探析多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)

1、探析多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)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(guó)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(guó)內(nèi)外玻璃瓶罐機(jī)械的發(fā)展趨 勢(shì)以最佳性價(jià)比、最簡(jiǎn)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(jì)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(gè)伺服軸機(jī)構(gòu)的定時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)取代高能耗的氣動(dòng)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

2、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(gè)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作全部自動(dòng)化完成，實(shí)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0刖言目前國(guó)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(dòng)和機(jī)械凸 輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)作完成的，機(jī)器的動(dòng)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(dòng)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)

3、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(duì)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(lái) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)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(guó)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(guó)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(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械凸輪。這些伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，深受用戶歡迎。近幾年來(lái)，三金公

4、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(dòng)鉗移器、伺服運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)器的行列式制瓶機(jī)， 并大批量推向市場(chǎng)，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(dòng)鉗移器、伺服運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)介多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能原理。1技術(shù)要求機(jī)，簡(jiǎn)單而可靠的多軸伺服控制是關(guān)鍵技術(shù)。 殊性和自動(dòng)化行業(yè)多軸運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)狀， 如下一系列問題。1.1結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題多軸運(yùn)動(dòng)控制最直接可選的方案是“ 塊”十“數(shù)塊I /0模塊” + “通訊模塊”

5、根據(jù)國(guó)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)用于行列式制瓶行列式制瓶機(jī)上的伺服控制系統(tǒng)要解決PLC主模塊” + “若干個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模+ “上位工控機(jī)”。12組行列式制瓶機(jī)1220個(gè)控綜合分析瓶罐行業(yè)的工藝要求的特的全伺服控制最少需要135個(gè)軸，這就需要龐大的控制結(jié)構(gòu)，需要 制柜才能完成。所以設(shè)計(jì)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(jià)比問題伺服系統(tǒng)的價(jià)格主要決定于伺服控制和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，要選用“PLC主模塊” + “若干個(gè)運(yùn)動(dòng)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(gè)伺服軸的控制和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要510萬(wàn)元，每臺(tái)8

6、80 160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萬(wàn)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(guó)普及應(yīng)用，必須解決性價(jià)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(gè)伺服軸的控制，整機(jī)100140軸，每個(gè)軸要調(diào)整初始位置、行程、運(yùn)行曲線，每個(gè)軸要在各種狀態(tài)下安全 順利自動(dòng)定位啟動(dòng)，這也是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。當(dāng)前國(guó)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(dòng)不能自動(dòng)定位，要用手 動(dòng)輔助找位；有的系統(tǒng)停電后再啟動(dòng)，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(lái)

7、了諸多不便，這都是需要解決的問題。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(jì)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(gè)伺服軸，也能控制每組制瓶 機(jī)十幾個(gè)伺服軸，實(shí)現(xiàn)從單軸到全伺服制瓶機(jī)的控制。啟動(dòng)/停機(jī)方便迅速伺服軸的啟動(dòng)與生產(chǎn)線總啟動(dòng)信號(hào)同步從安全位置自動(dòng)啟動(dòng)， 停機(jī)時(shí)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(dòng)控制、特殊曲線生成 及功能控制

8、于一板（尺寸為150III1TI X 200mm的MCL運(yùn)動(dòng)控制器，一塊小板可 以實(shí)現(xiàn)4個(gè)軸的可靈活編程定時(shí)定位定曲線的運(yùn)動(dòng)控制、4個(gè)軸的I/0工藝功能控制、通訊和數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器旁邊用2個(gè)按鈕可以調(diào)整每個(gè)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(dòng)一鍵定位等國(guó)內(nèi)外相 近產(chǎn)品所沒有的獨(dú)特功能。多塊MCI運(yùn)動(dòng)控制器固定到同一塊底板上，通過底板連接驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)同步 信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)I /0信號(hào)及上位機(jī)的通訊線，就形成了幾十軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制和凸 輪曲線生成器單元，一個(gè) 20XXmmx750XE750mlll的控制柜可以安裝3240個(gè) 伺服軸控制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和相應(yīng)的 MCU司服控

9、制單元，同樣的用34個(gè)控 制柜可以擴(kuò)展成140多個(gè)伺服軸的控制器，實(shí)現(xiàn)12組大型制瓶機(jī)的全伺服驅(qū)動(dòng) 和全自動(dòng)控制（取代國(guó)外相近產(chǎn)品的1220個(gè)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)按照和數(shù)據(jù)分類發(fā)送到相應(yīng)的 M CU運(yùn)動(dòng)控制器板。此外，本系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作直觀、易懂的設(shè)計(jì)理念，把機(jī)器上每個(gè)伺服 軸的2個(gè)按鈕1個(gè)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(bào)警等便于現(xiàn)場(chǎng)操作的先進(jìn)功能。 無(wú)論是停電后還是停機(jī)后，位置自動(dòng)記憶，開 關(guān)一鍵定

10、位，或者隨生產(chǎn)線系統(tǒng)啟動(dòng)而自動(dòng)定位啟動(dòng)進(jìn)入同步運(yùn)行。所驅(qū)動(dòng)的所有伺服機(jī)構(gòu)采用普通伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)間隨生產(chǎn)線的速度變化而自動(dòng)變化。全方位達(dá)到結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，性價(jià)比 更優(yōu)，操作更方便。圖1是多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 Pc是上位計(jì)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，TKMTKM12是 112組 伺服鉗移器電機(jī)，IVM1IVM12是112組伺服翻轉(zhuǎn)器電機(jī)，OPBMOPBMI2是 112組伺服初型模平行開關(guān)電機(jī)，0PPM0PPM12是 112組伺服成型模平行 開關(guān)電機(jī)，PM1-PMI2和RM什RM12是雙軸伺服撥瓶器電

11、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(gè)控制柜實(shí)現(xiàn)，公用上位計(jì)算機(jī)。2. 2系統(tǒng)的控制原理圖2是多軸伺服制瓶機(jī)控制系統(tǒng)的控制原理示意圖。 圖中以其中的一塊運(yùn)動(dòng)控 制器板為例，描述了伺服運(yùn)動(dòng)鉗移器、伺服運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)器、雙軸撥瓶器的控制原理。 圖中Pc是上位計(jì)算機(jī)，MC是自制的4軸一體運(yùn)動(dòng)控制器板，KC是控制盤，Pl、 M1和SVM1是伺服運(yùn)動(dòng)鉗移器的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及其所驅(qū)動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)， P2、M2和 SVM2是伺服運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)器的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及其所驅(qū)動(dòng)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(dòng)器、伺 服或步進(jìn)電機(jī)及其所驅(qū)動(dòng)的雙軸撥瓶機(jī)構(gòu)。上

12、位機(jī)Pc把用戶設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線及其運(yùn)動(dòng)配時(shí)數(shù)據(jù)下載到運(yùn)動(dòng)控制器MC中，運(yùn)動(dòng)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(hào) TB的要求，實(shí) 時(shí)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)和運(yùn)動(dòng)曲線脈沖信號(hào)（或者是曲線命令數(shù)據(jù)），伺服 驅(qū)動(dòng)器Pi根據(jù)輸入命令驅(qū)動(dòng)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(dòng)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)每個(gè)伺服機(jī) 構(gòu)的點(diǎn)動(dòng)、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(dòng)軌跡，達(dá)到準(zhǔn)確動(dòng)作，精確定位，協(xié)調(diào)同步。圖3是電子定時(shí)、伺服運(yùn)動(dòng)鉗瓶器和雙軸撥瓶器的制瓶機(jī)成型側(cè)控制盤。相 當(dāng)于圖1中的LCPN或者是圖2中的KC其中的右數(shù)第5、6

13、、7三個(gè)開關(guān)按鈕是 伺服運(yùn)動(dòng)鉗瓶器的“手動(dòng)/零位/自動(dòng)”控制開關(guān)和JOG按鈕，這3個(gè)開關(guān)按鈕的配合，可以實(shí)現(xiàn)放瓶位置調(diào)整、取瓶位置調(diào)整、自動(dòng)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(gè)按鈕是雙軸撥瓶啟動(dòng)/停止按鈕，控制雙軸撥瓶器 的啟動(dòng)和停止。圖4是電子定時(shí)、伺服運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)器的制瓶機(jī)初型側(cè)控制盤。 相當(dāng)于圖1中和 圖2中的KC其中左邊3個(gè)開關(guān)按鈕是伺服運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)器的“手動(dòng)/零位/自動(dòng)” 控制開關(guān)和JOG按鈕，這3個(gè)開關(guān)按鈕的配合，可以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和返回位置調(diào)整、 自動(dòng)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(shí)現(xiàn)制瓶機(jī)伺服多軸控制的可擴(kuò)展性、 可選配性，適合

14、配置到 所有的國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口制瓶機(jī)上。根據(jù)用戶對(duì)制瓶機(jī)配置伺服軸多少的要求，可以控 制1140個(gè)伺服軸，直到全伺服制瓶機(jī)一一“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(dòng)鉗移器、伺服運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng) 鉗移器、伺服運(yùn)動(dòng)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(huì)效益。根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)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“ 20XX年中國(guó)國(guó)際玻璃工業(yè)展 覽會(huì)”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(dòng)的全伺服制瓶 機(jī)時(shí)代。2. 4主要技術(shù)性能 實(shí)現(xiàn)每組制瓶機(jī)十幾個(gè)伺服軸，整機(jī) 140多軸的協(xié)調(diào)同步、定時(shí)定位定 曲線控制。(2) 實(shí)現(xiàn)每32 40軸的智能運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)器集成一體化結(jié)構(gòu)。(3) 所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)操作一鍵定位。(4) 所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)按紐修改零位偏移和運(yùn)動(dòng)行程。(5) 所有伺服機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中微調(diào)行程。(6) 所有