摘要：文章主要介紹了Lenze伺服系統在吹灌旋一體機中的應用，通過(guò)介紹吹灌旋一體機的部分生產(chǎn)工藝，闡述了Lenze伺服系統在灌裝設備中的解決方案，突出了Lenze伺服系統的在灌裝設備中的應用優(yōu)勢，提出了分離式伺服系統方案。

    關(guān)鍵字：吹灌旋一體機 伺服系統 相位同步 EtherCAT

    1 前言

     隨著(zhù)飲料消費市場(chǎng)的日益擴大，其對PET材料的需求也必然水漲船高。面對日益嚴重的環(huán)境問(wèn)題，如何節能也是灌裝飲料設備的首要問(wèn)題，傳統的灌裝設備，由于吹瓶機與灌裝機之間通過(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(mǎn)足工藝要求，每個(gè)瓶子可以節省大約4克。如果按此計算一臺36000瓶/小時(shí)吹灌旋一體機，每天工作10個(gè)小時(shí)，那么每年可節省PET材料大約526噸。因此發(fā)展吹灌旋一體機將是國際市場(chǎng)上的主要趨勢，目前對于大多數吹灌旋一體機，吹瓶機部分主要采用變頻器進(jìn)行驅動(dòng)，灌裝和旋蓋機采用伺服進(jìn)行驅動(dòng)并跟隨吹瓶機編碼器進(jìn)行同步運行。Lenze除了此機型的成熟解決方案，同時(shí)目前也開(kāi)發(fā)出了全套伺服解決方案，既吹瓶機、灌裝機、旋蓋機和加熱系統全部采用伺服進(jìn)行驅動(dòng)。對吹瓶機快速制動(dòng)，相位同步及整機的邏輯控制積累了大量的經(jīng)驗。其設備示意圖如圖：圖1 吹灌旋一體機。
 

    圖1 吹灌旋一體機
 

    2 吹灌旋一體機的構成

     吹灌旋一體機主要由吹瓶機、灌裝機、旋蓋機和加熱系統組成。吹瓶機主要負責將加熱好的瓶坯，通過(guò)拉伸機構的作用，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，由機械手取出，其工藝流程為：瓶坯→加熱→機械手→轉盤(pán)模具→拉伸預吹→吹瓶→排氣→成品瓶→過(guò)渡撥輪→灌裝→旋蓋→產(chǎn)品。灌裝機：灌裝機是將原料注入瓶子的一種設備，灌裝機根據設備產(chǎn)量的不同，其灌裝頭數也不相同，其原理是將吹制的瓶子由過(guò)渡撥輪傳送至灌裝機。瓶子由提升氣缸上的瓶夾，卡住瓶口并在凸輪作用下實(shí)現上升與下降。灌裝機采用重力灌裝方式，瓶口上升頂開(kāi)灌裝閥，開(kāi)始灌裝，當原料上升到堵住回氣孔位置時(shí)灌裝結束。旋蓋機：旋蓋機是將瓶蓋旋緊在瓶子上，將瓶子密封的一種設備。瓶子由過(guò)渡撥輪進(jìn)入旋蓋機。旋蓋機上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉。旋蓋頭在旋蓋機上保持公轉并自轉，在凸輪作用下實(shí)現抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋等動(dòng)作，完成整個(gè)封蓋過(guò)程。加熱系統：加熱系統是吹瓶質(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調節。瓶坯在公轉鏈條的帶動(dòng)下，并自轉通過(guò)加熱燈管，使瓶坯獲得最佳溫度并傳送到吹瓶機系統。詳見(jiàn)圖2 吹灌旋一體機示意圖。 

    圖2 吹灌旋一體機示意圖
 

    3 Lenze解決方案

    Lenze在吹灌旋一體機上主要有三種應用方案，第一種為單軸伺服驅動(dòng)方案，此方案主要針對于吹瓶機采用變頻器驅動(dòng)，灌裝機和旋蓋機兩個(gè)一起由一個(gè)伺服電機驅運，伺服跟隨吹瓶機單圈絕對值編碼器同步運行。第二種為雙軸伺服驅動(dòng)方案，此方案和第一種相同，只是將灌裝機和旋蓋機分別各用一臺伺服電機驅動(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基于驅動(dòng)器的系統解決方案，后者則采用Lenze基于控制器的系統解決方案。此方案為集中式控制方案，所有的運動(dòng)控制程序均由運動(dòng)控制器完成，并通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)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(cháng)enze推出的一款基于PC技術(shù)的工控機產(chǎn)品，其軟件采用Windows CE 6.0 操作系統，內置Codesys 控制軟件和VisiWinNET Com-pact CE 界面監控軟件。其控制器功能集成邏輯控制和運動(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(xiàn)的編程及設計。在硬件方面，該控制器標配有兩路以太網(wǎng)口，兩個(gè)USB接口，1個(gè)EtherCAT接口，同時(shí)支持一路擴展通信接口，可安裝Can和Profibus-DP 通訊。

    （2）伺服驅動(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。該伺服驅動(dòng)器無(wú)PLC及運動(dòng)編程能力，其所有的程序、版本信息和電機參數需均由運動(dòng)控制器完成。

    （3）GKS 系列異步伺服減速電機：該產(chǎn)品由Lenze 的MCA減速電機結合G系列減速機組成，具有精度高，耐沖擊，壽命長(cháng)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用于不同的應用場(chǎng)合。由于灌裝設備具有慣量大和連續運行的工作方式，異步伺服的高慣量匹配度的功能非常適合該設備的運行。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)論低速或高速運行條件下均能滿(mǎn)足設備的控制精度要求（大約2mm），還可有效避免低速運行下的抖動(dòng)問(wèn)題。

    3.2 Lenze解決方案

     系統軟件上采用共虛軸工作模式，各實(shí)軸同步于虛軸，實(shí)現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。硬件上位機采用LenzeP500產(chǎn)品通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)與Lenze伺服控制器I700和IO系統相連，用于運動(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(xiàn)相連進(jìn)行供電，從而簡(jiǎn)化了接線(xiàn)工作，同時(shí)也能實(shí)現各軸之間的能源共享，從而達到節能的目的。電機采用LenzeGKS異步伺服減速電機組成。具體參見(jiàn)圖3吹灌旋系統拓撲圖。 

    圖3 吹灌旋系統拓撲圖
 

    3.3 實(shí)現的主要功能

    Lenze結合客戶(hù)工藝要求和產(chǎn)品特點(diǎn)主要實(shí)現的功能有：

    （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，有效避免級聯(lián)系統引起的累積誤差；

    （2）斷電同步停車(chē)：斷電同步停車(chē)功能可用于生產(chǎn)線(xiàn)意外斷電。各不同慣量的實(shí)軸可以同步停車(chē)。其主要原理是將機械的慣性動(dòng)能轉化為伺服的電能，再給電機制動(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：設備要求在運行過(guò)程中各從軸之間一定要相位同步運行，避免各瓶夾之間錯位運行，從而損害瓶夾。因此在設備運行前，伺服會(huì )自動(dòng)檢測各伺服之間的位置。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，然后再同步運行。當然通過(guò)觀(guān)察監控系統的同步狀態(tài)指示燈，如不在同步位，也可一鍵回歸回步位。

    （4）零點(diǎn)設定：設備的零點(diǎn)設定采用手動(dòng)設定零點(diǎn)方式。由于未安裝零點(diǎn)開(kāi)關(guān)，設備設定零點(diǎn)需由操作工通過(guò)人眼觀(guān)察逐個(gè)設定零點(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)設定后，只要在不人為拆卸伺服電機或者在伺服斷電的情況下，手動(dòng)盤(pán)車(chē)伺服均可自動(dòng)記憶零點(diǎn)。

    （5）實(shí)時(shí)誤差檢測：同步精度是設備正常運行的一個(gè)重要指標。每臺伺服程序均設有實(shí)時(shí)的誤差監控程序，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，這樣設備運行中如發(fā)現每毫秒出差位置誤差，設備即可立刻進(jìn)入停車(chē)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的機械軸同步方式。引入伺服技術(shù)實(shí)現了設備各單元單獨運行，方便了設備的調試、故障處理、機器清潔、日常維護等操作，突破了機械軸同步方式速度的制約，使得設備安裝更加緊湊和靈活。

    （2）斷電同步停車(chē)功能及相位保持。伺服具有機械能量回饋功能，配合智能伺服的控制和集中供電模塊可能實(shí)現回饋能量的共享，在斷電情況下實(shí)現同步停車(chē)。伺服本身具有位置保存的功能，配合制動(dòng)器可以實(shí)現相位保持功能。

    （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)有機械上的改動(dòng)可不必尋零，設備在一個(gè)瓶位內按最短距離,可自動(dòng)回歸到同步位，從而減小起動(dòng)時(shí)間。同時(shí)系統在每周內自動(dòng)采集零點(diǎn)信號，用于驗證機械磨損和打滑誤差，如果達到設定誤差，則立刻停止運行，并在起動(dòng)時(shí)設備可自動(dòng)重新尋找零點(diǎn)，然后重新運行。

    （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，并采用余數補償機制，避免計算誤差的產(chǎn)生。

    （5） Lenze一體化減速機，避免機械誤差產(chǎn)生。Lenze采用一級小齒輪直接驅動(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營(yíng)養的完整性，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(xiàn)在國內仍處于起步階段，面向未來(lái)巨大的消費市場(chǎng)發(fā)展潛力，無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線(xiàn)必將向高速、安全方向發(fā)展。

    高速的生產(chǎn)線(xiàn)意味著(zhù)在同等的生產(chǎn)級及工作車(chē)間投入條件下能夠帶來(lái)更大的生產(chǎn)能力。目前國內無(wú)菌生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)速度平均為42000瓶/小時(shí)，已達到國際先進(jìn)水平。傳統的機械聯(lián)軸式生產(chǎn)線(xiàn)由于其機械磨損及精度的原因，速度已不能滿(mǎn)足工藝要求。因此，采用分離式伺服傳動(dòng)系統是目前可實(shí)現高速生產(chǎn)線(xiàn)的一個(gè)重要因素。隨著(zhù)日新月異的工藝要求，無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線(xiàn)未來(lái)將進(jìn)一步向更加分離式及更多的伺服系統投入方向發(fā)展，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)速度。

    安全的生產(chǎn)線(xiàn)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，這就要求無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線(xiàn)必須從機械設計角度實(shí)現無(wú)菌環(huán)境，如灌裝凈化室必須達到100級以上的空氣凈化要求，灌裝閥門(mén)結構還必須簡(jiǎn)單，易于清洗，并確保閥內無(wú)夾縫等衛生死角。無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線(xiàn)必須著(zhù)重于優(yōu)化機械結構及生產(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(xiàn)憑借其多種優(yōu)勢，必將引領(lǐng)灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的技術(shù)潮流，成為一種重要的飲料生產(chǎn)方式。