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摘要：为了满足现今自动包装行业高生产效率的要求，研究并设计了辅助包装机工作的整理机系统。本研究采用飞思卡尔DSP56F8037处理器为控制器，通过光电传感器检测物料状态，进而控制变频器以及伺服电机的动作，使物料可以均匀、高效地进入包装机完成包装。通过测试，验证了该方案的有效性，极大提高了生产效率。
关键词：整理机；数字信号处理器；光电传感器；伺服电机
中图分类号：TP278文献标识码：A
Abstract：In order to satisfy today’s high efficiency requirements in automatic packaging industry，this paper designed a finishing machine system to assist the work of packaging machines.This design used a Freescale DSP as a controller，used photoelectric sensors to detect the state of material.By the single，DSP controls the frequency converter and servo motor’s movements to make sure the material can be evenly and efficiently into the packaging machine to complete the package.Through the test，the validity of the design is possible and it can improve the production efficiency greatly.
Key words：finishing machine；DSP；photoelectric sensor；servo motor
1引言
整理机是一种辅助包装机工作的配套设备，随着科学技术的不断发展，正在广泛应用于机械、矿业、印刷以及制造业等各行各业中[1-2]，但是在各个行业中均不同程度的存在生产工艺落后、生产效率低下的问题[3]。
现阶段，物料进入包装机之前的整理过程大部分是由人手工完成。手工作业，一方面无法达到较快的速度，另一方面包装产品存在空包、漏包的现象，同时由于包装机的拨叉机构为机械构件，很容易造成人员打伤[4]。现有的自动整理机一般功能为把包装好的或未包装的产品进行排序、列队，仅仅是把物料进行简单排列，方便人工装箱、装袋，无法实现定间距排列，从而无法实现后期的自动化处理[5]。本设计根据用户对自动包装机高生产效率的要求，将微機编程、变频调速等技术应用到控制系统中[6]，同时应用了光电传感技术，本系统可对包装材料在生产过程中出现的误差及时发现同时准确的给予补偿和纠正，避免了包装材料的浪费。开发了自动整理机专用运动控制程序，实现了物料整理的自动化、定间距、高效率。通过实际运行测试，该系统极大地提高了生产效率，实现了最大利润[7]。
2整理机的基本原理
21整理机基本组成
整理机由控制单元、光电检测单元和电机传动单元三部分组成，组成如图1所示。主控部分主要由DSP56F8037控制[8]，光电检测部分由光电传感器组成，电机传动部分主要由xilin EH600A变频器和两个OMRON R88D-G系列伺服电机控制系统组成[9]。
22整理机的工作原理
系统启动后，当没有物料时，光电传感器信号处于低电平，当有物料触发光电传感器时，信号由低电平变换为高电平。当有物料进入第一级并触发光电传感器1时，DSP接收并处理电平变化信号，计算出物料之间的间距，并控制轴3变频器PWM模值输出，调节第一级的速度。当物料触发传感器2时，DSP控制轴2伺服电机加速，使物料紧密的排列在第三级的传动带上。第三级与第四级由同一个伺服电机控制，但是机械传动比不同，从而可以使物料在第四级上具有相等的间距。光电传感器3触发，说明物料即将进入包装机拨叉。光电传感器4可以检测包装机拨叉运行位置及速度，并将检测到的信号与DSP通讯。DSP进而控制轴1加速、减速或者匀速，从而使物料到达拨叉时恰好处于两拨叉之间，实现整理机的作用。
3整理机的软件系统
31软件设计原理
包装机的拨叉长度一般可进行调节。但在包装一种物品时其长度 lab为一定值。同一种商品的外观尺寸也是一定的，即物料长度lw也为一定值。
另外，光电传感器3距离光电传感器4的距离根据包装机的要求，距离与拨叉距离lab相同。为第四级调速留下空间。
为了使物料CD进入拨叉时不被拨叉碰到，必须使物料前端C在到达拨叉时，距离拨叉脚A的距离（CA）为0～（lab-lw）之间。
设备初始化完成后，开机运行，在无物料的情况下（即不需要调速），系统通过检测光电传感器4连续两次被触发的时间间隔T，计算出拨叉的速度Vb，假设整理机第四级速度为V4，所以存在等式：
V4=Vb=labT（1）
调速过程类似于同向追击运动。从物料前端触发传感器3的一刻开始，到拨叉与物料最后同时到达终点位置即AC之间任意一点截止。
当传感器3被触发的时刻，距离下一次光电传感器4被触发还要经过时间为t的一段时间，此段时间内，拨叉运行的距离Lab为：
Lab=Vb*t（2）
当Lab≥lw时，第四级速度不变。
当0 当0.5lw 当减速时：物料运行的距离不变为lab，时间增加t，所以存在等式：
lab=V4*（T t） 12a（T t）2（3）
当加速时：物料运行的距离不变为lab，时间减少t，所以存在等式：
lab=V4*（T-t） 12a（T-t）2 （4）
根据计算结果的变化，经过DSP处理，发出控制信号调节轴1的PWM输出来控制电机的转速，实现第四级的变速功能，使物料能够顺利进入包装机拨叉，实现整理机的作用和功能。
32软件系统环境
本系统软件设计是在Freescale 56F800/E系列DSP的集成開发环境——Metrowerks Codewarrior软件中开发的。采用C语言编写，包括系统初始化、错误检测、处理和接收串口命令、DSP控制电机动作部分等几部分。
33软件系统组成
331系统初始化
程序启动时，首先进行内核初始化，内核初始化完成并无误后进行硬件的初始化和系统参数初始化。硬件初始化包括初始化：GPIO口初始化，编码器清零；定时器TA0初始化；轴1、轴2、轴3的初始化。系统参数初始化包括：物料长度的初始化、计时器的初始化、连接轴1、2的伺服电机的开启等。
332错误检测
完成之前的初始化，如果有错误则系统报警，排除错误后，系统处理来自串口的命令，得到系统开车、停车以及包装速度等的指令，然后经串口SCI0发送数据调用相应的电机工作，控制电机部分动作，完成整理机的工作。
333处理和接受串口命令
本部分DSP通过对信号的检测和处理，为DSP控制电机的运行提供必要的支持。
334DSP控制电机动作
采集的数据进行处理后，DSP控制轴系统的速度变化，进而完成物料均匀进入拨叉的目的。
（1）初始化APP_INIT（0x01）状态
初始化APP_INIT（0x01）状态是在接收到串口发送的开始命令后，根据系统参数，进行初始化计算，计算三个轴的速度。当传感器处有物料时，电机直接进入运行状态。当传感器处没有物料时，DSP计算完电机的初始转速后切换到等待状态，等待新命令的输入启动相应的电机。
（2）等待APP_WAITING（0x02）状态
根据接收到的串口命令，系统初始化完成后，如果串口命令是使系统进入Waiting状态，则将新的初始化参数写入到FLASH中。
（4）RUN_RUN状态流程图
系统启动后，当有物料进入第一级并触发光电传感器1时，DSP接收并处理电平变化信号，计算出物料之间的间距，并控制轴3变频器PWM模值输出，调节第一级的速度。当物料触发传感器2时，DSP控制轴2伺服电机加速，使物料紧密的排列在一起。第三级与第四级由同一个伺服电机控制，但是机械传动比不同，从而可以使物料在第四级上具有相等的间距。当物料到达并触发光电传感器3时，DSP与包装机通讯，获取拨叉的位置，并调节轴1加速、减速或者匀速，从而使物料到达拨叉时恰好处于两拨叉之间，实现整理机的作用。
在位置控制方式下，伺服驱动器接收DSP发出的位置指令信号（脉冲和方向），送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同。比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。
4结论
本研究给出的整理机系统设计方案，极大提高了自动化生产前期的准备工作效率，同时，利用变频器和伺服电机的控制，实现了无极变速。同时可满足各种长度，各种形状的物品包装需求，对物料进行了初级等间距、高速度预整理，在食品包装方面，例如袋装方便面的包装，有极大作用。
通过整理机的实际运行，整理速度可稳定在200件/分钟左右，相比人工或现有自动整理机效率有极大提高。
参考文献
[1]谭浩强，C程序设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999.
[2]崔嘉.我国食品和包装机械工业发展广阔[J].包装机械，2006，（10）：99～100.
[3]王建彬.包装机械21世纪发展趋势[J].台湾包装工业，2000，（3）：98～99.
[4]屈平.世界包装机械生产现状和发展趋势[J].湖南包装，2005，（1）：7～8.
[5]陈婵娟，陈参，曾东暖.自动包装生产线系统设计[J].液压与气动，2007，（4）：6～8.
[6]齐立芬，王聪.变频器在包装生产线中的应用[J].中国科技信息，2009，16：133～134.
[7]堂士垒.云南白药集团制药包装生产线自动化设计及其工程实现[D].云南：昆明理工大学，2004.
[8]Data Sheet of Freescale DSP56F8037[OL].http：//www.freescale.com/.
[9]EH600A系列中英文手册[OL].http：//www.dlsanji.com.
关键词：整理机；数字信号处理器；光电传感器；伺服电机
中图分类号：TP278文献标识码：A
Abstract：In order to satisfy today’s high efficiency requirements in automatic packaging industry，this paper designed a finishing machine system to assist the work of packaging machines.This design used a Freescale DSP as a controller，used photoelectric sensors to detect the state of material.By the single，DSP controls the frequency converter and servo motor’s movements to make sure the material can be evenly and efficiently into the packaging machine to complete the package.Through the test，the validity of the design is possible and it can improve the production efficiency greatly.
Key words：finishing machine；DSP；photoelectric sensor；servo motor
1引言
整理机是一种辅助包装机工作的配套设备，随着科学技术的不断发展，正在广泛应用于机械、矿业、印刷以及制造业等各行各业中[1-2]，但是在各个行业中均不同程度的存在生产工艺落后、生产效率低下的问题[3]。
现阶段，物料进入包装机之前的整理过程大部分是由人手工完成。手工作业，一方面无法达到较快的速度，另一方面包装产品存在空包、漏包的现象，同时由于包装机的拨叉机构为机械构件，很容易造成人员打伤[4]。现有的自动整理机一般功能为把包装好的或未包装的产品进行排序、列队，仅仅是把物料进行简单排列，方便人工装箱、装袋，无法实现定间距排列，从而无法实现后期的自动化处理[5]。本设计根据用户对自动包装机高生产效率的要求，将微機编程、变频调速等技术应用到控制系统中[6]，同时应用了光电传感技术，本系统可对包装材料在生产过程中出现的误差及时发现同时准确的给予补偿和纠正，避免了包装材料的浪费。开发了自动整理机专用运动控制程序，实现了物料整理的自动化、定间距、高效率。通过实际运行测试，该系统极大地提高了生产效率，实现了最大利润[7]。
2整理机的基本原理
21整理机基本组成
整理机由控制单元、光电检测单元和电机传动单元三部分组成，组成如图1所示。主控部分主要由DSP56F8037控制[8]，光电检测部分由光电传感器组成，电机传动部分主要由xilin EH600A变频器和两个OMRON R88D-G系列伺服电机控制系统组成[9]。
22整理机的工作原理
系统启动后，当没有物料时，光电传感器信号处于低电平，当有物料触发光电传感器时，信号由低电平变换为高电平。当有物料进入第一级并触发光电传感器1时，DSP接收并处理电平变化信号，计算出物料之间的间距，并控制轴3变频器PWM模值输出，调节第一级的速度。当物料触发传感器2时，DSP控制轴2伺服电机加速，使物料紧密的排列在第三级的传动带上。第三级与第四级由同一个伺服电机控制，但是机械传动比不同，从而可以使物料在第四级上具有相等的间距。光电传感器3触发，说明物料即将进入包装机拨叉。光电传感器4可以检测包装机拨叉运行位置及速度，并将检测到的信号与DSP通讯。DSP进而控制轴1加速、减速或者匀速，从而使物料到达拨叉时恰好处于两拨叉之间，实现整理机的作用。
3整理机的软件系统
31软件设计原理
包装机的拨叉长度一般可进行调节。但在包装一种物品时其长度 lab为一定值。同一种商品的外观尺寸也是一定的，即物料长度lw也为一定值。
另外，光电传感器3距离光电传感器4的距离根据包装机的要求，距离与拨叉距离lab相同。为第四级调速留下空间。
为了使物料CD进入拨叉时不被拨叉碰到，必须使物料前端C在到达拨叉时，距离拨叉脚A的距离（CA）为0～（lab-lw）之间。
设备初始化完成后，开机运行，在无物料的情况下（即不需要调速），系统通过检测光电传感器4连续两次被触发的时间间隔T，计算出拨叉的速度Vb，假设整理机第四级速度为V4，所以存在等式：
V4=Vb=labT（1）
调速过程类似于同向追击运动。从物料前端触发传感器3的一刻开始，到拨叉与物料最后同时到达终点位置即AC之间任意一点截止。
当传感器3被触发的时刻，距离下一次光电传感器4被触发还要经过时间为t的一段时间，此段时间内，拨叉运行的距离Lab为：
Lab=Vb*t（2）
当Lab≥lw时，第四级速度不变。
当0
lab=V4*（T t） 12a（T t）2（3）
当加速时：物料运行的距离不变为lab，时间减少t，所以存在等式：
lab=V4*（T-t） 12a（T-t）2 （4）
根据计算结果的变化，经过DSP处理，发出控制信号调节轴1的PWM输出来控制电机的转速，实现第四级的变速功能，使物料能够顺利进入包装机拨叉，实现整理机的作用和功能。
32软件系统环境
本系统软件设计是在Freescale 56F800/E系列DSP的集成開发环境——Metrowerks Codewarrior软件中开发的。采用C语言编写，包括系统初始化、错误检测、处理和接收串口命令、DSP控制电机动作部分等几部分。
33软件系统组成
331系统初始化
程序启动时，首先进行内核初始化，内核初始化完成并无误后进行硬件的初始化和系统参数初始化。硬件初始化包括初始化：GPIO口初始化，编码器清零；定时器TA0初始化；轴1、轴2、轴3的初始化。系统参数初始化包括：物料长度的初始化、计时器的初始化、连接轴1、2的伺服电机的开启等。
332错误检测
完成之前的初始化，如果有错误则系统报警，排除错误后，系统处理来自串口的命令，得到系统开车、停车以及包装速度等的指令，然后经串口SCI0发送数据调用相应的电机工作，控制电机部分动作，完成整理机的工作。
333处理和接受串口命令
本部分DSP通过对信号的检测和处理，为DSP控制电机的运行提供必要的支持。
334DSP控制电机动作
采集的数据进行处理后，DSP控制轴系统的速度变化，进而完成物料均匀进入拨叉的目的。
（1）初始化APP_INIT（0x01）状态
初始化APP_INIT（0x01）状态是在接收到串口发送的开始命令后，根据系统参数，进行初始化计算，计算三个轴的速度。当传感器处有物料时，电机直接进入运行状态。当传感器处没有物料时，DSP计算完电机的初始转速后切换到等待状态，等待新命令的输入启动相应的电机。
（2）等待APP_WAITING（0x02）状态
根据接收到的串口命令，系统初始化完成后，如果串口命令是使系统进入Waiting状态，则将新的初始化参数写入到FLASH中。
（4）RUN_RUN状态流程图
系统启动后，当有物料进入第一级并触发光电传感器1时，DSP接收并处理电平变化信号，计算出物料之间的间距，并控制轴3变频器PWM模值输出，调节第一级的速度。当物料触发传感器2时，DSP控制轴2伺服电机加速，使物料紧密的排列在一起。第三级与第四级由同一个伺服电机控制，但是机械传动比不同，从而可以使物料在第四级上具有相等的间距。当物料到达并触发光电传感器3时，DSP与包装机通讯，获取拨叉的位置，并调节轴1加速、减速或者匀速，从而使物料到达拨叉时恰好处于两拨叉之间，实现整理机的作用。
在位置控制方式下，伺服驱动器接收DSP发出的位置指令信号（脉冲和方向），送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同。比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。
4结论
本研究给出的整理机系统设计方案，极大提高了自动化生产前期的准备工作效率，同时，利用变频器和伺服电机的控制，实现了无极变速。同时可满足各种长度，各种形状的物品包装需求，对物料进行了初级等间距、高速度预整理，在食品包装方面，例如袋装方便面的包装，有极大作用。
通过整理机的实际运行，整理速度可稳定在200件/分钟左右，相比人工或现有自动整理机效率有极大提高。
参考文献
[1]谭浩强，C程序设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999.
[2]崔嘉.我国食品和包装机械工业发展广阔[J].包装机械，2006，（10）：99～100.
[3]王建彬.包装机械21世纪发展趋势[J].台湾包装工业，2000，（3）：98～99.
[4]屈平.世界包装机械生产现状和发展趋势[J].湖南包装，2005，（1）：7～8.
[5]陈婵娟，陈参，曾东暖.自动包装生产线系统设计[J].液压与气动，2007，（4）：6～8.
[6]齐立芬，王聪.变频器在包装生产线中的应用[J].中国科技信息，2009，16：133～134.
[7]堂士垒.云南白药集团制药包装生产线自动化设计及其工程实现[D].云南：昆明理工大学，2004.
[8]Data Sheet of Freescale DSP56F8037[OL].http：//www.freescale.com/.
[9]EH600A系列中英文手册[OL].http：//www.dlsanji.com.