随着国家限塑令的出台和绿色、环保理念的深入人心，方底手腕纸袋由于材质环保、强度较高、价格低廉等优点在生活中得到越来越广泛的应用，随之而来的全自动方底手腕纸袋制袋机市场逐年扩大，但是终端市场的个性化需求（各种规格）与小批量定单的增加对纸袋机设备制造商提出新的挑战和要求——如何在满足精度和保证低废品率的情况下实现较高的机器速度和快速换单生产。来自江苏苏州的某纸袋机生产企业采用贝加莱的全伺服电控系统，很好的解决了以上问题，其效果在某知名运动品牌下属包装厂内得到验证，深受好评。

2设备构成和主要工艺

        全自动方底手腕纸袋制袋机用于生产带纸绳手提把的方底纸袋。主要由手把机组、贴把机组和主机构成；手把机将卷绳和贴片卷筒纸制成手把，通过输送装置将手把送至贴把机组，贴把机组将原色或印刷好的卷筒纸进行贴片位点断、贴片位涂胶、自动粘贴手把，再由主机将贴有手把的纸张进行涂边胶、成纸筒、切断、底部压痕、底部涂胶、袋底成形并输送出袋，整个制袋过程一次同步完成。是生产纸质手提袋的理想设备。

图1 制袋机设备构成图

该企业对机器提出了较高的精度和加工速度的要求，在考察多家控制系统厂商后，选择与贝加莱的合作，Automation Studio平台的集成性使得具有定制化的软件和硬件设计成为可能，赢得了客户信任。

3系统关键要素和设计需求

传统的纸袋机均采用机械传动方式，而全新设计的该款机型是采用全伺服设计，代替了诸多机械传动所带来的磨损造成的偏差，更为重要的在于，机器更为灵活的切换订单，因此，代表着这类机型的国际先进水平，也同时为了满足面向全球市场的竞争需要，该企业对贝加莱提出了较之以往更高的设计性能与功能指标，简介如下：

3.1采用全伺服驱动，应用电子齿轮和电子凸轮功能，实现高速、高精度柔性化生产

　　衡量机器的重要指标在于加工效率，全自动方底手腕袋制袋机只有达到高速、高精度的性能指标才能体现出其优势和价值。该设备可达到120个袋子/分钟的生产速度；精度要求±0.5mm，主要体现在左右手把要平齐，主切刀刀口和手把处的预切点断刀口要平齐。

　　该设备主要分为主机切断、牵引1、牵引2、送把手、上胶、点断、压痕、手把成型八个动作，每个动作都由伺服电机完成；为实现最大柔性化生产，生产各种规格的袋子都不需更换机械部件。整个控制过程是一个典型的多轴联动，根据具体工位应用到电子齿轮和电子凸轮功能。比如牵引1电机和牵引2电机实现送料和保证张力功能，张力平稳是保证加工精度的基础，根据不同材料和张力要求要保证两个电机间合适的速度差，需要用到电子齿轮功能；送把手电机、上胶电机和主机切断电机、完成手把处预切的点断电机之间的从动关系是电子凸轮，保证与材料接触段的同步和合适的补偿段，从而实现左右两手把、主切刀刀口、点断刀口之间的精度要求，由于生产的纸袋规格多种多样，电子凸轮需要可以灵活调整。

3.2实现快速换

　　为保证个性化，终端市场对纸袋的规格要求多种多样，但是小批量订单也越来越多。效率就是效益，纸袋机设备制造商必须解决简单、快速换单的问题，才能得到设备者的认可。

3.3降低废袋率

　　降低废袋就是增加效益，频繁的开停机和换单必然会造成浪费，如何降低废袋率也是必须要解决的一个问题。

4贝加莱纸袋机控制系统整体解决方案

对于客户所提出的整体包括最终设计性能指标、软件功能设计需求等进行了分析，并制定满足实际需求的系统整体解决方案，该方案由贝加莱从硬件到软件的整体方案构成，使得客户可以在一个源头获得整个系统的解决方案，这其中发挥了贝加莱系统所具有的优势，简要介绍如下：

4.1整体解决方案

       硬件上采用带运算的触摸屏PP400、分布式X20 分布式I/O模块、节能环保高性能伺服驱动器ACOPOSmulti、高动态同步伺服电机，通过现场级以太网总线POWERLINK联接；软件开发平台为实现完整的集成自动化理念的Automation Studio。真正实现了“一个主控、一条总线、一个开发平台”完成从上位组态、逻辑控制到运动控制所有功能，软件、硬件之间无缝联接的整体解决方案。从而实现架构最稳定、最精简。

(1)POWERLINK网络支撑

为了实现较高的控制精度与达到较快的响应能力，系统采用了100Mbps的实时以太网Ethernet POWERLINK作为总线，可以衔接各个伺服单元，提供快速的信息交换，POWERLINK可以实现高达200uS的循环周期刷新，完全满足该机器的系统任务需求。

(2)选用更为节能的ACOPOSmulti驱动系统

对于纸袋机而言，长期工作的运行成本很高，运行成本主要是表现在电力的消耗上，而这对于终端用户至关重要，该企业为了获得更具市场竞争力的设备，提出了能耗优化的要求，通过对其运动过程的分析，发现其运动过程包含了送把手、裁切动作等频繁加减速的动作，为了更好的对系统能源的消耗进行优化，选用了贝加莱ACOPOSmulti伺服驱动系统，该驱动系统是采用先进的共直流母线驱动技术，配备主动电源模块和再生线圈，其可以将处于发电机状态（减速、制动状态）的电机能量通过汇流二极管回到再生线圈，并经过DC-AC逆变器重新给其它处于电动机状态的电机，从而在整个传动系统内部实现能量的最优化分布，降低整机的能耗。

ACOPOSmulti除了通过再生线圈的能量重利用，另外，本身ACOPOS的驱动功率因素就较之传统的驱动系统更高。

（3）Power Panel控制显示一体化

由于加工速度达到120个/min，若将整个牵引、裁切、点断、上把手等动作进行分解，并且考虑到整个运动过程中最为重要的裁切尺寸的变小而对于裁切过程有着极大的频繁切换要求， 240个加速和减速段构成并且需要确保其过渡的平滑性，减少机械冲击，因此，整个机器的处理任务需要高性能的处理器来实现，贝加莱的Power Panel 400集成控制器的HMI可以达到最快200uS的任务，同时将显示、运动控制、逻辑任务在同一单元处理，满足高性能控制的同时，也确保了机器功能与性能升级的余量。

（4）色标信号驱动器直接输入

ACOPOSmulti伺服驱动系统自带有色标信号的处理，对于要求精度不高的，直接采样通过驱动器的Trigger信号即可，对于精度较高也可以通过8BAC0123的色标检测模块直接插入驱动单元的插槽即可实现，这些信号直接在驱动器处理，其处理速度更快，可以直接与驱动器的裁切编码器进行同步，确保高精度的裁切。

图2 ACOPOSmulti驱动系统直接色标检测原理图

4.2贝加莱运动控制专家库支持

1.虚拟主轴技术提供精度与最大的灵活性

        在贝加莱的运动控制系统中，多个轴的联动关系通过一个虚拟主轴关系被绑定，从而实现其高精度的同步功能，例如：主切刀与牵引构成凸轮关系、点断与主切刀的电子凸轮关系，这些关系按照时间、外部触发、内部触发多种形式形成运动逻辑关系，并在系统里进行统一建模，虚拟主轴可以是一个实际轴，也可以是一个数学模型，虚拟主轴通过POWERLINK网络给从轴发送当前速度与位置，每个ACOPOSmulti从轴均为智能轴，具有本地处理能力，根据主轴提供的位置，可以自主计算本地轴的运动并执行，ACOPOSmulti可以以400uS的周期进行位置同步，确保高精度的传动。

       虚拟主轴可以被理解为一个没有误差的传动系统，因为其电子传动的偏差远远大于机械的偏差，并且不会存在机械磨损以及具有自我补偿功能。

       虚拟主轴技术对机器更大的贡献体现在其灵活性，由于不同于传统的机械轴，电子轴可以进行参数的任意调整与设置，可以与生产的产品规格对应的机械轨迹路径相匹配，因此，它对于纸袋机的生产灵活性至关重要，操作者可以通过机器的参数设置，实现纸袋规格的大小变化，并能够快速实现新的订单切换，而不像传统机械要进行机械的调校，而这个调校又因为操作师傅的经验不同而造成产品品质的不一致。

2.电子凸轮重启功能

机器运行的另一个较大的成本来自损耗，例如机器突然掉电、急停、工艺造成的停车等，在传统的机械系统中，这些问题均会造成在制品的损耗，在制的纸袋被浪费掉，往往数个袋子就被损耗，这个问题困惑了行业的制造商，借助于贝加莱的ACOPOSmulti驱动系统的智能凸轮重启功能，该问题被很好的解决。

在处于突然掉电时，ACOPOSmulti的再生功能可以为辅助电源提供短时供电，确保CPU能够保存瞬时的轴位置信号，凸轮绑定关系的各轴当前位置和运行状态被记录，在重新启动后，智能的轴绑定关系被恢复，运动系统会据此重新计算同步的恢复时间和运动轨迹确保不会造成纸张的拉断、顺序错误等，并快速恢复至新的高速同步运动中。

通过这一功能，机器实现了1甚至0个的停机时废品，这个参数远远领先于同行业其他设备。

3.色标检测与控制

除了图2的ACOPOSmulti驱动器可以硬件上直接处理色标外，在B&R的Automation Studio平台的开发工具包中也支持直接对PLCopen库的支持，这也包括了PLCopen的色标控制模块的应用，通过PLCopen的色标捕捉MC_BR_RegmarkCapture库与裁切控制模块MC_BR_CrossCutterControl进行耦合，从而实现色标采样与裁切的同步控制，如图3所示。

图3 色标监测与控制模块

4.张力控制库

       张力控制对于纸袋机的整个精度、速度具有重要的作用，牵引单元的稳定张力确保后续加工的连续可靠运转，贝加莱Automation Studio为张力控制提供了多种应用的可能，包括带摆辊、不带摆辊、开环与闭环控制等多种控制方式，纸袋机的牵引1和2对于整个机器的材料输入稳定起到关键作用，依靠贝加莱先进的张力库，一方面易于开发应用，另一方面可以实现更快的张力闭环控制，确保张力恒定。

       贝加莱张力库极易使用，其为开发者提供多种控制模式，对卷径支持手动输入、预测与测量多种模式，开发者可以根据机器的实际对张力相关的参数的设置，例如卷轴尺寸、空卷转动惯量、减速比、动态转动惯量，通过设置，系统可以实现智能自整定运算，大大开发了系统开发和调试周期。 

4.3模块化软件设计思想

       模块化是贝加莱软件设计的核心，模块化可以实现机器的灵活配置，同时，每个模块的分解可以使得标准化成为可能，对于具有共性的通信、行业工艺库、控制功能库进行封装，然后提供接口，为应用集成建立快速的连接，标准化的软件模块具有高重用性和可靠性，而模块化使得机器的灵活配置和组态成为可能，确保机器的开发与调试更为高效，例如贝加莱的张力库、色标处理、电子凸轮裁切等，可以快速的为机器开发提供开发支持。

        在该款纸袋机的设计中，由底层到应用层划分为底层轴处理、网络、逻辑等执行，上一层为功能与工艺模块，最上层为应用集成，根据设备的实际需求来进行各个工艺模块的连接与接口测试，其层次结构如图4所示。

图4 模块化的软件设计

4.4其它功能设计

(1)配方管理：通过配方管理功能实现订单的快速切换，节省调整时间，适应个性化及小批量订单的要求。

(2)密码管理：通过多级密码权限管理保证现场操作界面的简洁性与修改设置的灵活性；自动密码生成功能则可避免设备制造商由于商务条款上带来的风险。

(3)远程维护：通过远程维护功能可在第一时间对终端客户的问题进行响应，同时最大限度的降低设备制造商的人员和经济投入，由于采用开放控制架构设计，基于最新IT技术的贝加莱控制系统内嵌VNC Server、Web Server，可以为客户提供远程基于IE浏览器的访问，并且可以定义访问等级与权限。

5系统框架图

系统框架图如图5所示，该架构结构清晰，接线简单，模块化设计易于维护与升级。

Power Panel可以直接安装于电柜表面，通过一根POWERLINK电缆连接8个伺服轴，ACOPOSmulti采用模块化底板，POWERLINK电缆走线距离短，并且采用级联方式，易于布线，易于升级扩展到更多轴的控制。

图5.系统框架与配置图

整个机器的HMI画面设计、电气动作逻辑、伺服传动控制、通信连接均在贝加莱集成开发平台Automation Studio下完成，实现了无缝的内部连接，系统稳定可靠。

6结束语

该机器最终实现了预期的性能与功能指标，达到120个/分钟的加工速度和+/-0.5mm的加工精度，并且最为重要的是废品率大大降低，使得该机器在行业里成为最具领先的机型，取得了良好市场和经济效益。