論文摘要：多軸伺服制瓶機控制系統(tǒng)，即全伺服制瓶機控制系統(tǒng)，是國內(nèi)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(jù)國內(nèi)外玻璃瓶罐機械的發(fā)展趨勢，以最佳性價比、最簡單的結(jié)構(gòu)、最方便的操作維護和可靠性為目標(biāo)，用單片機、集成電路等元器件，從電路基礎(chǔ)進行硬件設(shè)計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展，可以控制從單軸到140多個伺服軸機構(gòu)的定時定位定曲線的協(xié)調(diào)同步運行。該系統(tǒng)控制的制瓶機，用伺服驅(qū)動機構(gòu)取代高能耗的氣動機械機構(gòu)，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(guān)、撲氣、吹氣、翻瓶、取瓶、冷卻、真空、撥瓶等整機數(shù)百個運動和動作全部自動化完成，實現(xiàn)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、特性以及伺服控制在行列式制瓶機上應(yīng)用所產(chǎn)生的效果。

　　論文關(guān)鍵詞：全伺服制瓶機,制瓶機器人,環(huán)保節(jié)能,數(shù)控機床核心期刊

　　0前言

　　隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和伺服電機的普及應(yīng)用，國內(nèi)外的玻璃瓶罐機械行業(yè)相繼研制出伺服鉗瓶、伺服翻轉(zhuǎn)等制瓶機上的部分伺服機構(gòu)，取代了老式的氣動機構(gòu)和機械凸輪。這些伺服電動機構(gòu)驅(qū)動的制瓶機具有運行穩(wěn)定、能耗低、噪音小、污染小、機速高等優(yōu)點，深受用戶歡迎。數(shù)控機床核心期刊《中國工程科學(xué)》是中國工程院創(chuàng)辦并主管的學(xué)術(shù)期刊，全國政協(xié)副主席、中國工程院院長、兩院院士宋健教授任編委會主任。《中國工程科學(xué)》辦刊的指導(dǎo)思想是充分發(fā)揮中國工程院各學(xué)部全體院士和全國工程科技專家的積極性，面向中國和世界工程科技界，努力使之成為我國工程科技界最高水平的綜合性學(xué)術(shù)刊物。《中國工程科學(xué)》是傳播當(dāng)代最新工程技術(shù)信息，薈萃專家、學(xué)者創(chuàng)新精華，融百花為一園，集綜合為一體的學(xué)術(shù)期刊。它不但面向兩院院士和工程技術(shù)專家，更以廣大中青年科技人員和高校師生為讀者對象。

　　近幾年來，三金公司研制了全伺服制瓶機控制系統(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、雙軸電子撥瓶器、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉(zhuǎn)器的行列式制瓶機，并大批量推向市場，創(chuàng)新研發(fā)了配置雙軸伺服供料機、雙軸電子撥瓶器、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉(zhuǎn)器、初型模及成型模伺服平行開關(guān)機構(gòu)、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(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及其功能原理。

　　1技術(shù)要求

　　根據(jù)國內(nèi)外玻璃瓶罐行業(yè)的現(xiàn)狀，要使更多的伺服機構(gòu)應(yīng)用于行列式制瓶機，簡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化行業(yè)多軸運動控制的現(xiàn)狀，行列式制瓶機上的伺服控制系統(tǒng)要解決如下一系列問題。

　　1.1結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)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(jié)構(gòu)，需要12～20個控制柜才能完成。所以設(shè)計制瓶機的伺服控制系統(tǒng)，首先是要解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

　　1.2性價比問題

　　伺服系統(tǒng)的價格主要決定于伺服控制和伺服電機驅(qū)動器，要選用“PLC主模塊”+“若干個運動控制模塊”+“數(shù)塊I/O模塊”+“通訊模塊”+“上位工控機”的結(jié)構(gòu)，制瓶機每個伺服軸的控制和伺服電機驅(qū)動器要5～10萬元，每臺8組帶伺服翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護困難。所以制瓶機伺服控制系統(tǒng)要在中國普及應(yīng)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(tǒng)，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(diào)整初始位置、行程、運行曲線，每個軸要在各種狀態(tài)下安全順利自動定位啟動，這也是應(yīng)該重點考慮的問題。當(dāng)前國內(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)啟動不能自動定位，要用手動輔助找位;有的系統(tǒng)停電后再啟動，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(shù)和功能可擴展性問題

　　伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計要有可擴展性，可以配置到不同軸數(shù)的各式制瓶機上，而不是一種配置用一種系統(tǒng)。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(xiàn)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(chǎn)線總啟動信號同步從安全位置自動啟動，停機時跟隨生產(chǎn)線同步停機，停在設(shè)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(tǒng)”的解決方案。

　　2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　緊密結(jié)合制瓶機特殊工藝要求研發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)在機器旁邊用2個按鈕可以調(diào)整每個伺服軸的初位和末位的位置、確定行程、運行中調(diào)整行程以及啟動一鍵定位等國內(nèi)外相近產(chǎn)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(qū)動器、系統(tǒng)同步信號、現(xiàn)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(qū)動器和相應(yīng)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(xiàn)12組大型制瓶機的全伺服驅(qū)動和全自動控制(取代國外相近產(chǎn)品的12～20個控制柜)，制瓶機的工作參數(shù)在上位機用戶界面上修改，上位機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)按照地址和數(shù)據(jù)分類發(fā)送到相應(yīng)的M.CU運動控制器板。

　　此外，本系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)簡單、操作直觀、易懂的設(shè)計理念，把機器上每個伺服軸的2個按鈕1個開關(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)、細調(diào)、到位緩沖調(diào)整)、運行中微調(diào)行程、按鈕清報警等便于現(xiàn)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(guān)一鍵定位，或者隨生產(chǎn)線系統(tǒng)啟動而自動定位啟動進入同步運行。所驅(qū)動的所有伺服機構(gòu)采用普通伺服電機和驅(qū)動器，實現(xiàn)最佳性價比。程序設(shè)計實現(xiàn)伺服機構(gòu)的運行時間隨生產(chǎn)線的速度變化而自動變化。全方位達到結(jié)構(gòu)更簡單，性價比更優(yōu)，操作更方便。

　　2.2系統(tǒng)的控制原理

　　上位機Pc把用戶設(shè)定的運動曲線及其運動配時數(shù)據(jù)下載到運動控制器MC中，運動控制器MC根據(jù)控制盤Kc上的用戶命令和系統(tǒng)同步信號TB的要求，實時向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制信號和運動曲線脈沖信號(或者是曲線命令數(shù)據(jù))，伺服驅(qū)動器Pi根據(jù)輸入命令驅(qū)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(gòu)運行，實現(xiàn)每個伺服機構(gòu)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(zhǔn)確動作，精確定位，協(xié)調(diào)同步。

　　圖4是電子定時、伺服運動翻轉(zhuǎn)器的制瓶機初型側(cè)控制盤。相當(dāng)于圖1中和圖2中的KC，其中左邊3個開關(guān)按鈕是伺服運動翻轉(zhuǎn)器的“手動/零位/自動”控制開關(guān)和JOG按鈕，這3個開關(guān)按鈕的配合，可以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和返回位置調(diào)整、自動初始化定位、運行中行程微調(diào)等功能。

　　2.3預(yù)期效果

　　多軸伺服制瓶機智能控制系統(tǒng)有效實現(xiàn)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)和進口制瓶機上。根據(jù)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(gòu)伺服化控制。現(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、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉(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、伺服芯子等達到每組制瓶機十幾個伺服軸的制瓶機機器人控制。

　　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、伺服運動鉗移器、伺服運動翻轉(zhuǎn)器、伺服雙軸拔瓶器成功應(yīng)用到各式制瓶機上投入運行，深受用戶歡迎，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)市場發(fā)展趨勢和國家低碳經(jīng)濟的要求，三金公司開發(fā)并試制了基于“多軸伺服制瓶機智能控制系統(tǒng)”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”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)動的全伺服制瓶機時代。

　　2.4主要技術(shù)性能

　　(1)實現(xiàn)每組制瓶機十幾個伺服軸，整機140多軸的協(xié)調(diào)同步、定時定位定曲線控制。

　　(2)實現(xiàn)每32—40軸的智能運動控制和伺服驅(qū)動器集成一體化結(jié)構(gòu)。

　　(3)所有伺服機構(gòu)現(xiàn)場操作一鍵定位。

　　(4)所有伺服機構(gòu)現(xiàn)場按紐修改零位偏移和運動行程。

　　(5)所有伺服機構(gòu)現(xiàn)場運行中微調(diào)行程。

　　(6)所有伺服機構(gòu)現(xiàn)場位置粗調(diào)和細調(diào)、按鈕單步運行、按鈕手動調(diào)試、按鈕清報警等功能。

　　(7)伺服機構(gòu)到位的電子緩沖量調(diào)整。

　　(8)定位精度1/23000，定時精度0.1度。

　　(9)基于標(biāo)準(zhǔn)度數(shù)的電子凸輪曲線生成和電子凸輪運行，達到每個軸“從設(shè)定時間開始運行特定曲線，在設(shè)定時間運行到設(shè)定位置”的高難度控制指標(biāo)。

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

　　(11)與制瓶機生產(chǎn)線的其它系統(tǒng)共享上位機WINDOWS操作系統(tǒng)下的用戶界面。