灵活性、构造的灵活性和供货的灵活性，以适应产品更新换代的需要；
（3）利用计算机和仿真技术提供成套设备，故障率低，可以进行远程诊断服务；
（4）对环境污染少，主要包括噪音、粉尘和废弃物的污染。
美国的包装行业发展相对较早，门类齐全，基础扎实，水平很高。
仅就包装机械制造业而论，实力相当雄厚，其品种与总产值均居世界首位。
由于国内已实现了工业现代化，客观上要求包装机械沿着自动化方向发展，并将电子计算机及其他有关新技术广泛应用于生产过程。
日本的食品包装机械，虽然以中小单机为主，但设备体积小、精度高、易于安装、操作方便、自动化程度也较高。
意大利生产的包装机械中，50%是食品包装机械，如糖果包装机、茶叶包装机、饮料灌装机等。
产品的特点是外观考究、性能优良、价格便宜、持久耐用。
意大利包装机械行业的最大优势就在于可以按照用户的要求进行设计和生产，并能保证很好地完成设计、生产、试验，实现监督、检验、组装、调整和用户需求分析等。
随着世界科技的发展，发达国家已经把激光技术、微电子技术、核能技术、生物技术和系统工程融入了传统的机械制造技术中。
新的合金材料、高分子材料、复合材料、无机非金属材料等新材料也得到了推广应用，食品包装机械的自动化、智能化、网络化、柔性化将成为未来发展的主流。
1.2.2我国包装机械行业现状
国内包装机械起步较晚，经过20年来的发展，我国包装机械已成为机械工业中的十大行业之一，为我国包装工业快速发展提供了有力的保障。
除基本满足国内市场需求外，部分产品还有出口。
但是我国包装机械出口额还不足总产值的5%。
目前，我国包装机械行业缺少龙头企业，生产规模大、产品档次高的企业不多。
根据食品和包装机械工业协会的统计，中国目前有包装机械厂家3,600多家，但产值及销售额超过亿元的现在只有20家。
归纳起来与发达国家相比，其产品和技术差距主要表现以下几个方面：
（1）从业状况看，国内包装机械行业缺少龙头企业，生产规模大、产品档次高的企业不多；
（2）从产品开发看，我国还基本停留在测试仿制阶段，自行开发能力弱，缺少科研生产中试基地，科研经费仅占销售额的1%，而国外则高达8%-10%；
（3）从产品结构看，我国包装机械品种只有1300多种，配套数量少，缺少高精度和大型化产品，不能满足市场需求；产品质量差距表现在产品性能低，稳定性和可靠性差，外观造型不美观，表面处理粗糙，许多元器件质量差、寿命短、可靠性低，影响了整体产品的质量。
1.3包装机械发展趋势
随着科技进步，新产品从开发到进入市场的周期也会越来越短，包装结构和形式也日趋多样化。
有时一个产品为适应不同国家地区，不同消费群体的要求，需要多种形式包装，从创意、色彩、规格、材质到制作方法，都要有不同的要求。
近年来，不少国外包装机械应用了现代化先进包装机械的高新技术，机械的特征趋于“三高”——高速度、高效率、高质量。
目前，国外包装机械水平高的国家主要有美国、德国、日本、意大利和英国。
其中，德国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面均居于领先地位。
2010年德国包装机械产值已达33亿欧元，其产量75%为出口产品。
近几年，这些国家包装机械设备发展呈现出新的趋势。
（1）工艺流程自动化程度越来越高；
（2）适应产品变化，设计具有好的柔性和灵活性；
（3）成套供应能力强；
（4）普遍采用仿真设计技术；
我国包装机械的技术水平，从整体看，比先进国家的技术水平落后20年，在产品的开发、性能、质量、可靠性、服务等方面的竞争中处于劣势。
具体可从以下几点发展与改进：
（1）在产业结构上，应以市场为导向，改变目前以低技术含量为主、低水平竞争的状况，淘汰一批低效高耗、低档次、低附加值、劳动密集型的产品，努力开发生产高效低耗、产销对路的大型成套设备和高新技术产品；
（2）在包装功能上，工业、农业产品要趋向精致化与多元化，包装机械产品要朝着产品多功能与单一高速的两极化方向发展；
（3）在技术性能上，要将其他领域的先进技术应用在包装机械上，如机电一体化技术、热管技术、远距离遥控技术、自动柔性补偿技术等，使产品技术性能大幅度提高；
（4）在生产制造上，专业化生产已成为趋势。
国际包装机械厂商都十分重视包装机械与整个包装系统的通用能力，一些通用标准件不再由包装机械厂生产，某些特殊的零部件则由高度专用化的生产厂家生产，而真正的包装机械厂在某种意义上说是组装厂。
1.4设计的内容
本课题研究的最终目标是：
根据包装机工作的需要，完成其自动化系统的开发，包括自动化系统的硬件电路的设计、控制软件的开发等。
自动化系统完成后，通过现场的调试和实验，能达到正确控制机床动作的目的，并且可以满足包装机面的图形显示功能。
本设计的主要设计步骤为：
第一部分了解包装机械行业和枕式包装机的现状和发展状况，研究本设计的课题来源和研究内容；第二部分进行总体方案的设计，首先分析枕式包装机实际工作需要，提出大体的设计方案，经比较分析，最后得到总体方案；第三部分分析性能要求和精度要求，然后对其硬件设计的电机选择、驱动电路等电气模块和运动控制器的选择模块给出相应方案；第四部分从各个子功能模块入手，依据不同功能相应设计界面和编写程序；第五部分是对整个设计过程进行评估。
2基于CPAC的自动化系统
2.1什么是CPAC?
计算机可编程自动化控制器ComputerizedProgrammableAutomationController。
它是一个自动控制软件平台针对于自动化包装机可进行：
（1）可以提供包装机不同部件的顺序控制（软PLC）；
（2）可以对包装机进行运动控制（PTP,CNC）；
（3）可以利用强大的技术功能解决用户提出的要求。
2.2CPAC产生的背景及意义：
当今的装备控制技术迅速发展，正处于一个快速变革的时代。
从半导体到消费类电子产品的加工设备领域，再到汽车和航空制造业、轻工业和物流行业等多种不同的工业装备领域都面临着日益激烈的全球竞争，包装工业需要进一步降低价格、缩短产品开发周期，迅速完成产品的更新换代。
采用计算机可编程自动化控制技术正是解决这一系列问题的有效手段。
中国包装业信息化是在单元设备自动化和设备网络信息化的两个层面展开。
控制自动化技术从设备单元自动化向网络化、集成化和开放式结构方向发展。
2.2CPAC软件平台OtoStudio
Otostudio可以将自动化控制器变成一台实时的控制系统。
它集成了HMI编程工具，用户可方便的进行人机界面的开发。
应用HMI功能所生成的画面可以直接显示在控制系统的人机界面上。
并且集成了MotionControlFunctionBlock-运动控制功能模块。
该运动控制模块包含了点位运动（PTP）、速度运动（JOG）、位置时间运动（PT）、连续轨迹运动、电子齿轮运动（GEAR）和电子凸轮运动（Follow）等运动控制。
此外，还包括“PLCopen”的标准功能。
它可以利用自动化软件自动完成轴及I/O模块的初始化，无需用户再进行初始化工作。
开发与应用层：
应用程序的开发、人机界面的设计、运动规划、逻辑管理及网络数据交互等（如图2.1）。
.
图2.1CPAC应用层
实时调度层：
绑定在控制器硬件上，用于实时运行程序及实时控制层上的操作指令的调度，管理本地I/O，远程I/O及以太网数据，显示人机界面（如图2.2）。
图：
2.2CPAC实时调度层
2.3CPAC的I/O系统
（1）对主要现场总线开放；
（2）支持GUC硬件；
（3）容易建立和诊断；
（4）从逻辑到物理I/O的映射（如图2.3）。
图2.3CPAC处理映像
2.4CPAC的优势
该平台具有实时运动控制功能，I/O功能，开放的软件、硬件构架，丰富的人机界面编程、执行时间短等优点。
2.5CPAC的运动控制
图2.6运动控制
2.6本章小结
本章内容主要介绍了CPAC产生的背景及意义，并着重介绍了CPAC的软件与硬件平台；突出强调了CPAC的优势及特点，对进一步使用有了很直观的体验。
3控制系统硬件设计
自动包装机是指将具有热塑特性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、物料填充、封合剪切等全过程的自动包装设备。
自动包装机的功能多样、种类繁多，如枕式自动包装机、立式自动包装机等，其中本课题是以枕式自动包装机为研究平台进行展开的。
3.1枕式包装机的基本原理
枕式自动包装机，是一种多功能包装机，它是将塑料复合膜制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型裹包、封切等全过程的自动包装设备
枕式自动包装机用变频无段调速电机的运转, 通过链条驱动齿链式无级变速器转动; 变速箱内通过变速链条的调速,得到了不同的运转速度；然后再由同步带传给行星差动机构,使纸膜输送长度的调整、变速箱的输出轴经过链条传动带动纸膜压辊转动输送纸膜,纸膜输出长度的设置可在齿链调速器上施行手工操作。
并在包装过程中由光电跟踪色标进行监控。
同时变速箱还通过多组连动,实现了包装物件、输送带、拉纸轮、压合轮、横封刀及成品输送带的运动。
枕式包装机的包装纸膜卷安装于轴辊上,被包装物件放置于加料器中（对于无规则形状的物件需用手工加料）,输送带自动将被包装物件输送到包装位置,包装在纸膜中；然后经过加热后压合成型,送至横封切刀处进行热合、横封、切断。
再由输送带输出成品。
3.2枕式包装机执行结构
枕式自动包装机的执行机构示意图如图3.1所示。
图3.1枕式自动化包装机示意图
根据图3.1所示，对枕式包装机重要执行机构进行介绍：
（1）物料输送机构：
主要由物料伺服电机、减速器和输送链等组成，用来把物料准确的送入制袋成型器中。
（2）制袋成型器：
由前叶片、侧导板和底部抄板组成，能够进行宽度和高度调节，主要作用是将复合膜制袋成型，且在此过程中使即将成型的塑料复合膜把物料包裹起来。
（3）输膜辊轮：
输送塑料复合膜，并与纵封器有效配合使用，防止复合膜因质软带来的偏差。
（4）纵封器：
完成塑料复合膜袋成型后的纵向热封合功能，并对复合膜起到很好的牵引作用，防止因其质软带来的偏差。
（5）压运装置：
主要是对纵向密封过的塑料复合膜及物料进行整理和托运。
（6）横封切断装置：
完成纵封后包装材料的横向密封及切断，其横封头表面刻有花纹，不同的包装材料使用不同花纹。
花纹不仅保证封口强度，还可以增加袋的美感。
（7）输出装置：
将封合剪切后的包装产品输出。
3.3枕式包装机运动过程分析
包装生产技术有着悠久的历史，其发展过程历经差速箱模式、变频器模式、单伺服模式、双伺服模式和三伺服模式五个阶段。
其中这些变化只是实现方式上的不同，而在包装机的基本原理上却是始终没变。
整个包装过程主要通过以下几个运动而实现的。
3.3.1横封凸轮运动
自动包装机横封旋转一圈则加工一包产品，即横封旋转一圈的时间与输膜轴输送一个塑料复合膜袋长所用的时间相同。
由于自动包装机所加工产品的袋长L是可变的，因此单位时间内横封的平均线速度和复合膜的输送速度不一定相等。
同时为了防止封合切割过程中，横封的线速度与塑料复合膜的输送速度不等而引起的“划膜”现象，则要求此过程中二者速度必须相等，即所谓的同步速度。
因此，在单位时间内横封的运动过程必然经历一个由同步速度到变速运动再到同步速度的过程，即横封旋转在做凸轮运动。
3.3.2横封切割时的位置速度同步运动
在自动包装机包装产品的过程中，要求物料在塑料复合膜中的位置是近似等间距的，即当塑料复合膜与物料在成型器处相遇时，此时要求物料的进入时机要对应塑料复合膜的特定位置。
特别是对于有色标的塑料复合膜来说，物料应该放置在塑料复合膜的两个色标点的中间位置，这样可以有效的防止横封在复合膜色标点处切割密封时损坏物料。
因此，在整个包装过程中，塑料复合膜与物料位置匹配的精确程度对于自动包装机的整个包装质量起着重要的作用。
3.3.3膜物位置匹配运动
自动包装机的横封在封合切割时，要求切割位置正好在色标点的范围内，且不能损坏物料，这就要求在包装的过程中保证特定时刻的横封、物料以及塑料复合膜的位置同步。
同时由于横封对塑料复合膜还有一个热密封的作用，为了保证二者在此过程不会因速度差而产生相对运动，即造成“划膜”现象，故在热密封过程中要保证二者速度的同步性。
因此，就整个包装过程来说，如何保证横封切割时的位置速度同步对于最终包装质量的好坏起着决定性的作用。
3.4自动化控制系统总体方案
本课题的目的是以PC+运动控制器组成的自动化系统的方法，在此运动控制卡独立完成逻辑控制和运动控制。
PC和运动控制卡通过PCI接口连接，并综合考虑三伺服枕式自动包装机的应用需求。
因此，必须深入的了解自动包装机的工作原理及结构特点，把握包装机的功能需求，掌握控制系统的硬件组成，并在此基础上拟订设计方案。
其硬件组成如图3.2：
图3.2自动化系统控制流程图
3.5人机界面设计
人机界面是与用户最直观联系与操作的部分，在了解了触摸屏（TP）性能和控制系统对其需求的基础上，采用合适的触摸屏（TP）来开发上位机程序。
随着触摸屏的快速发展，可靠性大为提高，以触摸屏为应用的控制系统已经被工业控制领域所接受。
触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。
由于工厂环境、电网稳定性与否等运行环境都很难预测，为了触摸屏能在各种工作环境下正常工作，要采用电阻触摸屏，同时又考虑到其实用、经济等特点，本系统选用了ACC6-PN5-T15-K8系列触摸屏。
从硬件平台来看，ACC6-PN5-T15-K8具有接口：
VGA、串口、HMI（含LVDS、USB、PS/2、串口）、15寸高亮真彩TFT、1024*768分辨率、可触摸屏功能，4线阻屏，整体尺寸也非常合适，经过实际使用，该产品高解析度，高速传输反应。
表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理。
具有光面及雾面处理。
一次校正，稳定性高，永不漂移。
3.6运动控制技术及运动控制器的选择与应用
随着自动控制等技术的不断发展和更新，运动控制技术得到了足够的重视和加速发展，并促进了运动控制系统结构的改变和技术水平的革新，从而促进了相关产业的改变。
3.6.1运动控制技术
固高科技运动控制器是在以高速数字信号处理器DSP为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件FPGA的基础上发展而来的。
基于PC的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，而且在全球范围内得到了广泛地应用。
简单的说，运动控制器主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。
根据运动控制的特点和应用可将运动控制器分为以下三种：
点位控制运动控制器、连续轨迹控制运动控制器、同步控制运动控制器。
开放式结构的运动控制系统能充分利用PC机的资源，可以利用第三方软件完成用户应用程序开发，将生成的应用程序指令通过总线传输给运动控制器。
3.6.2运动控制器
运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位机PC机地应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划（点位运动、多轴插补协调运动或多轴同步协调运动），向驱动器发出相应的命令。
运动控制器的典型应用范围：
（1）点位控制：
PCB钻孔机、IC插装机、固晶机、焊线机、码垛机等
（2）连续轨迹控制：
数控雕铣床雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机等。
（3）同步控制：
套色印刷、包装机械、贴标机、纺纺织机械、飞剪、绕线机、钢板展平、钢板延压、纵剪分条等。
就目前而言，国内外有很多公司推出自身的运动控制器，其中，国外比较有代表性的运动控制器制造商有DeltaTau、Galil、DMC、Aerotech、TechS0，本课题选用的在国内较有名的是固高科技（深圳）有限公司，其主要产品有：
基于PC的插卡式运动控制器基于PCI或ISA总线，分为GT（通用型）、GE（经济型）、GH（高性能型）、GO（开放型）、GTS。
该系列产品可用于2-8轴的点位控制、连续轨迹控制、同步控制，其被广泛的用于：
PCB加工，如PCB钻孔机；包装行业，如糊盒机，三伺服枕式包装机；半导体封装行业，如固晶机、邦定机；检测行业，印花机、印刷机等；冶金加工行业，如飞剪、校直、展平、轧钢等；电子加工行业：
绕线、点胶、插件、SMT等；眼睛加工行业，如镜框加工设备；服装加工行业，如铺布机、缝纫机等；钣金加工设备，如铆钉机、数控冲床；测量设备，如齿轮测量仪、三坐标测量机；点胶设备，如点胶机；雕铣设备，如雕刻机、雕铣机；数控加工设备，如数控机床等等。
3.6.3运动控制器的连接
本课题针对三伺服自动包装机运动控制的需要，采用了固高公司开发的GTS运动控制器，其形状如图3.3。
图3.3GTS-X00-PX运动控制器外形结构图
（1）GTS系列运动控制卡为用户提供了构成PC系统的标准输入输出设备接口，如VGA、PS2、USB等，用户可将显示器、键盘，鼠标等通用输入输出设备连接到这些接口上以组成PC系统。
此外用户还需要提供一个24V，至少3A的直流电源为其供电。
直流电源接到控制器POWER接口上，接通后控制器上的2个LED指示灯亮起，表明GTS运动控制器已上电工作。
另外在电源接口上提供了一个与GUC运动控制器外壳连通的PE（保护地）接口，用户可根据自己的电器系统需要，将其与其它外部地（机壳地、大地等）和（或）运动控制器内部地（数字地、+24V参考地）连通。
（2）GUC系列运动控制器所提供的专用输入包括：
驱动报警信号、原点信号和限位信号，专用输出包括：
驱动允许，驱动报警复位。
（3）GUC系列运动控制器在每个轴上各提供一个编码器接口，此外还提供了1~2个辅助编码器接口（辅助编码器接口数量视具体型号而定）。
以上编码器接口可兼容双端输入和单端输入.
3.7本章小结
本章介绍了枕式包装机的原理与结构，并且简单介绍了主要部分的功能；接着进行了运动控制系统的设计方案，确定了自动包装机运动控制系统硬件平台——触摸屏（TP）和固高公司研究开发的GUC运动控制器，并说明了运动控制器的连接。
通过本章的研究，简易的自动化包装机系统硬件系统已基本设计完成。
4自动化包装机软件设计
软件设计是把许多事物和问题抽象起来，并且抽象它们不同的层次和角度。
建议用数学语言来抽象事务和问题，因为数学是最好的抽象语言，并且它的本质就是抽象。
将复杂的问题分解成可以管理的片断会更容易。
将问题或事物分解并模块化这使得解决问题变得容易，分解的越细模块数量也就越多，它的副作用就是使得设计者考虑更多的模块之间耦合度的情况。
4.1软件设计的重要性
软件设计是硬件开发步骤及软件维护工作的基础。
如果没有软件的设计，只能建立一个不稳定的系统结构，不能很好的被操作人员及时有效地解决系统操作问题。
软件的重要性可从图4.1表现出来。
图4.1软件重要性的对比
4.2软件设计的目标
（1）建立稳定的系统结构；
（2）触摸屏设计，使得操作人员处理问题更加方便、直观、快捷、有效；
（3）能够和硬件系统完美的结合，来赢得更高的生产效率；
（4）可以实现自动化系统的参数要求；
（5）最终目标是得到最佳的设计方案。
4.3软件实现的功能
软件的功能是根据软件的重要性和预期目标来确定的，而软件程
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