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貝加萊ACOPOS在熱收縮膜包裝機(jī)上的應(yīng)用
發(fā)布時間：2011/3/7 16:33:24 修改時間：2011/3/7 16:33:24 瀏覽次數(shù)：1931

　　在希臘語中ACOPOS有輕而易舉的意思。貝加萊（B&R）公司用它來為新一代的伺服系統(tǒng)命名，因?yàn)樵撓到y(tǒng)已經(jīng)集成在B&R Automation Studio（TM）開發(fā)系統(tǒng)中。
　　前言
　　緊湊的外形尺寸和卓越的性能是對現(xiàn)代伺服驅(qū)動器的重要要求。貝加萊驅(qū)動系統(tǒng)在與所選電機(jī)完美匹配的同時亦能兼顧機(jī)械性能的要求。對于需要卓越動態(tài)性能和定位精度的應(yīng)用，ACOPOS系列也有非常適合的同步伺服電機(jī)。高能磁路和擁有專利權(quán)的線圈排布方式確保了結(jié)構(gòu)的緊湊性。貝加萊可編程控制器（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)在啤酒包裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用完全能夠滿足膜包機(jī)所有電機(jī)的基本運(yùn)動控制和它們之間的同步運(yùn)動控制。
　　系統(tǒng)的配置與方案
　　一般的，膜包機(jī)可以由主驅(qū)動、進(jìn)瓶、分瓶、送紙板、送切膜和熱通道六個部分組成。按照不同的設(shè)計(jì)思想，各個廠家生產(chǎn)的膜包機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不盡相同，所選擇的可編程控制系統(tǒng)以及伺服控制系統(tǒng)也不一樣。本文將以國內(nèi)某知名膜包機(jī)為例，介紹貝加萊可編程控制器（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)在其中為電氣控制部分的應(yīng)用。
　　1.膜包機(jī)的硬件機(jī)構(gòu)
　　擁有同步電子齒輪、電子凸輪的伺服控制系統(tǒng)早已經(jīng)取代繁的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，可以比較容易的按照設(shè)計(jì)者的要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動對象之間的同步關(guān)系。膜包機(jī)的幾個運(yùn)動機(jī)構(gòu)就是使用了伺服電機(jī)作為驅(qū)動軸，完成了從進(jìn)瓶、送紙板到送切膜的任務(wù)。使用一臺伺服電機(jī)的主驅(qū)動會作為其他幾根軸的同步對象，所有的角度相位關(guān)系也都根據(jù)主驅(qū)動電機(jī)而定。圖1為五個電機(jī)在機(jī)器中的大致位置。

　　2.控制系統(tǒng)
　　使用貝加萊的伺服控制系統(tǒng)完全能夠滿足膜包機(jī)所有電機(jī)的基本運(yùn)動控制和它們之間的同步運(yùn)動控制。集成了包裝過程中的邏輯控制并帶有顯示功能的人機(jī)面板PP41，一方面可以通過參數(shù)的輸入給運(yùn)動控制部分傳達(dá)命令以及運(yùn)動特征參數(shù)，另一方面可以及時反饋當(dāng)前機(jī)器的運(yùn)行狀況和報(bào)警狀態(tài)。

　?。?）現(xiàn)場總線（CAN BUS）
　　CAN總線具有強(qiáng)有力的錯誤檢測能力及差分驅(qū)動功能，在強(qiáng)噪聲十分苛刻的環(huán)境中仍運(yùn)行良好，因此，在傳媒傳輸和線路設(shè)計(jì)方面，CAN總線可以很容易的適合大多數(shù)應(yīng)用場合。
　　通過現(xiàn)場總線（CAN BUS）的連接，人機(jī)面板（PP41）和各個伺服控制器之間的通信變得十分可靠，尤其為伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)中的在線修改同步特征參數(shù)提供了保證（圖2）。
　?。?）基本運(yùn)動控制
　　貝加萊的伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)（ACOPOS SERVO）采用了面向?qū)ο笮偷目刂品绞健Ｔ谪惣尤R開發(fā)平臺Automation Studio中使用高級語言（Basic 或者 C），只要針對一個伺服控制器創(chuàng)建一個運(yùn)動對象（Axis Object）后，就可以利用創(chuàng)建的指針完成對電機(jī)不同的運(yùn)動控制。
　　膜包機(jī)的各個電機(jī)的單獨(dú)調(diào)試與尋參、主驅(qū)動的起停、以及分瓶電機(jī)的配合都會用到基本運(yùn)動控制。這樣的控制方式目標(biāo)明確，便于控制程序的編寫。
　?。?）同步運(yùn)動控制
　　同步運(yùn)動控制是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，一個伺服電機(jī)相對于另一個伺服電機(jī)要完成一定的運(yùn)動軌跡所作的控制，也就是通常所說的電子齒輪和電子凸輪的概念。
　　對于ACOPOS SERVO來說，參與同步的兩臺伺服電機(jī)具有主從關(guān)系。膜包機(jī)的同步運(yùn)動控制一般是在位置上的同步。在CAN總線上，主軸會把當(dāng)前的位置信息以一定的微小間隔時間傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)上，而參與同步的從軸也會實(shí)時地取得這些信息，再實(shí)時地根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前從軸要走的位置，并且運(yùn)行當(dāng)前的軌跡。
　　通過數(shù)學(xué)模型，我們可以得到從軸相對于主軸的輪廓關(guān)系（Profiler）。這些輪廓的特征參數(shù)在電機(jī)參與同步之前要下載到伺服控制器中。PP41會利用CAN總線完成參數(shù)的下載任務(wù)。ACOPOS SERVO可以一次設(shè)定11組輪廓關(guān)系，使用事件（Event）的方式，使從軸可以在設(shè)定的輪廓關(guān)系組中按照運(yùn)動的需要方便的跳轉(zhuǎn)。事件的觸發(fā)可以有很多種，可以使用PP41向下發(fā)送4個SIGNAL信息，也可以是伺服控制器上的2個觸發(fā)信息。因此，我們可以把主從的輪廓關(guān)系按照一定的要求分解成幾個階段（State），通過階段之間的跳轉(zhuǎn)，可以完成不同階段的同步要求。
　　在膜包機(jī)中，送膜電機(jī)在接收到送膜信號后，當(dāng)主電機(jī)再運(yùn)行到一定相位時開始同步運(yùn)動，直至主電機(jī)完成一個周期，送膜電機(jī)也完成一次送膜任務(wù)。我們可以分成3個階段，即送膜電機(jī)等待送膜信號、主電機(jī)到達(dá)送膜起始相位，以及跟著主電機(jī)完成一次送膜任務(wù)。送膜時，要根據(jù)先慢后快的原則，最后一個階段還可以再次細(xì)分成幾個階段。
　　（4）虛軸概念
　　在ACOPOS SERVO中，針對每一個伺服電機(jī)而創(chuàng)建的運(yùn)動對象都具有一個虛擬的軸，也就是虛軸。這個虛軸和實(shí)軸一樣，一方面能夠作為從軸，跟著主軸完成同步軌跡，另一方面還能夠作為主軸，讓其他從軸參與同步。由于虛軸概念的引入，使得一個伺服電機(jī)也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關(guān)系。
　　如果在送膜電機(jī)和主電機(jī)之間加一個主虛軸，那么可以把等待送膜信號、等待主電機(jī)的起始相位、與主電機(jī)完成一個周期這3個階段的輪廓關(guān)系加在主虛軸上。送膜電機(jī)可以與主虛軸同步，完成先慢后快的幾個階段的同步任務(wù)。這樣，可以在主電機(jī)不運(yùn)動的情況下，讓虛軸走一個周期，送膜電機(jī)就能夠完成一次送膜任務(wù)，也就是手動送膜一次，便于一開始送膜位置的前后調(diào)整。
　　控制過程中的功能實(shí)現(xiàn)
　　ACOPOS SERVO在膜包機(jī)中要完成的任務(wù)是：驅(qū)動推瓶桿和挑膜桿、送紙板、送切膜和分瓶。其中發(fā)生同步關(guān)系的任務(wù)有送紙板、送膜和切膜。圖3示意了幾個軸之間的主從關(guān)系，箭頭左邊為主，右邊為從。送瓶電機(jī)雖然沒有參與同步，但是在分瓶過程中，它和壓板、擋板都是以主電機(jī)的相位角度作為依據(jù)，執(zhí)行著相互關(guān)聯(lián)的起停，共同完成分瓶任務(wù)。

　　1.白膜的送切
　　送膜和切膜是膜包機(jī)中最重要的環(huán)節(jié)，也是控制過程中最困難的部分，尤其是送膜。
　　根據(jù)工藝的要求，當(dāng)送膜起動后的開始階段，出膜的速度應(yīng)該和待包的一組瓶的速度保持一致，壓在紙板下膜的部分應(yīng)該是預(yù)先設(shè)定的長度，而且不能夠發(fā)生卷曲。剩下的幾個階段要快速出膜，以保證挑膜桿能夠不受阻礙地將后面的薄膜挑出。挑膜的這幾個階段的速度一定也要控制的適當(dāng)，過快會導(dǎo)致薄膜曲皺，過慢會引起挑膜桿受阻。無論是幾個階段，也不管中間出膜的速度快慢，最終一定要保證主電機(jī)在執(zhí)行一個周期后，送膜電機(jī)也要正好完成一次送膜。也就是送膜電機(jī)和主電機(jī)的一次同步。
　　在切膜機(jī)構(gòu)上，不同的廠家設(shè)計(jì)的也不一樣。目前有兩種機(jī)構(gòu)采用的較多，一種是在送膜電機(jī)軸上采用電磁離合器吸合一個切刀綁定后旋轉(zhuǎn)一圈；另外一種是把切刀作為一個獨(dú)立的電機(jī)軸和送膜電機(jī)軸保持同步。切膜值得重視的是切刀旋轉(zhuǎn)切膜的瞬間線速度應(yīng)該大于薄膜被切點(diǎn)的線速度，否則薄膜可能會刮壞、切不斷，甚至造成切刀齒崩壞?？茣r敏公司的膜包機(jī)采用獨(dú)立的切刀電機(jī)軸，和送膜電機(jī)參與同步的切刀可以更直接的調(diào)整同步時幾個同步階段的快慢，保證了每次切膜的位置精度，同時還可以參與彩膜控制。
　　白膜的送切還應(yīng)該注意一個很重要的問題：不同裹包速度下的膜長控制。為了保證送膜后膜輥筒不再因?yàn)閼T性而繼續(xù)出膜，都會在膜輥筒旁邊加上剎車裝置。受了剎車裝置的拉拽因素的影響，再加上送膜輥筒的摩擦因素，使得實(shí)際的膜長在不同的裹包速度下會有變化。換句話說就是如果送膜電機(jī)的一次送膜量不變，那么，隨著裹包速度的增加，實(shí)際的送膜長度會越來越短。因此，我們需要增加一個不同裹包速度的送膜補(bǔ)償量。
　　2.分瓶
　　分瓶控制在膜包機(jī)中，一直都是一個不可忽視的問題，分瓶裝置的分瓶好壞直接會影響后面的裹包速度，從而影響整個生產(chǎn)線的速度。目前，分瓶裝置也有兩種機(jī)構(gòu)采用的較多，一種是使用兩個電機(jī)軸，與主電機(jī)保持一快一慢的同步關(guān)系；另外一種是使用壓板、擋板和進(jìn)瓶電機(jī)軸根據(jù)主電機(jī)的相位相互配合的啟停。第二種方式的分瓶裝置阻止了倒瓶現(xiàn)象，提高了分瓶速度。
　　3.入口進(jìn)瓶與熱通道出瓶
　　除了送切膜和分瓶，入口進(jìn)瓶與熱通道出瓶也不能降低控制要求。入口和熱通道分別都應(yīng)該配置一個變頻器，平穩(wěn)的控制進(jìn)出瓶的輸送。根據(jù)工藝的要求，入口輸送帶與熱通道輸送帶的速度應(yīng)該和主電機(jī)保持一個比例關(guān)系。這樣可以保證主電機(jī)、入口輸送、分瓶、熱通道輸送作到一個基本同步。入口輸送的快慢控制著瓶之間的松緊，從而對分瓶的好壞產(chǎn)生影響。熱通道輸送的快慢加上溫度的高低也會使裹包后的膜收縮程度不同。因此，前后輸送的同步配合也是一個需要考慮的因素。
　　彩膜送切的探討
　　白膜沒有位置的限制，可以從任何一個位置開始，只要保證每次送切的膜長一致就可以。相比之下，彩膜送切的位置與膜長所要求的精度高很多。除了薄膜長度以外，送切后彩膜的圖案對稱度也是一個檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。一般地，印制出來的彩膜都會在兩段對稱圖案的后面留有一個空白段，是待切部分。每一個空白待切部分的薄膜邊緣都會有一個黑色的一小塊色標(biāo)印記（Print）。利用一個光電傳感器可以在送膜過程中捕獲這一個印記，從而讓伺服控制器得到這個信息。工藝上要求，印記一旦被檢測到，送膜電機(jī)會完成一段位移，然后開始切膜。如果送膜電機(jī)一直以一定的速度運(yùn)動，那么，切膜電機(jī)從檢測到印記與送膜電機(jī)同步到最后完成切膜應(yīng)該是容易控制的。但是，送膜電機(jī)仍然需要和主電機(jī)保持同步，完成先慢后快的軌跡。當(dāng)然，勻速送切彩膜方式可以用作第一次的手動校準(zhǔn)。因此，本次在科時敏的膜包機(jī)中采用了一種動態(tài)控制送膜長度的方法來控制彩膜的送切，達(dá)到了一定的工藝要求。其實(shí)，彩膜的送切應(yīng)該還有其他很好的方法值得研究，國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)也是值得借鑒的。
　　結(jié)束語
　　熱收縮薄膜包裝機(jī)在整個啤酒生產(chǎn)線中是最后一個環(huán)節(jié)，也是影響最終啤酒產(chǎn)量的一個重要因素。國內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家也是最近一兩年才開始使用國產(chǎn)的膜包機(jī)。因此，無論從機(jī)械、電氣，還是到整個系統(tǒng)的控制，都還有一定的有效升級空間。

企業(yè)介紹

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)的機(jī)器人及離散自動化業(yè)務(wù)部的一個業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客… 更多>>

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