摘要：多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)，即全伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)，是國內(nèi)外行列式制瓶機(jī)控制領(lǐng)域的全新產(chǎn)品，是三金公司根據(jù)國內(nèi)外玻璃瓶罐機(jī)械的發(fā)展趨勢，以最佳性價比、最簡單的結(jié)構(gòu)、最方便的操作維護(hù)和可靠性為目標(biāo)，用單片機(jī)、集成電路等元器件，從電路基礎(chǔ)進(jìn)行硬件設(shè)計和程序編制的百軸伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的軸數(shù)、曲線、功能可選擇和可靈活擴(kuò)展，可以控制從單軸到140多個伺服軸機(jī)構(gòu)的定時定位定曲線的協(xié)調(diào)同步運(yùn)行。該系統(tǒng)控制的制瓶機(jī)，用伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)取代高能耗的氣動機(jī)械機(jī)構(gòu)，用電子凸輪取代機(jī)械凸輪，用電子緩沖取代液壓緩沖，達(dá)到全伺服制瓶機(jī)的低成本、低能耗、易操作、高性能、高效率，使制瓶機(jī)的供料、分料、接料、模子開關(guān)、撲氣、吹氣、翻瓶、取瓶、冷卻、真空、撥瓶等整機(jī)數(shù)百個運(yùn)動和動作全部自動化完成，實現(xiàn)低能耗環(huán)保的機(jī)器人制瓶。介紹三金公司研發(fā)的多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、特性以及伺服控制在行列式制瓶機(jī)上應(yīng)用所產(chǎn)生的效果。

　　關(guān)鍵詞：全伺服制瓶機(jī)；制瓶機(jī)器人；環(huán)保節(jié)能

　　前言

　　目前國內(nèi)外玻璃瓶罐機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)的行列式制瓶機(jī)主要為氣動和機(jī)械凸輪驅(qū)動的機(jī)器。制瓶過程是一系列的機(jī)構(gòu)和閥門協(xié)調(diào)動作完成的，機(jī)器的動作主要是通過機(jī)械閥門或者電磁閥控制氣路的通斷，從而驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)械凸輪的運(yùn)行，有些機(jī)構(gòu)要使用液壓緩沖才能穩(wěn)定運(yùn)行，有些機(jī)構(gòu)的機(jī)械凸輪需要鉸鏈油箱進(jìn)行油浴。制瓶機(jī)上的能量轉(zhuǎn)換首先是把電能經(jīng)過空壓機(jī)轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的壓縮能，經(jīng)過對壓縮空氣的凈化處理，通過復(fù)雜的氣管道輸送到制瓶機(jī)上，再由氣來驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動作。這種控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，動作穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行機(jī)速低。開發(fā)節(jié)能型伺服機(jī)構(gòu)制瓶機(jī)，是行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的需求，更是國家綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的要求。

　　隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和伺服電機(jī)的普及應(yīng)用，國內(nèi)外的玻璃瓶罐機(jī)械行業(yè)相繼研制出伺服鉗瓶、伺服翻轉(zhuǎn)等制瓶機(jī)上的部分伺服機(jī)構(gòu)，取代了老式的氣動機(jī)構(gòu)和機(jī)械凸輪。這些伺服電動機(jī)構(gòu)驅(qū)動的制瓶機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低、噪音小、污染小、機(jī)速高等優(yōu)點，深受用戶歡迎。

　　近幾年來，三金公司研制了全伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)，研制了基于該系統(tǒng)控制的單軸撥瓶器、單軸伺服分料器、雙軸伺服供料機(jī)、雙軸電子撥瓶器、伺服運(yùn)動鉗移器、伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器的行列式制瓶機(jī)，并大批量推向市場，創(chuàng)新研發(fā)了配置雙軸伺服供料機(jī)、雙軸電子撥瓶器、伺服運(yùn)動鉗移器、伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器、初型模及成型模伺服平行開關(guān)機(jī)構(gòu)、伺服撲氣、伺服正吹氣等的全伺服制瓶機(jī)的一組樣機(jī)。本文簡介多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及其功能原理。

　　1技術(shù)要求

　　根據(jù)國內(nèi)外玻璃瓶罐行業(yè)的現(xiàn)狀，要使更多的伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于行列式制瓶機(jī)，簡單而可靠的多軸伺服控制是關(guān)鍵技術(shù)。綜合分析瓶罐行業(yè)的工藝要求的特殊性和自動化行業(yè)多軸運(yùn)動控制的現(xiàn)狀，行列式制瓶機(jī)上的伺服控制系統(tǒng)要解決如下一系列問題。

　　1.1結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題

　　多軸運(yùn)動控制最直接可選的方案是“PLC主模塊”+“若干個運(yùn)動控制模塊”十“數(shù)塊I／0模塊”+“通訊模塊”+“上位工控機(jī)”。12組行列式制瓶機(jī)的全伺服控制最少需要135個軸，這就需要龐大的控制結(jié)構(gòu)，需要12～20個控制柜才能完成。所以設(shè)計制瓶機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，首先是要解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

　　1.2性價比問題

　　伺服系統(tǒng)的價格主要決定于伺服控制和伺服電機(jī)驅(qū)動器，要選用“PLC主模塊”+“若干個運(yùn)動控制模塊”+“數(shù)塊I／O模塊”+“通訊模塊”+“上位工控機(jī)”的結(jié)構(gòu)，制瓶機(jī)每個伺服軸的控制和伺服電機(jī)驅(qū)動器要5～10萬元，每臺8組帶伺服翻轉(zhuǎn)和伺服鉗瓶的2軸伺服制瓶機(jī)，單是伺服控制就要增加80～160萬元的成本，用戶很難接受，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難。所以制瓶機(jī)伺服控制系統(tǒng)要在中國普及應(yīng)用，必須解決性價比問題。

　　1.3維護(hù)操作方便性問題

　　伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)，從每組單軸到每組十幾個伺服軸的控制，整機(jī)100～140軸，每個軸要調(diào)整初始位置、行程、運(yùn)行曲線，每個軸要在各種狀態(tài)下安全順利自動定位啟動，這也是應(yīng)該重點考慮的問題。當(dāng)前國內(nèi)外的伺服鉗瓶和伺服翻轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，普遍存在操作復(fù)雜的問題。有的系統(tǒng)啟動不能自動定位，要用手動輔助找位；有的系統(tǒng)停電后再啟動，需要用便攜終端重新調(diào)整定位；調(diào)整定位值需要到控制室中進(jìn)行，給用戶帶來了諸多不便，這都是需要解決的問題。

　　1.4伺服軸數(shù)和功能可擴(kuò)展性問題

　　伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計要有可擴(kuò)展性，可以配置到不同軸數(shù)的各式制瓶機(jī)上，而不是一種配置用一種系統(tǒng)。能控制每組制瓶機(jī)1個伺服軸，也能控制每組制瓶機(jī)十幾個伺服軸，實現(xiàn)從單軸到全伺服制瓶機(jī)的控制。

　　1.5啟動/停機(jī)方便迅速

　　伺服軸的啟動與生產(chǎn)線總啟動信號同步從安全位置自動啟動，停機(jī)時跟隨生產(chǎn)線同步停機(jī)，停在設(shè)定位置，緊急停機(jī)停在安全位置，單軸人為停機(jī)停在需要位置。

　　2解決方案

　　為解決上述問題，三金公司研制了“行列式制瓶機(jī)多軸伺服控制系統(tǒng)”的解決方案。

　　2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　緊密結(jié)合制瓶機(jī)特殊工藝要求研發(fā)的單板4軸伺服運(yùn)動控制、特殊曲線生成及功能控制于一板（尺寸為150III1TI×200mm）的MCU運(yùn)動控制器，一塊小板可以實現(xiàn)4個軸的可靈活編程定時定位定曲線的運(yùn)動控制、4個軸的I／0工藝功能控制、通訊和數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)在機(jī)器旁邊用2個按鈕可以調(diào)整每個伺服軸的初位和末位的位置、確定行程、運(yùn)行中調(diào)整行程以及啟動一鍵定位等國內(nèi)外相近產(chǎn)品所沒有的獨特功能。

　　多塊MCU運(yùn)動控制器固定到同一塊底板上，通過底板連接驅(qū)動器、系統(tǒng)同步信號、現(xiàn)場I／0信號及上位機(jī)的通訊線，就形成了幾十軸的伺服運(yùn)動控制和凸輪曲線生成器單元，一個2000mmx750mE×750mlll的控制柜可以安裝32～40個伺服軸控制的伺服電機(jī)驅(qū)動器和相應(yīng)的MCU伺服控制單元，同樣的用3～4個控制柜可以擴(kuò)展成140多個伺服軸的控制器，實現(xiàn)12組大型制瓶機(jī)的全伺服驅(qū)動和全自動控制（取代國外相近產(chǎn)品的12～20個控制柜），制瓶機(jī)的工作參數(shù)在上位機(jī)用戶界面上修改，上位機(jī)友好的用戶界面與生產(chǎn)線上的其它系統(tǒng)公用，修改的數(shù)據(jù)按照地址和數(shù)據(jù)分類發(fā)送到相應(yīng)的M.CU運(yùn)動控制器板。

　　此外，本系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)簡單、操作直觀、易懂的設(shè)計理念，把機(jī)器上每個伺服軸的2個按鈕1個開關(guān)定義了復(fù)用功能，可以用按鈕一鍵定位、按鈕調(diào)整初始位、按鈕調(diào)整行程（并且區(qū)分粗調(diào)、細(xì)調(diào)、到位緩沖調(diào)整）、運(yùn)行中微調(diào)行程、按鈕清報警等便于現(xiàn)場操作的先進(jìn)功能。無論是停電后還是停機(jī)后，位置自動記憶，開關(guān)一鍵定位，或者隨生產(chǎn)線系統(tǒng)啟動而自動定位啟動進(jìn)入同步運(yùn)行。所驅(qū)動的所有伺服機(jī)構(gòu)采用普通伺服電機(jī)和驅(qū)動器，實現(xiàn)最佳性價比。程序設(shè)計實現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時間隨生產(chǎn)線的速度變化而自動變化。全方位達(dá)到結(jié)構(gòu)更簡單，性價比更優(yōu)，操作更方便。

　　多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。Pc是上位計算機(jī)，PN是控制柜，KC是初型側(cè)控制盤，LCPN是成型側(cè)控制盤，TKM1～TKM12是1～12組伺服鉗移器電機(jī)，IVM1～I(xiàn)VM12是1～l2組伺服翻轉(zhuǎn)器電機(jī)，OPBM1～OPBMI2是1～12組伺服初型模平行開關(guān)電機(jī)，0PPM1～0PPM12是1～12組伺服成型模平行開關(guān)電機(jī)，PM1～PMI2和RM1～RM12是雙軸伺服撥瓶器電機(jī)。其它伺服機(jī)構(gòu)的控制結(jié)構(gòu)與此同，由另外一個控制柜實現(xiàn)，公用上位計算機(jī)。

　　2.2系統(tǒng)的控制原理

　　其中的一塊運(yùn)動控制器板為例，描述了伺服運(yùn)動鉗移器、伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器、雙軸撥瓶器的控制原理。Pc是上位計算機(jī)，MC是自制的4軸一體運(yùn)動控制器板，KC是控制盤，Pl、M1和SVM1是伺服運(yùn)動鉗移器的伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)及其所驅(qū)動的伺服機(jī)構(gòu)，P2、M2和SVM2是伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器的伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)及其所驅(qū)動的伺服機(jī)構(gòu)，P3、P4、M3、M4和SVM3是雙軸撥瓶器的伺服或步進(jìn)電機(jī)的伺服驅(qū)動器、伺服或步進(jìn)電機(jī)及其所驅(qū)動的雙軸撥瓶機(jī)構(gòu)。

　　上位機(jī)Pc把用戶設(shè)定的運(yùn)動曲線及其運(yùn)動配時數(shù)據(jù)下載到運(yùn)動控制器MC中，運(yùn)動控制器MC根據(jù)控制盤Kc上的用戶命令和系統(tǒng)同步信號TB的要求，實時向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制信號和運(yùn)動曲線脈沖信號（或者是曲線命令數(shù)據(jù)），伺服驅(qū)動器Pi根據(jù)輸入命令驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行位置通過電機(jī)軸頭上的編碼器反饋控制，達(dá)到位置的跟蹤定位。伺服電機(jī)帶動伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)行，實現(xiàn)每個伺服機(jī)構(gòu)的點動、初始化、單步、間歇同步運(yùn)行，運(yùn)行符合制瓶機(jī)工藝要求的凸輪曲線和運(yùn)動軌跡，達(dá)到準(zhǔn)確動作，精確定位，協(xié)調(diào)同步。

　　電子定時、伺服運(yùn)動鉗瓶器和雙軸撥瓶器的制瓶機(jī)成型側(cè)控制盤。相當(dāng)于LCPN或者是KC，其中的右數(shù)第5、6、7三個開關(guān)按鈕是伺服運(yùn)動鉗瓶器的“手動／零位／自動”控制開關(guān)和JOG按鈕，這3個開關(guān)按鈕的配合，可以實現(xiàn)放瓶位置調(diào)整、取瓶位置調(diào)整、自動初始化定位、運(yùn)行中行程微調(diào)等功能。其中右數(shù)第8個按鈕是雙軸撥瓶啟動/停止按鈕，控制雙軸撥瓶器的啟動和停止。

　　電子定時、伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器的制瓶機(jī)初型側(cè)控制盤。相當(dāng)于KC，其中左邊3個開關(guān)按鈕是伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器的“手動／零位／自動”控制開關(guān)和JOG按鈕，這3個開關(guān)按鈕的配合，可以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和返回位置調(diào)整、自動初始化定位、運(yùn)行中行程微調(diào)等功能。

　　2.3預(yù)期效果

　　多軸伺服制瓶機(jī)智能控制系統(tǒng)有效實現(xiàn)制瓶機(jī)伺服多軸控制的可擴(kuò)展性、可選配性，適合配置到所有的國產(chǎn)和進(jìn)口制瓶機(jī)上。根據(jù)用戶對制瓶機(jī)配置伺服軸多少的要求，可以控制1～140個伺服軸，直到全伺服制瓶機(jī)——“制瓶機(jī)器人”的控制，達(dá)到大型12組制瓶機(jī)的全部機(jī)構(gòu)伺服化控制�，F(xiàn)在用該系統(tǒng)在單軸撥瓶器、單軸伺服分料器、雙軸伺服供料機(jī)、伺服運(yùn)動鉗移器、伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器、伺服雙軸撥瓶器、雙軸伺服初型模開關(guān)、雙軸伺服成型模開關(guān)、伺服撲氣頭、伺服吹氣頭、伺服芯子等達(dá)到每組制瓶機(jī)十幾個伺服軸的制瓶機(jī)機(jī)器人控制。

　　本系統(tǒng)所控制的單軸撥瓶器、單軸伺服分料器、雙軸伺服供料機(jī)、伺服運(yùn)動鉗移器、伺服運(yùn)動翻轉(zhuǎn)器、伺服雙軸拔瓶器成功應(yīng)用到各式制瓶機(jī)上投入運(yùn)行，深受用戶歡迎，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。根據(jù)市場發(fā)展趨勢和國家低碳經(jīng)濟(jì)的要求，三金公司開發(fā)并試制了基于“多軸伺服制瓶機(jī)智能控制系統(tǒng)”控制的制瓶機(jī)器人（全伺服制瓶機(jī)）一組樣機(jī)，并在“2010年中國國際玻璃工業(yè)展覽會”上展出，這標(biāo)志著玻璃瓶罐生產(chǎn)裝備邁向了低能耗伺服驅(qū)動的全伺服制瓶機(jī)時代。

　　2.4主要技術(shù)性能

　�。�1）實現(xiàn)每組制瓶機(jī)十幾個伺服軸，整機(jī)140多軸的協(xié)調(diào)同步、定時定位定曲線控制。

　�。�2）實現(xiàn)每32—40軸的智能運(yùn)動控制和伺服驅(qū)動器集成一體化結(jié)構(gòu)。

　�。�3）所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場操作一鍵定位。

　　（4）所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場按紐修改零位偏移和運(yùn)動行程。

　�。�5）所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場運(yùn)行中微調(diào)行程。

　　（6）所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場位置粗調(diào)和細(xì)調(diào)、按鈕單步運(yùn)行、按鈕手動調(diào)試、按鈕清報警等功能。

　�。�7）伺服機(jī)構(gòu)到位的電子緩沖量調(diào)整。

　�。�8）定位精度1／23000，定時精度0.1度。

　�。�9）基于標(biāo)準(zhǔn)度數(shù)的電子凸輪曲線生成和電子凸輪運(yùn)行，達(dá)到每個軸“從設(shè)定時間開始運(yùn)行特定曲線，在設(shè)定時間運(yùn)行到設(shè)定位置”的高難度控制指標(biāo)。

　�。�10）與制瓶機(jī)生產(chǎn)線的其它系統(tǒng)信號共享，啟動／停機(jī)／故障保護(hù)連鎖控制。

　　（11）與制瓶機(jī)生產(chǎn)線的其它系統(tǒng)共享上位機(jī)WINDOWS操作系統(tǒng)下的用戶界面。