摘要：一次性杯、碗、盤、碟等塑料包裝制品正廣泛應用于飲料、食品、蔬菜、水果以及工業(yè)制品領域。隨著需求的不斷增長，各種包裝制品用量逐年增加，同時對其生產(chǎn)設備的需求日益提高，吸塑成型機市場前景看好。
關鍵字：熱成型機 包裝制品 曲柄搖桿機構 矩陣式加熱 定位曲線 運動控制 力矩限幅 PackML 功能模板
1 前言
隨著技術的革新，成型設備不斷更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的液壓型吸塑機已經(jīng)無法滿足市場的需求，自動化程度更高的伺服系統(tǒng)正逐漸取而代之，熱成型技術的不斷發(fā)展使其應用領域日趨廣泛，各個設備供應商針對客戶一機多用、高靈活性等需要不斷推出新產(chǎn)品。在激烈的市場競爭下，為幫助用戶更加有效地利用資源從而降低成本提高效益，必須不斷改進控制系統(tǒng)，使之能夠出色地完成用戶的各項需求，通過提升機械設備的自動化程度，充分利用原材料，降低生產(chǎn)成本，減少維護時間，進而幫助用戶提升市場競爭力，共同贏得長久穩(wěn)定的客戶群體。Lenze 產(chǎn)品以優(yōu)異的性能、高精確度、高運行可靠度，甚至可客戶定制化等特點出色地滿足了此類設備的各項要求。
2 多工位成型機的結構
目前，熱成型機的控制系統(tǒng)一般采用日系和歐系品牌，日系主要為安川系統(tǒng)，歐系則有 Lenze 倫茨、B&R 貝加萊、SIEMENS 西門子。熱成型設備的制造工藝不斷提高，機械設備的生產(chǎn)速度逐漸加快;在片材加熱溫度、模具規(guī)格、壓合時間等常規(guī)條件下均衡對比，國內(nèi)生產(chǎn)的設備其穩(wěn)定工作速度不超過 40 模/分鐘，臺灣設備基本超過國內(nèi)，歐洲進口的設備可達 60 模/分鐘甚至更高，如何提升設備產(chǎn)能已經(jīng)成為競爭制勝的必要手段，目前采用 Lenze 控制系統(tǒng)的熱成型機已達到進口設備的生產(chǎn)速度，其工作穩(wěn)定、運行平穩(wěn)的特點成功地幫助客戶打開了海外市場。隨著技術的不斷進步，各項功能必將日臻完善。
生產(chǎn)工藝：
圖 1 多工位成型機工藝流程
3 Lenze 產(chǎn)品簡介
Lenze 是業(yè)界最具創(chuàng)新性的企業(yè)之一，以驅動和自動化為核心競爭力，設備采用3200C 運動控制器組態(tài) i700 系列伺服驅動器構建多軸系統(tǒng)，標配 EtherCAT 運動總線，采用再生能量單元或者功率模塊連接制動電阻的形式來處理能量回饋，保證了設備的安全可靠。模臺定位功能采用 Lenze 8400motec 變頻一體機，通過上位機的 CANOpen 接口建立通訊，控制各個站的工作運行，加熱系統(tǒng)采用 PROFIBUS 接口通訊控制西門子 HCS716I溫度控制器，優(yōu)化的程序算法使溫控系統(tǒng)更加快速、精確。
3.1 3200C 運動控制器
最小 1 毫秒的執(zhí)行周期，支持 CANOpen、EtherCAT、Profibus 等標準通訊協(xié)議，組態(tài)分布式 IO 系統(tǒng)，多種模塊組合控制設備的運行，最新的 PLC Designer3.8 版編程軟件，完成了機器的模擬、組態(tài)、編程及監(jiān)控等各項功能，標準 IEC61131-3 的編程規(guī)范降低了使用者的入門難度，只需熟悉常規(guī)編程技巧即可靈活應用，極大縮減了程序的開發(fā)周期。
3.2 i700 伺服驅動器
伺服本身提供 EtherCAT 標準總線接口，設備順次連接后自動掃描即可檢測到每一個工作站，無需繁瑣的硬件撥碼設置，有效地減少了硬件排錯時間，提供旋轉變壓器和編碼器兩種伺服電機的反饋接口，用戶可自行選擇，充分體現(xiàn)了 Lenze 伺服靈活易用的特點。
3.3 MCA 異步伺服電機
此設備采用 Lenze 的 MCA 異步伺服電機，旋轉變壓器的反饋，配置 GKS、GFL 標準減速器使機電產(chǎn)品合理配合，充分發(fā)揮了系統(tǒng)性能，有效地降低了運行噪音并使之運行平穩(wěn)，機械抱閘確保設備的正常工作或突發(fā)斷電時工作臺的安全可控。
4 Lenze i700 多軸系統(tǒng)解決方案
Lenze 可提供整套系統(tǒng)解決方案，以四工位高速成型機為例，系統(tǒng)以 3200C 運動控制器為核心，組態(tài) 8 臺 i700 伺服控制器驅動 MCA 電機，完成片材的送料、成型、沖孔、裁剪及堆疊等功能。采用 Lenze 標準運動控制功能，完成各個軸的抱閘、回零、定位及運動曲線控制功能，減少了系統(tǒng)的開發(fā)周期并提高了重復利用率。
控制程序和設備的參數(shù)全部存儲在 3200C 標配的存儲卡內(nèi)，即使發(fā)生了故障，只需備份卡內(nèi)數(shù)據(jù)，待更換新的控制器后插卡上電，控制器即會自動裝載數(shù)據(jù)并運行程序，通過狀態(tài)指示燈即可判斷 PLC 的運行狀態(tài)，極大地提高了設備的升級及維護效率。高度集成的程序設計軟件 PLC Designer 可完成整個項目的組態(tài)、調(diào)試工作，讓各個軸的操作及運行數(shù)據(jù)變得一目了然，同時控制器也具備 Web 遠程協(xié)議功能，只需搭建互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問終端即可實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)控，方便設備制造商隨時掌握設備的運轉情況。成型機系統(tǒng)架構如下圖所示：
圖 2 多工位成型機系統(tǒng)架構
5 技術關鍵點
1. 運動控制器 3200C，搭載 Intel? Atom? 1.6G 高速處理器，集成邏輯、運動控制功能，分級存儲區(qū)域用來裝載人機界面程序，摒棄了傳統(tǒng)的總線通訊方式，加快了交互處理速度，縮減了人機界面的響應時間。
2. 進線電源經(jīng)過濾波確保了其穩(wěn)定性，i700 軸模塊的對稱安裝方式確保可更加有效地利用該母線電壓，功率單元配置制動電阻，在負載頻繁的往復運行中有效轉化剩余能量，從而消除了對設備的回饋沖擊，提升了使用壽命;通過提高扭矩限幅顯著地提升了帶載能力，使驅動單元的性能發(fā)揮到極致。優(yōu)化的系統(tǒng)設計可最大限度地利用系統(tǒng)資源。
3. 通過分析機械結構，建立曲柄搖桿負載結構的幾何模型，得到軸的運行角度與模臺升降的位置對應關系，建立數(shù)學模型生成運行曲線，得到機械運行的參數(shù)最優(yōu)值，更加充分地發(fā)揮了伺服的性能。
4. 在人機界面的前置接口，使用普通 U 盤即可備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使維護變得極為簡單。
6 發(fā)展趨勢
隨著人們環(huán)保意識的提高，可降解片材必將逐步取代傳統(tǒng)的樹脂材料，那么必須全面改進設備以適應新材的各項特性，在提升用戶市場競爭力的同時也改善了我們的生存環(huán)境，目前可降解材料已經(jīng)成功推向包裝市場，不久即將得到廣泛的應用，在可預期的未來納米片材或將廣泛應用于包裝領域。
Lenze 3200C 控制器通過 DP 主站接口組態(tài)西門子 HCS716I 從站，設置溫控標準時間基值，優(yōu)化算法后提升了加熱系統(tǒng)的前饋環(huán)節(jié)，在 15 分鐘以內(nèi)即可加熱到預定溫度，穩(wěn)定后的溫度波動在±0.5 度以內(nèi)，滿足用戶的需求且在同類設備中處于領先水平。在后續(xù)的升級過程中用戶可采用紅外加熱方式，片材的受熱將更加均勻，產(chǎn)品品質(zhì)將得到提升。隨著系統(tǒng)的升級，Lenze 也在積極開發(fā)新的工程應用系統(tǒng)，在后續(xù)的調(diào)試中將采用新的運動控制 PackML 功能來實現(xiàn)，可極大縮短新設備的運動控制部分的開發(fā)周期，顯著提高設計人員的工作效率。
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