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摘 要： 論文摘要：多軸伺服制瓶機智能控制系統有效實現制瓶機伺服多軸控制的可擴展性、可選配性，適合配置到所有的國產和進口制瓶機上。根據用戶對制瓶機配置伺服軸多少的要求，可以控制1～140個伺服軸，直到全伺服制瓶機制瓶機器人的控制，達到大型12組制瓶機的全
論文摘要：多軸伺服制瓶機智能控制系統有效實現制瓶機伺服多軸控制的可擴展性、可選配性，適合配置到所有的國產和進口制瓶機上。根據用戶對制瓶機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——“制瓶機器人”的控制，達到大型12組制瓶機的全部機構伺服化控制。
關鍵詞：全伺服制瓶機,制瓶機器人,環保節能
前言
目前國內外玻璃瓶罐機械制造業生產的行列式制瓶機主要為氣動和機械凸輪驅動的機器。制瓶過程是一系列的機構和閥門協調動作完成的，機器的動作主要是通過機械閥門或者電磁閥控制氣路的通斷，從而驅動機構和機械凸輪的運行，有些機構要使用液壓緩沖才能穩定運行，有些機構的機械凸輪需要鉸鏈油箱進行油浴。制瓶機上的能量轉換首先是把電能經過空壓機轉換成壓縮空氣的壓縮能，經過對壓縮空氣的凈化處理，通過復雜的氣管道輸送到制瓶機上，再由氣來驅動機構的動作。這種控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了嚴重的環境污染，動作穩定性差，結構復雜，運行機速低。開發節能型伺服機構制瓶機，是行業技術進步的需求，更是國家綠色環保和低碳經濟的要求。
隨著電子信息技術的飛速發展和伺服電機的普及應用，國內外的玻璃瓶罐機械行業相繼研制出伺服鉗瓶、伺服翻轉等制瓶機上的部分伺服機構，取代了老式的氣動機構和機械凸輪。這些伺服電動機構驅動的制瓶機具有運行穩定、能耗低、噪音小、污染小、機速高等優點，深受用戶歡迎。
多軸伺服制瓶機控制系統，即全伺服制瓶機控制系統，是國內外行列式制瓶機控制領域的全新產品，是三金公司根據國內外玻璃瓶罐機械的發展趨勢，以最佳性價比、最簡單的結構、最方便的操作維護和可靠性為目標，用單片機、集成電路等元器件，從電路基礎進行硬件設計和程序編制的百軸伺服控制系統。該系統的軸數、曲線、功能可選擇和可靈活擴展，可以控制從單軸到140多個伺服軸機構的定時定位定曲線的協調同步運行。該系統控制的制瓶機，用伺服驅動機構取代高能耗的氣動機械機構，用電子凸輪取代機械凸輪，用電子緩沖取代液壓緩沖，達到全伺服制瓶機的低成本、低能耗、易操作、高性能、高效率，使制瓶機的供料、分料、接料、模子開關、撲氣、吹氣、翻瓶、取瓶、冷卻、真空、撥瓶等整機數百個運動和動作全部自動化完成，實現低能耗環保的機器人制瓶。介紹三金公司研發的多軸伺服制瓶機控制系統的結構、功能、特性以及伺服控制在行列式制瓶機上應用所產生的效果。
近幾年來，三金公司研制了全伺服制瓶機控制系統，研制了基于該系統控制的單軸撥瓶器、單軸伺服分料器、雙軸伺服供料機、雙軸電子撥瓶器、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉器的行列式制瓶機，并大批量推向市場，創新研發了配置雙軸伺服供料機、雙軸電子撥瓶器、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉器、初型模及成型模伺服平行開關機構、伺服撲氣、伺服正吹氣等的全伺服制瓶機的一組樣機。本文簡介多軸伺服制瓶機控制系統的結構特點及其功能原理。
1技術要求
根據國內外玻璃瓶罐行業的現狀，要使更多的伺服機構應用于行列式制瓶機，簡單而可靠的多軸伺服控制是關鍵技術。綜合分析瓶罐行業的工藝要求的特殊性和自動化行業多軸運動控制的現狀，行列式制瓶機上的伺服控制系統要解決如下一系列問題。
1.1結構復雜問題
多軸運動控制最直接可選的方案是“PLC主模塊”+“若干個運動控制模塊”十“數塊I/0模塊”+“通訊模塊”+“上位工控機”。12組行列式制瓶機的全伺服控制最少需要135個軸，這就需要龐大的控制結構，需要12～20個控制柜才能完成。所以設計制瓶機的伺服控制系統，首先是要解決結構復雜的問題。
1.2性價比問題
伺服系統的價格主要決定于伺服控制和伺服電機驅動器，要選用“PLC主模塊”+“若干個運動控制模塊”+“數塊I/O模塊”+“通訊模塊”+“上位工控機”的結構，制瓶機每個伺服軸的控制和伺服電機驅動器要5～10萬元，每臺8組帶伺服翻轉和伺服鉗瓶的2軸伺服制瓶機，單是伺服控制就要增加80～160萬元的成本，用戶很難接受，并且結構復雜，維護困難。所以制瓶機伺服控制系統要在中國普及應用，必須解決性價比問題。
1.3維護操作方便性問題
伺服制瓶機控制系統，從每組單軸到每組十幾個伺服軸的控制，整機100～140軸，每個軸要調整初始位置、行程、運行曲線，每個軸要在各種狀態下安全順利自動定位啟動，這也是應該重點考慮的問題。當前國內外的伺服鉗瓶和伺服翻轉控制系統，普遍存在操作復雜的問題。有的系統啟動不能自動定位，要用手動輔助找位;有的系統停電后再啟動，需要用便攜終端重新調整定位;調整定位值需要到控制室中進行，給用戶帶來了諸多不便，這都是需要解決的問題。
1.4伺服軸數和功能可擴展性問題
伺服控制系統的設計要有可擴展性，可以配置到不同軸數的各式制瓶機上，而不是一種配置用一種系統。能控制每組制瓶機1個伺服軸，也能控制每組制瓶機十幾個伺服軸，實現從單軸到全伺服制瓶機的控制。
1.5啟動/停機方便迅速
伺服軸的啟動與生產線總啟動信號同步從安全位置自動啟動，停機時跟隨生產線同步停機，停在設定位置，緊急停機停在安全位置，單軸人為停機停在需要位置。
2解決方案
為解決上述問題，三金公司研制了“行列式制瓶機多軸伺服控制系統”的解決方案。
2.1系統的結構
緊密結合制瓶機特殊工藝要求研發的單板4軸伺服運動控制、特殊曲線生成及功能控制于一板(尺寸為150III1TI×200mm)的MCU運動控制器，一塊小板可以實現4個軸的可靈活編程定時定位定曲線的運動控制、4個軸的I/0工藝功能控制、通訊和數據處理功能，實現在機器旁邊用2個按鈕可以調整每個伺服軸的初位和末位的位置、確定行程、運行中調整行程以及啟動一鍵定位等國內外相近產品所沒有的獨特功能。
多塊MCU運動控制器固定到同一塊底板上，通過底板連接驅動器、系統同步信號、現場I/0信號及上位機的通訊線，就形成了幾十軸的伺服運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驅動器和相應的MCU伺服控制單元，同樣的用3～4個控制柜可以擴展成140多個伺服軸的控制器，實現12組大型制瓶機的全伺服驅動和全自動控制(取代國外相近產品的12～20個控制柜)，制瓶機的工作參數在上位機用戶界面上修改，上位機友好的用戶界面與生產線上的其它系統公用，修改的數據按照地址和數據分類發送到相應的M.CU運動控制器板。
此外，本系統按結構簡單、操作直觀、易懂的設計理念，把機器上每個伺服軸的2個按鈕1個開關定義了復用功能，可以用按鈕一鍵定位、按鈕調整初始位、按鈕調整行程(并且區分粗調、細調、到位緩沖調整)、運行中微調行程、按鈕清報警等便于現場操作的先進功能。無論是停電后還是停機后，位置自動記憶，開關一鍵定位，或者隨生產線系統啟動而自動定位啟動進入同步運行。所驅動的所有伺服機構采用普通伺服電機和驅動器，實現最佳性價比。程序設計實現伺服機構的運行時間隨生產線的速度變化而自動變化。全方位達到結構更簡單，性價比更優，操作更方便。
圖1是多軸伺服制瓶機控制系統結構示意圖。圖中Pc是上位計算機，PN是控制柜，KC是初型側控制盤，LCPN是成型側控制盤，TKM1～TKM12是1～12組伺服鉗移器電機，IVM1～IVM12是1～l2組伺服翻轉器電機，OPBM1～OPBMI2是1～12組伺服初型模平行開關電機，0PPM1～0PPM12是1～12組伺服成型模平行開關電機，PM1～PMI2和RM1～RM12是雙軸伺服撥瓶器電機。其它伺服機構的控制結構與此同，由另外一個控制柜實現，公用上位計算機。
2.2系統的控制原理 圖2是多軸伺服制瓶機控制系統的控制原理示意圖。圖中以其中的一塊運動控制器板為例，描述了伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉器、雙軸撥瓶器的控制原理。圖中Pc是上位計算機，MC是自制的4軸一體運動控制器板，KC是控制盤，Pl、M1和SVM1是伺服運動鉗移器的伺服驅動器、伺服電機及其所驅動的伺服機構，P2、M2和SVM2是伺服運動翻轉器的伺服驅動器、伺服電機及其所驅動的伺服機構，P3、P4、M3、M4和SVM3是雙軸撥瓶器的伺服或步進電機的伺服驅動器、伺服或步進電機及其所驅動的雙軸撥瓶機構。
上位機Pc把用戶設定的運動曲線及其運動配時數據下載到運動控制器MC中，運動控制器MC根據控制盤Kc上的用戶命令和系統同步信號TB的要求，實時向伺服驅動器發送控制信號和運動曲線脈沖信號(或者是曲線命令數據)，伺服驅動器Pi根據輸入命令驅動伺服電機運行，運行位置通過電機軸頭上的編碼器反饋控制，達到位置的跟蹤定位。伺服電機帶動伺服機構運行，實現每個伺服機構的點動、初始化、單步、間歇同步運行，運行符合制瓶機工藝要求的凸輪曲線和運動軌跡，達到準確動作，精確定位，協調同步。
圖3是電子定時、伺服運動鉗瓶器和雙軸撥瓶器的制瓶機成型側控制盤。相當于圖1中的LCPN或者是圖2中的KC，其中的右數第5、6、7三個開關按鈕是伺服運動鉗瓶器的“手動/零位/自動”控制開關和JOG按鈕，這3個開關按鈕的配合，可以實現放瓶位置調整、取瓶位置調整、自動初始化定位、運行中行程微調等功能。其中右數第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。
圖4是電子定時、伺服運動翻轉器的制瓶機初型側控制盤。相當于圖1中和圖2中的KC，其中左邊3個開關按鈕是伺服運動翻轉器的“手動/零位/自動”控制開關和JOG按鈕，這3個開關按鈕的配合，可以實現翻轉和返回位置調整、自動初始化定位、運行中行程微調等功能。
2.3預期效果
多軸伺服制瓶機智能控制系統有效實現制瓶機伺服多軸控制的可擴展性、可選配性，適合配置到所有的國產和進口制瓶機上。根據用戶對制瓶機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——“制瓶機器人”的控制，達到大型12組制瓶機的全部機構伺服化控制。現在用該系統在單軸撥瓶器、單軸伺服分料器、雙軸伺服供料機、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉器、伺服雙軸撥瓶器、雙軸伺服初型模開關、雙軸伺服成型模開關、伺服撲氣頭、伺服吹氣頭、伺服芯子等達到每組制瓶機十幾個伺服軸的制瓶機機器人控制。
本系統所控制的單軸撥瓶器、單軸伺服分料器、雙軸伺服供料機、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉器、伺服雙軸拔瓶器成功應用到各式制瓶機上投入運行，深受用戶歡迎，創造了很好的經濟效益和社會效益。根據市場發展趨勢和國家低碳經濟的要求，三金公司開發并試制了基于“多軸伺服制瓶機智能控制系統”控制的制瓶機器人(全伺服制瓶機)一組樣機，并在“2010年中國國際玻璃工業展覽會”上展出，這標志著玻璃瓶罐生產裝備邁向了低能耗伺服驅動的全伺服制瓶機時代。
2.4主要技術性能
(1)實現每組制瓶機十幾個伺服軸，整機140多軸的協調同步、定時定位定曲線控制。
(2)實現每32—40軸的智能運動控制和伺服驅動器集成一體化結構。
(3)所有伺服機構現場操作一鍵定位。
(4)所有伺服機構現場按紐修改零位偏移和運動行程。
(5)所有伺服機構現場運行中微調行程。
(6)所有伺服機構現場位置粗調和細調、按鈕單步運行、按鈕手動調試、按鈕清報警等功能。
(7)伺服機構到位的電子緩沖量調整。
(8)定位精度1/23000，定時精度0.1度。
(9)基于標準度數的電子凸輪曲線生成和電子凸輪運行，達到每個軸“從設定時間開始運行特定曲線，在設定時間運行到設定位置”的高難度控制指標。
(10)與制瓶機生產線的其它系統信號共享，啟動/停機/故障保護連鎖控制。
(11)與制瓶機生產線的其它系統共享上位機WINDOWS操作系統下的用戶界面。
