摘要：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(lǐng)域的全新產(chǎn)品，是三金公司根據國內外玻璃瓶罐機械的發(fā)展趨勢，以最佳性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)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(jìn)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(xiàn)、功能可選擇和可靈活擴展，可以控制從單軸到140多個(gè)伺服軸機構的定時(shí)定位定曲線(xiàn)的協(xié)調同步運行。該系統控制的制瓶機，用伺服驅動(dòng)機構取代高能耗的氣動(dòng)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(kāi)關(guān)、撲氣、吹氣、翻瓶、取瓶、冷卻、真空、撥瓶等整機數百個(gè)運動(dòng)和動(dòng)作全部自動(dòng)化完成，實(shí)現低能耗環(huán)保的機器人制瓶。介紹三金公司研發(fā)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(chǎn)生的效果。

　　關(guān)鍵詞：全伺服制瓶機；制瓶機器人；環(huán)保節能

　　前言

　　目前國內外玻璃瓶罐機械制造業(yè)生產(chǎn)的行列式制瓶機主要為氣動(dòng)和機械凸輪驅動(dòng)的機器。制瓶過(guò)程是一系列的機構和閥門(mén)協(xié)調動(dòng)作完成的，機器的動(dòng)作主要是通過(guò)機械閥門(mén)或者電磁閥控制氣路的通斷，從而驅動(dòng)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(jìn)行油浴。制瓶機上的能量轉換首先是把電能經(jīng)過(guò)空壓機轉換成壓縮空氣的壓縮能，經(jīng)過(guò)對壓縮空氣的凈化處理，通過(guò)復雜的氣管道輸送到制瓶機上，再由氣來(lái)驅動(dòng)機構的動(dòng)作。這種控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了嚴重的環(huán)境污染，動(dòng)作穩定性差，結構復雜，運行機速低。開(kāi)發(fā)節能型伺服機構制瓶機，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)濟的要求。

　　隨著(zhù)電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和伺服電機的普及應用，國內外的玻璃瓶罐機械行業(yè)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(dòng)機構和機械凸輪。這些伺服電動(dòng)機構驅動(dòng)的制瓶機具有運行穩定、能耗低、噪音小、污染小、機速高等優(yōu)點(diǎn)，深受用戶(hù)歡迎。

　　近幾年來(lái)，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(dòng)鉗移器、伺服運動(dòng)翻轉器的行列式制瓶機，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、雙軸電子撥瓶器、伺服運動(dòng)鉗移器、伺服運動(dòng)翻轉器、初型模及成型模伺服平行開(kāi)關(guān)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(jiǎn)介多軸伺服制瓶機控制系統的結構特點(diǎn)及其功能原理。

　　1技術(shù)要求

　　根據國內外玻璃瓶罐行業(yè)的現狀，要使更多的伺服機構應用于行列式制瓶機，簡(jiǎn)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(dòng)化行業(yè)多軸運動(dòng)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(wèn)題。

　　1.1結構復雜問(wèn)題

　　多軸運動(dòng)控制最直接可選的方案是“PLC主模塊”+“若干個(gè)運動(dòng)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(gè)軸，這就需要龐大的控制結構，需要12～20個(gè)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(wèn)題。

　　1.2性?xún)r(jià)比問(wèn)題

　　伺服系統的價(jià)格主要決定于伺服控制和伺服電機驅動(dòng)器，要選用“PLC主模塊”+“若干個(gè)運動(dòng)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(gè)伺服軸的控制和伺服電機驅動(dòng)器要5～10萬(wàn)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(wàn)元的成本，用戶(hù)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?xún)r(jià)比問(wèn)題。

　　1.3維護操作方便性問(wèn)題

　　伺服制瓶機控制系統，從每組單軸到每組十幾個(gè)伺服軸的控制，整機100～140軸，每個(gè)軸要調整初始位置、行程、運行曲線(xiàn)，每個(gè)軸要在各種狀態(tài)下安全順利自動(dòng)定位啟動(dòng)，這也是應該重點(diǎn)考慮的問(wèn)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(wèn)題。有的系統啟動(dòng)不能自動(dòng)定位，要用手動(dòng)輔助找位；有的系統停電后再啟動(dòng)，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(jìn)行，給用戶(hù)帶來(lái)了諸多不便，這都是需要解決的問(wèn)題。

　　1.4伺服軸數和功能可擴展性問(wèn)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(gè)伺服軸，也能控制每組制瓶機十幾個(gè)伺服軸，實(shí)現從單軸到全伺服制瓶機的控制。

　　1.5啟動(dòng)/停機方便迅速

　　伺服軸的啟動(dòng)與生產(chǎn)線(xiàn)總啟動(dòng)信號同步從安全位置自動(dòng)啟動(dòng)，停機時(shí)跟隨生產(chǎn)線(xiàn)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(wèn)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(fā)的單板4軸伺服運動(dòng)控制、特殊曲線(xiàn)生成及功能控制于一板（尺寸為150III1TI×200mm）的MCU運動(dòng)控制器，一塊小板可以實(shí)現4個(gè)軸的可靈活編程定時(shí)定位定曲線(xiàn)的運動(dòng)控制、4個(gè)軸的I／0工藝功能控制、通訊和數據處理功能，實(shí)現在機器旁邊用2個(gè)按鈕可以調整每個(gè)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(dòng)一鍵定位等國內外相近產(chǎn)品所沒(méi)有的獨特功能。

　　多塊MCU運動(dòng)控制器固定到同一塊底板上，通過(guò)底板連接驅動(dòng)器、系統同步信號、現場(chǎng)I／0信號及上位機的通訊線(xiàn)，就形成了幾十軸的伺服運動(dòng)控制和凸輪曲線(xiàn)生成器單元，一個(gè)2000mmx750mE×750mlll的控制柜可以安裝32～40個(gè)伺服軸控制的伺服電機驅動(dòng)器和相應的MCU伺服控制單元，同樣的用3～4個(gè)控制柜可以擴展成140多個(gè)伺服軸的控制器，實(shí)現12組大型制瓶機的全伺服驅動(dòng)和全自動(dòng)控制（取代國外相近產(chǎn)品的12～20個(gè)控制柜），制瓶機的工作參數在上位機用戶(hù)界面上修改，上位機友好的用戶(hù)界面與生產(chǎn)線(xiàn)上的其它系統公用，修改的數據按照地址和數據分類(lèi)發(fā)送到相應的M.CU運動(dòng)控制器板。

　　此外，本系統按結構簡(jiǎn)單、操作直觀(guān)、易懂的設計理念，把機器上每個(gè)伺服軸的2個(gè)按鈕1個(gè)開(kāi)關(guān)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(chǎng)操作的先進(jìn)功能。無(wú)論是停電后還是停機后，位置自動(dòng)記憶，開(kāi)關(guān)一鍵定位，或者隨生產(chǎn)線(xiàn)系統啟動(dòng)而自動(dòng)定位啟動(dòng)進(jìn)入同步運行。所驅動(dòng)的所有伺服機構采用普通伺服電機和驅動(dòng)器，實(shí)現最佳性?xún)r(jià)比。程序設計實(shí)現伺服機構的運行時(shí)間隨生產(chǎn)線(xiàn)的速度變化而自動(dòng)變化。全方位達到結構更簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比更優(yōu)，操作更方便。

　　多軸伺服制瓶機控制系統結構示意圖。Pc是上位計算機，PN是控制柜，KC是初型側控制盤(pán)，LCPN是成型側控制盤(pán)，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(kāi)關(guān)電機，0PPM1～0PPM12是1～12組伺服成型模平行開(kāi)關(guān)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(gè)控制柜實(shí)現，公用上位計算機。

　　2.2系統的控制原理

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

　　上位機Pc把用戶(hù)設定的運動(dòng)曲線(xiàn)及其運動(dòng)配時(shí)數據下載到運動(dòng)控制器MC中，運動(dòng)控制器MC根據控制盤(pán)Kc上的用戶(hù)命令和系統同步信號TB的要求，實(shí)時(shí)向伺服驅動(dòng)器發(fā)送控制信號和運動(dòng)曲線(xiàn)脈沖信號（或者是曲線(xiàn)命令數據），伺服驅動(dòng)器Pi根據輸入命令驅動(dòng)伺服電機運行，運行位置通過(guò)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(dòng)伺服機構運行，實(shí)現每個(gè)伺服機構的點(diǎn)動(dòng)、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(xiàn)和運動(dòng)軌跡，達到準確動(dòng)作，精確定位，協(xié)調同步。

　　電子定時(shí)、伺服運動(dòng)鉗瓶器和雙軸撥瓶器的制瓶機成型側控制盤(pán)。相當于LCPN或者是KC，其中的右數第5、6、7三個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕是伺服運動(dòng)鉗瓶器的“手動(dòng)／零位／自動(dòng)”控制開(kāi)關(guān)和JOG按鈕，這3個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕的配合，可以實(shí)現放瓶位置調整、取瓶位置調整、自動(dòng)初始化定位、運行中行程微調等功能。其中右數第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。

　　電子定時(shí)、伺服運動(dòng)翻轉器的制瓶機初型側控制盤(pán)。相當于KC，其中左邊3個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕是伺服運動(dòng)翻轉器的“手動(dòng)／零位／自動(dòng)”控制開(kāi)關(guān)和JOG按鈕，這3個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕的配合，可以實(shí)現翻轉和返回位置調整、自動(dòng)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(shí)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(chǎn)和進(jìn)口制瓶機上。根據用戶(hù)對制瓶機配置伺服軸多少的要求，可以控制1～140個(gè)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�，F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(dòng)鉗移器、伺服運動(dòng)翻轉器、伺服雙軸撥瓶器、雙軸伺服初型模開(kāi)關(guān)、雙軸伺服成型模開(kāi)關(guān)、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(gè)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(dòng)鉗移器、伺服運動(dòng)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(hù)歡迎，創(chuàng )造了很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。根據市場(chǎng)發(fā)展趨勢和國家低碳經(jīng)濟的要求，三金公司開(kāi)發(fā)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(yè)展覽會(huì )”上展出，這標志著(zhù)玻璃瓶罐生產(chǎn)裝備邁向了低能耗伺服驅動(dòng)的全伺服制瓶機時(shí)代。

　　2.4主要技術(shù)性能

　�。�1）實(shí)現每組制瓶機十幾個(gè)伺服軸，整機140多軸的協(xié)調同步、定時(shí)定位定曲線(xiàn)控制。

　�。�2）實(shí)現每32—40軸的智能運動(dòng)控制和伺服驅動(dòng)器集成一體化結構。

　�。�3）所有伺服機構現場(chǎng)操作一鍵定位。

　�。�4）所有伺服機構現場(chǎng)按紐修改零位偏移和運動(dòng)行程。

　�。�5）所有伺服機構現場(chǎng)運行中微調行程。

　�。�6）所有伺服機構現場(chǎng)位置粗調和細調、按鈕單步運行、按鈕手動(dòng)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(shí)精度0.1度。

　�。�9）基于標準度數的電子凸輪曲線(xiàn)生成和電子凸輪運行，達到每個(gè)軸“從設定時(shí)間開(kāi)始運行特定曲線(xiàn)，在設定時(shí)間運行到設定位置”的高難度控制指標。

　�。�10）與制瓶機生產(chǎn)線(xiàn)的其它系統信號共享，啟動(dòng)／停機／故障保護連鎖控制。

　�。�11）與制瓶機生產(chǎn)線(xiàn)的其它系統共享上位機WINDOWS操作系統下的用戶(hù)界面。