摘要：本文主要介紹了Lenze伺服系統(tǒng)在吹灌旋一體機(jī)中的應(yīng)用，通過(guò)介紹吹灌旋一體機(jī)的部分生產(chǎn)工藝，闡述了Lenze伺服系統(tǒng)在灌裝設(shè)備中的解決方案，突出了Lenze伺服系統(tǒng)在灌裝設(shè)備中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提出了分離式伺服系統(tǒng)方案。
關(guān)鍵字：吹灌旋一體機(jī) 伺服系統(tǒng) 相位同步 EtherCAT
1、前言
隨著飲料消費(fèi)市場(chǎng)的日益擴(kuò)大，其對(duì)PET材料的需求也必然水漲船高。面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，如何節(jié)能也是灌裝飲料設(shè)備的首要問(wèn)題，傳統(tǒng)的灌裝設(shè)備，由于吹瓶機(jī)與灌裝機(jī)之間通過(guò)撥輪輸送空瓶，這種方式容易造成瓶子之間的擠壓而變形，因此，目前吹灌旋一體機(jī)可直接進(jìn)行瓶子的成形、灌裝和旋蓋工作，這樣可以避免瓶子之間的擠壓，這樣采用輕量化瓶子即可滿足工藝要求，每個(gè)瓶子可以節(jié)省大約4克。如果按此計(jì)算一臺(tái)36000瓶/小時(shí)吹灌旋一體機(jī)，每天工作10個(gè)小時(shí)，那么每年可節(jié)省PET材料大約526噸。因此發(fā)展吹灌旋一體機(jī)將是國(guó)際市場(chǎng)上的主要趨勢(shì)，目前對(duì)于大多數(shù)吹灌旋一體機(jī)，吹瓶機(jī)部分主要采用變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，灌裝和旋蓋機(jī)采用伺服進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并跟隨吹瓶機(jī)編碼器進(jìn)行同步運(yùn)行。Lenze除了此機(jī)型的成熟解決方案，同時(shí)目前也開發(fā)出了全套伺服解決方案，既吹瓶機(jī)、灌裝機(jī)、旋蓋機(jī)和加熱系統(tǒng)全部采用伺服進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)吹瓶機(jī)快速制動(dòng)，相位同步及整機(jī)的邏輯控制積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。其設(shè)備示意圖如圖：圖1 吹灌旋一體機(jī)。
圖1 吹灌旋一體機(jī)
2、吹灌旋一體機(jī)的構(gòu)成
吹灌旋一體機(jī)主要由吹瓶機(jī)、灌裝機(jī)、旋蓋機(jī)和加熱系統(tǒng)組成。吹瓶機(jī)主要負(fù)責(zé)將加熱好的瓶坯，通過(guò)拉伸機(jī)構(gòu)的作用，使瓶坯拉伸，然后向瓶中吹氣，最后瓶子在壓力和溫度的條件下最終形成合格的瓶子，由機(jī)械手取出，其工藝流程為：瓶坯→加熱→機(jī)械手→轉(zhuǎn)盤模具→拉伸預(yù)吹→吹瓶→排氣→成品瓶→過(guò)渡撥輪→灌裝→旋蓋→產(chǎn)品。灌裝機(jī)：灌裝機(jī)是將原料注入瓶子的一種設(shè)備，灌裝機(jī)根據(jù)設(shè)備產(chǎn)量的不同，其灌裝頭數(shù)也不相同，其原理是將吹制的瓶子由過(guò)渡撥輪傳送至灌裝機(jī)。瓶子由提升氣缸上的瓶夾，卡住瓶口并在凸輪作用下實(shí)現(xiàn)上升與下降。灌裝機(jī)采用重力灌裝方式，瓶口上升頂開灌裝閥，開始灌裝，當(dāng)原料上升到堵住回氣孔位置時(shí)灌裝結(jié)束。旋蓋機(jī)：旋蓋機(jī)是將瓶蓋旋緊在瓶子上，將瓶子密封的一種設(shè)備。瓶子由過(guò)渡撥輪進(jìn)入旋蓋機(jī)。旋蓋機(jī)上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉(zhuǎn)。旋蓋頭在旋蓋機(jī)上保持公轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，在凸輪作用下實(shí)現(xiàn)抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋等動(dòng)作，完成整個(gè)封蓋過(guò)程。加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)是吹瓶質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，其整個(gè)過(guò)程采用多段紅外加熱燈管進(jìn)行加熱，溫度采用控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。瓶坯在公轉(zhuǎn)鏈條的帶動(dòng)下，并自轉(zhuǎn)通過(guò)加熱燈管，使瓶坯獲得最佳溫度并傳送到吹瓶機(jī)系統(tǒng)。詳見圖2 吹灌旋一體機(jī)示意圖。
圖2 吹灌旋一體機(jī)示意圖
3、Lenze解決方案
Lenze在吹灌旋一體機(jī)上主要有三種應(yīng)用方案，第一種為單軸伺服驅(qū)動(dòng)方案，此方案主要針對(duì)于吹瓶機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，灌裝機(jī)和旋蓋機(jī)兩個(gè)一起由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)運(yùn)，伺服跟隨吹瓶機(jī)單圈絕對(duì)值編碼器同步運(yùn)行。第二種為雙軸伺服驅(qū)動(dòng)方案，此方案和第一種相同，只是將灌裝機(jī)和旋蓋機(jī)分別各用一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第三種為全伺服解決方案，本文將以此案例進(jìn)行分析，前兩種方案采用Lenze基于驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)解決方案，后者則采用Lenze基于控制器的系統(tǒng)解決方案。此方案為集中式控制方案，所有的運(yùn)動(dòng)控制程序均由運(yùn)動(dòng)控制器完成，并通過(guò)EtherCAT總線控制各伺服軸模塊。
3.1 Lenze主要產(chǎn)品
(1)面板控制器 p500：該系列產(chǎn)品為L(zhǎng)enze推出的一款基于PC技術(shù)的工控機(jī)產(chǎn)品，其軟件采用Windows CE 6.0 操作系統(tǒng)，內(nèi)置Codesys 控制軟件和VisiWinNET Compact CE 界面監(jiān)控軟件。其控制器功能集成邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制兩種功能，編程方式符合IEC 61131-3 (IL、LD、FDB、ST、SFC and CFC Editor)和PLCopen Part 1 + 2編程環(huán)境，同時(shí)支持CNC 的Graphic DIN 66025 Editor (G-Code) 的編程，支持Cam 曲線的編程及設(shè)計(jì)。在硬件方面，該控制器標(biāo)配有兩路以太網(wǎng)口，兩個(gè)USB接口，1個(gè)EtherCAT接口，同時(shí)支持一路擴(kuò)展通信接口，可安裝Can和Profibus-DP 通訊。
(2)伺服驅(qū)動(dòng)器i700 ：i700是Lenze推出的為控制器配套的一款簡(jiǎn)易式伺服產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用Lenze最高端伺服的硬件配置。該伺服驅(qū)動(dòng)器無(wú)PLC及運(yùn)動(dòng)編程能力，其所有的程序、版本信息和電機(jī)參數(shù)需均由運(yùn)動(dòng)控制器完成。
(3)GKS 系列異步伺服減速電機(jī)：該產(chǎn)品由Lenze 的MCA減速電機(jī)結(jié)合G系列減速機(jī)組成，具有精度高，耐沖擊，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此系列采用直交軸輸出方式，支持實(shí)心軸和空心軸兩種安裝方式。異步伺服和同步伺服可應(yīng)用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。由于灌裝設(shè)備具有慣量大和連續(xù)運(yùn)行的工作方式，異步伺服的高慣量匹配度的功能非常適合該設(shè)備的運(yùn)行。在相同功率下，異步伺服在相位同步精度方面也是最為出色的。此系列伺服在無(wú)論低速或高速運(yùn)行條件下均能滿足設(shè)備的控制精度要求(大約2mm)，還可有效避免低速運(yùn)行下的抖動(dòng)問(wèn)題。
3.2 Lenze解決方案
系統(tǒng)軟件上采用共虛軸工作模式，各實(shí)軸同步于虛軸，實(shí)現(xiàn)了各軸之間的相位同步、自動(dòng)回歸同步位、尋零和起停等功能。硬件上位機(jī)采用LenzeP500產(chǎn)品通過(guò)EtherCAT總線與Lenze伺服控制器I700和IO系統(tǒng)相連，用于運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制功能。伺服供電采用集中方式，既各伺服模塊之間通過(guò)直流母線相連進(jìn)行供電，從而簡(jiǎn)化了接線工作，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)各軸之間的能源共享，從而達(dá)到節(jié)能的目的。電機(jī)采用LenzeGKS異步伺服減速電機(jī)組成。具體參見圖3吹灌旋系統(tǒng)拓?fù)鋱D。
圖3 吹灌旋系統(tǒng)拓?fù)鋱D
3.3 實(shí)現(xiàn)的主要功能
Lenze結(jié)合客戶工藝要求和產(chǎn)品特點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：
(1)虛軸控制：采用虛軸作為主軸，可使各實(shí)軸完全同步于虛軸，有效避免級(jí)聯(lián)系統(tǒng)引起的累積誤差;
(2)斷電同步停車：斷電同步停車功能可用于生產(chǎn)線意外斷電。各不同慣量的實(shí)軸可以同步停車。其主要原理是將機(jī)械的慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)化為伺服的電能，再給電機(jī)制動(dòng)。此功能必須要求伺服的控制回路一直有24V控制電源和伺服之間的直流電源并聯(lián)。
(3)自動(dòng)回歸同步：設(shè)備要求在運(yùn)行過(guò)程中各從軸之間一定要相位同步運(yùn)行，避免各瓶夾之間錯(cuò)位運(yùn)行，從而損害瓶夾。因此在設(shè)備運(yùn)行前，伺服會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各伺服之間的位置。如不在同步位，啟動(dòng)時(shí)伺服會(huì)按最短瓶夾距回歸同步位，然后再同步運(yùn)行。當(dāng)然通過(guò)觀察監(jiān)控系統(tǒng)的同步狀態(tài)指示燈，如不在同步位，也可一鍵回歸回步位。
(4)零點(diǎn)設(shè)定：設(shè)備的零點(diǎn)設(shè)定采用手動(dòng)設(shè)定零點(diǎn)方式。由于未安裝零點(diǎn)開關(guān)，設(shè)備設(shè)定零點(diǎn)需由操作工通過(guò)人眼觀察逐個(gè)設(shè)定零點(diǎn)。伺服本身具備零點(diǎn)自動(dòng)保存功能，因此在完成零點(diǎn)設(shè)定后，只要在不人為拆卸伺服電機(jī)或者在伺服斷電的情況下，手動(dòng)盤車伺服均可自動(dòng)記憶零點(diǎn)。
(5)實(shí)時(shí)誤差檢測(cè)：同步精度是設(shè)備正常運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。每臺(tái)伺服程序均設(shè)有實(shí)時(shí)的誤差監(jiān)控程序，伺服可通過(guò)伺服編碼器的位置和伺服控制器中虛軸的位置進(jìn)行比較。比較指令每毫秒進(jìn)行一次，這樣設(shè)備運(yùn)行中如發(fā)現(xiàn)每毫秒出差位置誤差，設(shè)備即可立刻進(jìn)入停車程序。
3.4 Lenze亮點(diǎn)
經(jīng)過(guò)多年在灌裝行業(yè)的投入及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累，Lenze如今已具備了眾多的成熟技術(shù)亮點(diǎn)。其主要技術(shù)亮點(diǎn)如下：
(1)引入伺服技術(shù)，采用電子軸同步方式取代傳統(tǒng)的機(jī)械軸同步方式。引入伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備各單元單獨(dú)運(yùn)行，方便了設(shè)備的調(diào)試、故障處理、機(jī)器清潔、日常維護(hù)等操作，突破了機(jī)械軸同步方式速度的制約，使得設(shè)備安裝更加緊湊和靈活。
(2)斷電同步停車功能及相位保持。伺服具有機(jī)械能量回饋功能，配合智能伺服的控制和集中供電模塊可能實(shí)現(xiàn)回饋能量的共享，在斷電情況下實(shí)現(xiàn)同步停車。伺服本身具有位置保存的功能，配合制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)相位保持功能。
(3)零點(diǎn)保持及自動(dòng)回歸同步位。伺服具有零點(diǎn)保持功能，自動(dòng)尋零后，如果沒(méi)有機(jī)械上的改動(dòng)可不必尋零，設(shè)備在一個(gè)瓶位內(nèi)按最短距離,可自動(dòng)回歸到同步位，從而減小起動(dòng)時(shí)間。同時(shí)系統(tǒng)在每周內(nèi)自動(dòng)采集零點(diǎn)信號(hào)，用于驗(yàn)證機(jī)械磨損和打滑誤差，如果達(dá)到設(shè)定誤差，則立刻停止運(yùn)行，并在起動(dòng)時(shí)設(shè)備可自動(dòng)重新尋找零點(diǎn)，然后重新運(yùn)行。
(4)采用共虛軸工作方式，避免累積誤差產(chǎn)生。伺服采用32位操作系統(tǒng)，并采用余數(shù)補(bǔ)償機(jī)制，避免計(jì)算誤差的產(chǎn)生。
(5) Lenze一體化減速機(jī)，避免機(jī)械誤差產(chǎn)生。Lenze采用一級(jí)小齒輪直接驅(qū)動(dòng)減速箱齒輪，并且采用小齒輪過(guò)盈配合方式連接，因此具有高精度，低噪音等優(yōu)良的性能。
4、展望
無(wú)菌冷灌裝工藝因其可有效保護(hù)營(yíng)養(yǎng)的完整性，確保飲料的原汁原味而備受青睞。目前無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段，面向未來(lái)巨大的消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線必將向高速、安全方向發(fā)展。
高速的生產(chǎn)線意味著在同等的生產(chǎn)級(jí)及工作車間投入條件下能夠帶來(lái)更大的生產(chǎn)能力。目前國(guó)內(nèi)無(wú)菌生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度平均為42000瓶/小時(shí)，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)軸式生產(chǎn)線由于其機(jī)械磨損及精度的原因，速度已不能滿足工藝要求。因此，采用分離式伺服傳動(dòng)系統(tǒng)是目前可實(shí)現(xiàn)高速生產(chǎn)線的一個(gè)重要因素。隨著日新月異的工藝要求，無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線未來(lái)將進(jìn)一步向更加分離式及更多的伺服系統(tǒng)投入方向發(fā)展，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)速度。
安全的生產(chǎn)線是人們喝到健康飲料的前提。由于沒(méi)有高溫殺菌的環(huán)節(jié)，這就要求無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線必須從機(jī)械設(shè)計(jì)角度實(shí)現(xiàn)無(wú)菌環(huán)境，如灌裝凈化室必須達(dá)到100級(jí)以上的空氣凈化要求，灌裝閥門結(jié)構(gòu)還必須簡(jiǎn)單，易于清洗，并確保閥內(nèi)無(wú)夾縫等衛(wèi)生死角。無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線必須著重于優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝方法，向無(wú)菌、安全方向發(fā)展。
總之，在未來(lái)的飲料行業(yè)，無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線憑借其多種優(yōu)勢(shì)，必將引領(lǐng)灌裝生產(chǎn)線的技術(shù)潮流，成為一種重要的飲料生產(chǎn)方式。
（轉(zhuǎn)載）
