1 前言

在現(xiàn)代社會(huì)中，瓶灌裝生產(chǎn)線(xiàn)廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、日化等行業(yè)，灌裝生產(chǎn)線(xiàn)水平的高低直接關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，特別是自動(dòng)化、智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，瓶灌裝機(jī)行業(yè)受益匪淺。目前，瓶灌裝機(jī)市場(chǎng)需求龐大，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠(chǎng)商眾多，競(jìng)爭(zhēng)極為激烈。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)，如何降低成本，提高生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)水平成為眾多企業(yè)的迫切需求。

為降低成本、提高技術(shù)水平，電子凸輪取代機(jī)械凸輪的使用成為一種趨勢(shì)。電子凸輪的使用極大地降低了生產(chǎn)成本。一般來(lái)說(shuō)，一種電子凸輪對(duì)應(yīng)一種瓶灌裝產(chǎn)品，對(duì)于需要灌裝多種規(guī)格瓶子的生產(chǎn)線(xiàn)，需要在伺服驅(qū)動(dòng)器中預(yù)置對(duì)應(yīng)數(shù)目的電子凸輪曲線(xiàn)，但對(duì)于計(jì)劃外的瓶子灌裝則無(wú)能為力。Lenze公司推出了9400伺服PLC，采用在線(xiàn)電子凸輪曲線(xiàn)計(jì)算的方式解決了這個(gè)問(wèn)題，本文以灌裝半固體物質(zhì)的瓶灌裝機(jī)為例，提出了電子凸輪CAM在線(xiàn)計(jì)算的解決方案。

2設(shè)備主體結(jié)構(gòu)

設(shè)備主體部分主要由運(yùn)輸鏈、大盤(pán)、托盤(pán)和灌裝噴嘴等機(jī)械部件組成。運(yùn)輸鏈：灌裝時(shí)，將灌裝瓶送至灌裝處；灌裝完畢后，再將已完成灌裝的瓶子運(yùn)走；大盤(pán)：大盤(pán)轉(zhuǎn)一圈完成一個(gè)工位瓶子的灌裝，即一個(gè)瓶子灌裝完畢后，大盤(pán)轉(zhuǎn)一圈，將此瓶從灌裝位置移出，同時(shí)將下一個(gè)瓶子移至灌裝噴嘴所處的灌裝位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)瓶子的灌裝；托盤(pán)：托舉瓶子，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，可以進(jìn)行精確的CAM位置升降運(yùn)動(dòng)；灌裝噴嘴：形狀為一細(xì)長(zhǎng)圓柱噴嘴。每一工位瓶子進(jìn)行灌裝時(shí)，通過(guò)設(shè)備控制噴嘴一定的液體流量。

灌裝的主要時(shí)序如下：設(shè)備灌裝時(shí)，首先通過(guò)運(yùn)輸鏈將瓶子運(yùn)送至灌裝處，自動(dòng)裝至托盤(pán)；灌裝噴嘴位置保持不動(dòng)，由伺服電機(jī)控制托盤(pán)上升使瓶底接近噴嘴位置；灌裝時(shí)，液體在固定壓力下從噴嘴流出，灌裝噴嘴位置固定，伺服電機(jī)控制托盤(pán)瓶子根據(jù)CAM曲線(xiàn)位置自動(dòng)下降，使噴嘴與液面始終保持固定位置；灌裝完畢后，大盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，使灌裝完畢的瓶子移向傳輸鏈，并由傳輸鏈送走，同時(shí)將下一個(gè)空瓶子移至噴嘴所在位置，進(jìn)行下一個(gè)瓶子的灌裝。

此外，也有其他灌裝設(shè)備采取托盤(pán)瓶子位置固定，通過(guò)控制噴嘴的上升、下降位置、速度來(lái)控制瓶子灌裝。雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)有所不同，但原理大同小異，均使用伺服電機(jī)控制位置，以保持灌裝時(shí)噴嘴和瓶?jī)?nèi)液面的位置不變。

3 主要難點(diǎn)

為提高產(chǎn)品的多樣性和競(jìng)爭(zhēng)力，大部分客戶(hù)設(shè)計(jì)或選用不同形狀的瓶子用于產(chǎn)品包裝，作為其提高市場(chǎng)吸引力，進(jìn)而提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要舉措，但這也增大了瓶子灌裝的難度。

由于灌裝所用材料大部分為液態(tài)或半固態(tài)的物質(zhì)，且有不同的顏色，為保證整體產(chǎn)品的質(zhì)量，灌裝時(shí)，須保持噴嘴與瓶?jī)?nèi)液面的位置恒定。若灌裝時(shí)，噴嘴與瓶?jī)?nèi)液面位置快速脫離或者接觸上，容易導(dǎo)致灌裝物質(zhì)在瓶?jī)?nèi)噴濺或者瓶?jī)?nèi)產(chǎn)品的內(nèi)部會(huì)有氣泡，這樣就會(huì)影響產(chǎn)品外觀(guān)及質(zhì)量。因此如何建立方程或者曲線(xiàn)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制實(shí)現(xiàn)灌裝CAM曲線(xiàn)，保證灌裝質(zhì)量，是灌裝需要考慮的重要問(wèn)題。

此外，一般來(lái)說(shuō)，一種形狀的瓶子對(duì)應(yīng)一種灌裝CAM曲線(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，客戶(hù)經(jīng)常會(huì)使用不同形狀的瓶子，按常規(guī)考慮，則需要在驅(qū)動(dòng)器中預(yù)存不同的CAM曲線(xiàn)，但這意味著只能灌裝在驅(qū)動(dòng)器中預(yù)存形狀的瓶子，一旦遇到其它形狀的瓶子，除非修改曲線(xiàn)，否則影響灌裝質(zhì)量。但在終端客戶(hù)那里，這會(huì)極為麻煩。因此如何建立一種方程，使之適應(yīng)絕大多數(shù)形狀的瓶子，也是一個(gè)主要的難點(diǎn)。

4解決方案

Lenze 9400伺服PLC提供了解決問(wèn)題的主要載體，9400伺服PLC除具備伺服器的功能外，還兼具PLC的功能，可以進(jìn)行自由編程。這樣，只要建立了合適的方程，就可以通過(guò)9400伺服PLC以CAM方式實(shí)現(xiàn)，以解決灌裝中存在的問(wèn)題。

4.1 Lenze產(chǎn)品

9400伺服PLC是Lenze公司推出的一款伺服控制器，也是Lenze最高精度系列產(chǎn)品之一，能為系統(tǒng)處理和過(guò)程控制提供革命性技術(shù)方法。主要特點(diǎn)如下：

1) 較高的運(yùn)算速度及控制精度

控制器采用32位處理器，極大地提高了運(yùn)算及控制精度。

2) 兼容PLC編程功能

9400伺服PLC具備PLC編程功能，可靈活實(shí)現(xiàn)客戶(hù)不同的需求。同時(shí)，PLC運(yùn)行掃描時(shí)間極為迅速，快達(dá)1ms。

3) 通訊兼容性

通過(guò)選擇不同的通訊模塊，9400伺服PLC可以快捷地與第三方PLC或者其他伺服驅(qū)動(dòng)器通訊，如Profibus-DP、ProfiNet、EtherCAT等模塊。

4) 可集成的安全技術(shù)

可選的可插拔安全模塊可滿(mǎn)足IEC 61508SIL3安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。模塊化的解決方法，對(duì)于滿(mǎn)足將來(lái)可能進(jìn)一步增加的安全要求也提供了可靠的保證。

4.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置如圖1所示。9400伺服PLC驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)同步伺服電機(jī)控制托盤(pán)的上下運(yùn)動(dòng)，電子凸輪CAM曲線(xiàn)由9400伺服PLC在線(xiàn)計(jì)算，并存儲(chǔ)在9400伺服PLC中。大盤(pán)上安裝一個(gè)SSI絕對(duì)值編碼器，編碼器信號(hào)接入9400伺服PLC X8接口中，作為CAM曲線(xiàn)的主軸信號(hào)，大盤(pán)轉(zhuǎn)一個(gè)工位，編碼器則旋轉(zhuǎn)一周。

圖1 系統(tǒng)配置圖

由于系統(tǒng)需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，執(zhí)行電機(jī)選用Lenze高性能MCS同步伺服電機(jī)。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生發(fā)電能量，9400伺服PLC驅(qū)動(dòng)器外接一個(gè)制動(dòng)電阻。

9400伺服PLC驅(qū)動(dòng)器通過(guò)集成的CAN接口與觸摸屏進(jìn)行通訊，擴(kuò)展IO接口通過(guò)CAN總線(xiàn)與9400伺服PLC相連。

4.3 實(shí)現(xiàn)的主要功能

1) CAM曲線(xiàn)在線(xiàn)計(jì)算

在畫(huà)面上輸入關(guān)于瓶子形狀的特征點(diǎn)，9400伺服PLC程序中即可根據(jù)瓶子形狀特征點(diǎn)得出瓶子形狀體積模型，然后根據(jù)瓶子體積、灌裝速度、大盤(pán)SSI編碼器角度計(jì)算出通用曲線(xiàn)方程，離散化得到計(jì)算CAM曲線(xiàn)。

2) CAM曲線(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤保護(hù)

由于在灌裝過(guò)程不允許電機(jī)倒轉(zhuǎn)或者暴沖，CAM曲線(xiàn)的計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)行容錯(cuò)檢查。

a) 特征點(diǎn)坐標(biāo)值輸入錯(cuò)誤檢查；

b) 灌裝曲線(xiàn)趨勢(shì)檢查；

c) 檢查計(jì)算結(jié)果相鄰點(diǎn)之間值是否跳變過(guò)大，以防止電機(jī)出現(xiàn)暴沖現(xiàn)象。

3) CAM曲線(xiàn)在線(xiàn)切換

在生產(chǎn)線(xiàn)灌裝過(guò)沖中，使用CAM曲線(xiàn)在線(xiàn)切換功能，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)切換灌裝不同的瓶子。

4) Lock to CAM 功能

運(yùn)行CAM曲線(xiàn)前，電機(jī)可能在任意位置。為防止投入CAM曲線(xiàn)運(yùn)行瞬間電機(jī)出現(xiàn)暴沖現(xiàn)象，可采用以下辦法：投入CAM曲線(xiàn)運(yùn)行命令后，先將電機(jī)位置自動(dòng)定位到CAM計(jì)算曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的位置，定位完成后再自動(dòng)運(yùn)行CAM曲線(xiàn)。

5) 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

在外部慣量較大時(shí)，可以采用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，外部負(fù)載為固定值，且負(fù)載方向一直向下，可以等同為位能性負(fù)載。伺服控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)桿上升時(shí)，需要加上此負(fù)載對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩量；電機(jī)帶動(dòng)桿下降時(shí)，則需要減去此負(fù)載對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩量。

5 Lenze亮點(diǎn)

1) 高精度的伺服PLC驅(qū)動(dòng)器，32位處理器，具備極高的運(yùn)算及控制精度，程序掃描時(shí)間可達(dá)1ms；

2) 除具備9400伺服驅(qū)動(dòng)器特性外，還兼容PLC功能。一臺(tái)9400伺服PLC可替代PLC+伺服驅(qū)動(dòng)器的組合，減少成本，性?xún)r(jià)比較高；

3) 可執(zhí)行公式生成的計(jì)算CAM曲線(xiàn)或者固定CAM曲線(xiàn)，CAM曲線(xiàn)之間可進(jìn)行在線(xiàn)切換；

4) 兼容第三方設(shè)備的Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等常用的通訊；

5) 外圍可擴(kuò)展IO端口。

6 結(jié)論

9400伺服PLC驅(qū)動(dòng)器除具備高精度伺服控制的特點(diǎn)，兼具PLC的功能，支持ST、FBD等多種編程語(yǔ)言，還可以進(jìn)行外圍IO擴(kuò)展，具備較高的性?xún)r(jià)比。此外，還可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)CAM曲線(xiàn)計(jì)算、固定CAM曲線(xiàn)與計(jì)算CAM曲線(xiàn)的切換等多種功能，對(duì)于灌裝設(shè)備技術(shù)水平的提升有著重要的實(shí)際應(yīng)用意義。