摘 要

本文敘述了紙箱包裝機(jī)的系統(tǒng)組成和主要技術(shù)參數(shù)以及控制方案，紙箱板供應(yīng)過程的設(shè)計(jì)方案,通過對自動瓶裝包裝線中的紙箱包裝機(jī)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析和研究，并將西門子伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)用到此設(shè)備中，通過CAN形式的現(xiàn)場總線與所有驅(qū)動伺服進(jìn)行通訊。并對此種控制系統(tǒng)的優(yōu)勢進(jìn)行了說明。

引 言

隨著包裝技術(shù)的日益發(fā)展,包裝電子裝備不斷增加,進(jìn)而帶來包裝綜合控制系統(tǒng)中大量的信號需實(shí)時交換的問題,傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種要求,因而,越來越多的包裝采用控制器局域網(wǎng)(CAN)。但是,CAN總線只定義了開放式系統(tǒng)互連參考模型(OSI)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,一般用戶必須直接用驅(qū)動程序操作鏈路層,不能直接滿足復(fù)雜控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)和產(chǎn)品互連要求。CANopen作為一種真正開放的CAN高層協(xié)議,實(shí)現(xiàn)不同的CAN設(shè)備以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行通信,使得CAN設(shè)備具有互操作性。隨著CANopen協(xié)議的日益完善,它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)。

熱收縮膜的包裝形式具有安全性、可靠性、便于運(yùn)輸和銷售等特點(diǎn)，先已被國內(nèi)的飲料行業(yè)廣泛使用。但在啤酒的生產(chǎn)過程中所使用的玻璃瓶碰撞后瓶身及易損，由于使用熱收縮膜的包裝形式的局限性也不能完全的解決啤酒行業(yè)及其他相關(guān)玻璃瓶包裝行業(yè)的生產(chǎn)需求。因此，采用紙箱包裝是飲料、啤酒的高檔次、高規(guī)格的包裝，也很容易解決長途運(yùn)輸帶來的問題，有效的彌補(bǔ)了熱收縮膜包裝形式的缺陷，兩者相輔相成，是現(xiàn)代飲料、啤酒包裝行業(yè)不可或缺的兩種包裝形式。

以前我國的紙箱包裝機(jī)一直處在35箱/min的包裝能力水平，僅僅只能滿足2萬瓶/h的飲料、啤酒包裝生產(chǎn)線需求。本文對現(xiàn)有的裝箱機(jī)技術(shù)，進(jìn)行改進(jìn)升級，吸取國內(nèi)外的裝箱機(jī)特點(diǎn)，運(yùn)用伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)成功的開發(fā)了具有60箱/min生產(chǎn)能力的全自動紙箱包裝機(jī)，有效的解決了飲料、啤酒行業(yè)的產(chǎn)量需要。

1.紙包裝機(jī)的技術(shù)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1控制系統(tǒng)的組成

科時敏的R60紙箱包裝機(jī)采用的是B&R(貝加萊)控制系統(tǒng)，主控PLC采用CP476通過CAN形式的現(xiàn)場總線與所有驅(qū)動伺服進(jìn)行通訊，上位機(jī)面板采用的是PP451，也是通過CAN總線的方式連接，并采用EX470擴(kuò)展遠(yuǎn)程IO。

圖1 紙箱包裝機(jī)B&R控制系統(tǒng)圖

將上位PP451的IP地址號設(shè)置為01;3IF771.9通訊卡的CAN總線地址號設(shè)置為09;推倒瓶的伺服驅(qū)動器CAN總線的地址號設(shè)置為01;分瓶1器伺服驅(qū)動器CAN總線的地址號設(shè)置為02;分瓶器2的伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址設(shè)置為03;出口處的伺服驅(qū)動器CAN總線地址設(shè)置為04;吸紙板伺服驅(qū)動器CAN總線的地址號設(shè)置為05;EX470總線控制器的CAN總線地址設(shè)置為C6;各設(shè)備上所設(shè)置的CAN總線地址與設(shè)備上設(shè)置的地址要絕對的正確，否則控制系統(tǒng)將不能正常的運(yùn)行。在正常的情況下，控制系統(tǒng)在上電后，IF771的CAN通訊指示燈將會快速的閃爍，各伺服驅(qū)動器上的AC110通訊卡的兩個通訊指示燈也將保持常亮狀態(tài)，否則說明通訊不正常。

1.2自動紙箱包裝機(jī)的組成及工作原理

自動紙箱包裝機(jī)主要包括：瓶輸送、紙板供給、取紙箱板、紙箱板傳送、分瓶、推瓶、紙箱折疊成型、封箱粘合、噴膠等部分組成。

紙箱板供給主要由紙箱板儲存庫、紙箱板水平輸送、紙箱板等待工位、紙箱板供給副托叉、紙箱板供給主托叉和檢測開關(guān)等部分組成。其主要功能是完成對包裝機(jī)紙箱板的供給，對高速包裝機(jī)的紙箱板供給應(yīng)該連續(xù)，使紙箱板的供給更加的暢順。

瓶輸送主要分為兩部分，一部分是通過變頻器來控制電動機(jī)的運(yùn)行速度，將輸送線上的瓶按要求有規(guī)律的輸送，通過缺瓶檢測保障瓶的連續(xù)供應(yīng);另一部分是通過主驅(qū)動器驅(qū)動機(jī)械部分傳送.按主電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行瓶的輸送。

取紙板是通過伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的，以從動軸的方式與主軸電機(jī)同步運(yùn)行，并安裝有兩組吸盤，兩組吸盤交替動作用于取紙板，從而達(dá)到高速取紙板的功能。分瓶是通過1號和2號分瓶的伺服電動機(jī)及主驅(qū)動的電動機(jī)完成控制的，并將瓶有順序的分成3×4一組。

紙板傳送部分是將吸取的紙板通過若干工位傳輸?shù)缴掀康奈恢锰?，由主?qū)動提供動力，雙層紙板和缺紙板的檢測主要用于保障紙板的供給。

推瓶部分的主要作用是用于分瓶后的整理，用推瓶桿將瓶推倒，當(dāng)瓶經(jīng)過無動力過度板時，將瓶進(jìn)行緊密排列，從而提高包裝的質(zhì)量。

紙箱經(jīng)折疊成型、噴膠和封箱步驟完成飲料或啤酒的包裝，根據(jù)紙箱的構(gòu)造，確定噴膠的準(zhǔn)確位置，封箱的適度進(jìn)行調(diào)整，從而確保封箱質(zhì)量。圖2所示為紙包機(jī)的工作流程圖。

圖2 R60自動紙箱包裝機(jī)生產(chǎn)流程圖

2.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1主控制器

主控制器主要進(jìn)行模擬量控制、傳感器控制、光源控制、傳動控制、定位控制、氣動控制、工藝參數(shù)、工藝過程、運(yùn)行故障、產(chǎn)品質(zhì)量和安全防護(hù)等部分的控制。采用PLC可編程邏輯控制器和相關(guān)的輔助系統(tǒng)來完成系統(tǒng)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性控制。

2.2多電機(jī)同步技術(shù)與伺服技術(shù)

包裝物品是通過主傳動系統(tǒng)進(jìn)行傳送，各種包裝的輔助材料是通過供送系統(tǒng)進(jìn)行傳送，它們之間的相互動作需協(xié)調(diào)配合，控制上也應(yīng)保持一致。多電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，機(jī)器設(shè)備各工位間的檢測通過外圍的各工位接近開關(guān)完成，從而實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)信號的輸入和控制系統(tǒng)的電、光、機(jī)和氣的協(xié)調(diào)動作。通過適度的調(diào)整分瓶器和封箱、噴膠、整型氣缸的位置，可以進(jìn)行不同規(guī)格紙箱的包裝。

2.3操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過變頻技術(shù)和人機(jī)界面的應(yīng)用，使包裝設(shè)備可在手動、自動和調(diào)試模式等不同的工作方式下，控制設(shè)備以不同速度進(jìn)行運(yùn)行。變頻器通過RS-485接口進(jìn)行通信，可在人機(jī)界面上顯示和設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

3.控制系統(tǒng)方案

自動紙箱包裝機(jī)控制系統(tǒng)主要包括：PP451人機(jī)界面、運(yùn)動控制器EX470、檢測元件、伺服驅(qū)動器、執(zhí)行元件和伺服電機(jī)等。運(yùn)動控制器EX470是通過CAN總線來控制伺服驅(qū)動器的，完成對伺服電機(jī)的實(shí)時控制。

機(jī)器位置的運(yùn)行檢測和包裝周期都是通過伺服控制設(shè)定的。伺服電機(jī)的一側(cè)安裝有編碼器，根據(jù)接收旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖反饋信號，與伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制。編碼器選取增量型編碼器。通過編碼器接口將數(shù)據(jù)傳送到EX470，將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理表明機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行位置。在紙箱的包裝過程中，推瓶的桿每推出一組瓶就完成了一次包裝，在推瓶桿經(jīng)過處的一側(cè)安裝一檢測開關(guān)，利用對EX470記錄的編碼器數(shù)據(jù)清零。在每一次包裝周期中，取紙板、放紙板和分瓶等動作的位置數(shù)據(jù)都與EX470中的編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行一一比對，根據(jù)對比的數(shù)據(jù)控制機(jī)器的每一個動作。

3.1分瓶電機(jī)控制系統(tǒng)

分瓶電機(jī)驅(qū)動是分瓶電機(jī)分別驅(qū)動兩組擋瓶的爪手。在包裝機(jī)上，包裝段上的瓶傳輸是通過主驅(qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。分瓶是將規(guī)律排列緊密的瓶分隔成3×4組或其它規(guī)格的組合瓶組。在兩組分瓶器電機(jī)的傳送鏈上，分別安裝了等距離的兩組擋瓶爪，兩電動機(jī)快慢的交替運(yùn)行。將排列好的瓶分成3×4一組，然后通過主電機(jī)傳輸?shù)较乱还の弧?/p>

分瓶電動機(jī)控制。兩個分瓶電動機(jī)進(jìn)行有規(guī)律的交替運(yùn)行。是以主電動機(jī)的脈沖數(shù)作為同步控制信號(X方向)，分瓶的電動機(jī)自身脈沖數(shù)(Y方向)，按照提前設(shè)定好的運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)行，只有在主電動機(jī)運(yùn)動的情況下，分瓶電動機(jī)作為從電動機(jī)按特定的軌跡同步運(yùn)行。分瓶電動機(jī)同步參數(shù)的設(shè)定決定了分瓶電動機(jī)按照特定規(guī)律進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行的起始位都要有個參考位，此處可在人機(jī)界面上進(jìn)行設(shè)定。

3.2紙箱板供給系統(tǒng)

紙箱板供給系統(tǒng)主要包括：紙箱板垂直供給和紙箱板水平供給兩部分。

紙箱板垂直供給部分。紙箱板垂直供給是通過垂直供給電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的，一臺電動機(jī)驅(qū)動一個主托叉，另一臺電動機(jī)驅(qū)動副托叉。垂直紙箱板的供給主要是通過電動機(jī)驅(qū)動主托叉供給紙箱板。當(dāng)紙箱板的供應(yīng)數(shù)量減少到一定數(shù)量時，通過副托叉來托住剩余的紙箱板，然后主托叉向下降到等待紙箱板的位置，當(dāng)紙箱板向上托起到位后。撤出副托叉通過主托叉正常進(jìn)行供給，直到完成一組紙箱板的補(bǔ)充。

紙箱板水平供給裝置。通過水平供給的驅(qū)動電機(jī)，通過不斷的檢測供箱板輸送鏈上的實(shí)時狀態(tài)，控制輸送電機(jī)。將箱板從最初始的堆放位置，輸送給箱板的等待工位位置。當(dāng)副托叉向上托住紙箱板后，主托叉向下運(yùn)動到初始的位置，然后控制電動機(jī)將等待工位的紙箱板送到垂直的工位位置，完成一次水平供給紙箱板的過程。

3.3取紙箱板系統(tǒng)組成和控制系統(tǒng)

取紙箱板系統(tǒng)組成。取紙箱板系統(tǒng)主要包括：同步齒型帶、驅(qū)動軸和被動軸等三部分組成。同步齒型帶上安裝有兩組空氣吸盤，當(dāng)伺服電動機(jī)與主驅(qū)動的電動機(jī)進(jìn)行同步的往返運(yùn)行，從而達(dá)到高速的自動取紙箱板的功能。

取紙箱板控制系統(tǒng)的核心是進(jìn)行伺服電動機(jī)的控制。伺服電動機(jī)驅(qū)動的同步齒型帶，在同步齒型帶安有兩組吸盤，用于取紙板動作。伺服電動機(jī)的正轉(zhuǎn)運(yùn)行，在第l組吸盤到達(dá)放紙板的位置時，向下釋放紙箱板，與此同時第2組吸盤也開始動作，到達(dá)吸紙箱板的位置后吸紙箱板，完成取紙箱板的一個周期。伺服電動機(jī)的反轉(zhuǎn)，在第2組吸盤到了放紙板的位置時，向下釋放紙箱板，同時在第1組吸盤到達(dá)吸紙箱板的位置時向上吸紙箱板，完成一次取紙箱板的活動周期。

3.4噴膠控制

噴膠控制也是該機(jī)器的一大難點(diǎn)，在0～360度范圍內(nèi)當(dāng)檢測到有紙板到達(dá)噴膠機(jī)的位置時，判斷主軸在0～360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)到一定角度后打開噴膠電磁閥開始噴膠，到達(dá)另一角度后關(guān)閉噴膠電磁閥。而且由于噴膠電磁閥動作的滯后性，在不同生產(chǎn)機(jī)速下要設(shè)置不同的前潰補(bǔ)償量。

結(jié) 論

在高速紙箱包裝機(jī)上運(yùn)用伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)使控制系統(tǒng)更加精準(zhǔn)、更加靈活、更加完善和可靠穩(wěn)定。新一代運(yùn)動控制器增加了很多實(shí)用的功能，降低了使用者的編程難度，在一些控制要求較高的機(jī)械上可以真正體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。使用伺服電動機(jī)不僅可有效的降低了機(jī)械對設(shè)備的沖擊損害，而且還可大大降低使用傳統(tǒng)控制方式帶來的設(shè)備故障率。

審核編輯：湯梓紅