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    摘要：文章簡要介紹了瓶灌裝機的發展現狀，提出瓶灌裝機應用固定電子凸輪曲線存在的問題。針對此問題，本文以灌裝半固體物質的瓶灌裝機為例，使用性價比較高的Lenze 9400伺服PLC驅動器，提出在線CAM曲線計算的解決方案。

    1 引言

    在現代社會中，瓶灌裝生產線廣泛應用于食品、醫藥、日化等行業，灌裝生產線水平的高低直接關系著產品的質量和生產的效率。隨著經濟的發展和科學技術的突飛猛進，特別是自動化、智能化技術的廣泛應用，瓶灌裝機行業受益匪淺。目前，瓶灌裝機市場需求龐大，國內外生產廠商眾多，競爭極為激烈。面對競爭激烈的市場，如何降低成本，提高生產線技術水平成為眾多企業的迫切需求。

    為降低成本、提高技術水平，電子凸輪取代機械凸輪的使用成為一種趨勢。電子凸輪的使用極大地降低了生產成本。一般來說，一種電子凸輪對應一種瓶灌裝產品，對于需要灌裝多種規格瓶子的生產線，需要在伺服驅動器中預置對應數目的電子凸輪曲線，但對于計劃外的瓶子灌裝則無能為力。Lenze公司推出了9400伺服PLC，采用在線電子凸輪曲線計算的方式解決了這個問題，本文以灌裝半固體物質的瓶灌裝機為例，提出了電子凸輪CAM在線計算的解決方案。

    2 設備主體結構

    設備主體部分主要由運輸鏈、大盤、托盤和灌裝噴嘴等機械部件組成。運輸鏈：灌裝時，將灌裝瓶送至灌裝處；灌裝完畢后，再將已完成灌裝的瓶子運走；大盤：大盤轉一圈完成一個工位瓶子的灌裝，即一個瓶子灌裝完畢后，大盤轉一圈，將此瓶從灌裝位置移出，同時將下一個瓶子移至灌裝噴嘴所處的灌裝位置，準備進行下一個瓶子的灌裝；托盤：托舉瓶子，由伺服電機驅動控制，可以進行精確的CAM位置升降運動；灌裝噴嘴：形狀為一細長圓柱噴嘴。每一工位瓶子進行灌裝時，通過設備控制噴嘴一定的液體流量。

    灌裝的主要時序如下：設備灌裝時，首先通過運輸鏈將瓶子運送至灌裝處，自動裝至托盤；灌裝噴嘴位置保持不動，由伺服電機控制托盤上升使瓶底接近噴嘴位置；灌裝時，液體在固定壓力下從噴嘴流出，灌裝噴嘴位置固定，伺服電機控制托盤瓶子根據CAM曲線位置自動下降，使噴嘴與液面始終保持固定位置；灌裝完畢后，大盤轉動一圈，使灌裝完畢的瓶子移向傳輸鏈，并由傳輸鏈送走，同時將下一個空瓶子移至噴嘴所在位置，進行下一個瓶子的灌裝。

    此外，也有其他灌裝設備采取托盤瓶子位置固定，通過控制噴嘴的上升、下降位置、速度來控制瓶子灌裝。雖然機械結構有所不同，但原理大同小異，均使用伺服電機控制位置，以保持灌裝時噴嘴和瓶內液面的位置不變。

    3 主要難點

    為提高產品的多樣性和競爭力，大部分客戶設計或選用不同形狀的瓶子用于產品包裝，作為其提高市場吸引力，進而提高產品競爭力的一個重要舉措，但這也增大了瓶子灌裝的難度。

    由于灌裝所用材料大部分為液態或半固態的物質，且有不同的顏色，為保證整體產品的質量，灌裝時，須保持噴嘴與瓶內液面的位置恒定。若灌裝時，噴嘴與瓶內液面位置快速脫離或者接觸上，容易導致灌裝物質在瓶內噴濺或者瓶內產品的內部會有氣泡，這樣就會影響產品外觀及質量。因此如何建立方程或者曲線，通過驅動器控制實現灌裝CAM曲線，保證灌裝質量，是灌裝需要考慮的重要問題。

    此外，一般來說，一種形狀的瓶子對應一種灌裝CAM曲線。在實際應用中，客戶經常會使用不同形狀的瓶子，按常規考慮，則需要在驅動器中預存不同的CAM曲線，但這意味著只能灌裝在驅動器中預存形狀的瓶子，一旦遇到其它形狀的瓶子，除非修改曲線，否則影響灌裝質量。但在終端客戶那里，這會極為麻煩。因此如何建立一種方程，使之適應絕大多數形狀的瓶子，也是一個主要的難點。

    4 解決方案

    Lenze 9400伺服PLC提供了解決問題的主要載體，9400伺服PLC除具備伺服器的功能外，還兼具PLC的功能，可以進行自由編程。這樣，只要建立了合適的方程，就可以通過9400伺服PLC以CAM方式實現，以解決灌裝中存在的問題。

    4.1. 產品介紹

    9400伺服PLC是Lenze公司推出的一款伺服控制器，也是Lenze最高精度系列產品之一，能為系統處理和過程控制提供革命性技術方法。主要特點如下：

    1) 較高的運算速度及控制精度

    控制器采用32位處理器，極大地提高了運算及控制精度。

    2) 兼容PLC編程功能

    9400伺服PLC具備PLC編程功能，可靈活實現客戶不同的需求。同時，PLC運行掃描時間極為迅速，快達1ms。

    3) 通訊兼容性

    通過選擇不同的通訊模塊，9400伺服PLC可以快捷地與第三方PLC或者其他伺服驅動器通訊，如Profibus-DP、ProfiNet、EtherCAT等模塊。

    4) 可集成的安全技術

    可選的可插拔安全模塊可滿足IEC 61508SIL3安全標準的要求。模塊化的解決方法，對于滿足將來可能進一步增加的安全要求也提供了可靠的保證。

    4.2. 系統配置

    系統配置如圖1所示。9400伺服PLC驅動器驅動同步伺服電機控制托盤的上下運動，電子凸輪CAM曲線由9400伺服PLC在線計算，并存儲在9400伺服PLC中。大盤上安裝一個SSI絕對值編碼器，編碼器信號接入9400伺服PLC X8接口中，作為CAM曲線的主軸信號，大盤轉一個工位，編碼器則旋轉一周。

 

 圖1 系統配置圖
 

    由于系統需要高動態響應，執行電機選用Lenze高性能MCS同步伺服電機。電機在運行過程中會產生發電能量，9400伺服PLC驅動器外接一個制動電阻。

    9400伺服PLC驅動器通過集成的CAN接口與觸摸屏進行通訊，擴展IO接口通過CAN總線與9400伺服PLC相連。

    4.3. 主要功能

    1) CAM曲線在線計算

    在畫面上輸入關于瓶子形狀的特征點，9400伺服PLC程序中即可根據瓶子形狀特征點得出瓶子形狀體積模型，然后根據瓶子體積、灌裝速度、大盤SSI編碼器角度計算出通用曲線方程，離散化得到計算CAM曲線。

    2) CAM曲線計算錯誤保護

    由于在灌裝過程不允許電機倒轉或者暴沖，CAM曲線的計算結果需要進行容錯檢查。

    a) 特征點坐標值輸入錯誤檢查；

    b) 灌裝曲線趨勢檢查；

    c) 檢查計算結果相鄰點之間值是否跳變過大，以防止電機出現暴沖現象。

    3) CAM曲線在線切換

    在生產線灌裝過沖中，使用CAM曲線在線切換功能，實現不停機切換灌裝不同的瓶子。

    4) Lock to CAM 功能

    運行CAM曲線前，電機可能在任意位置。為防止投入CAM曲線運行瞬間電機出現暴沖現象，可采用以下辦法：投入CAM曲線運行命令后，先將電機位置自動定位到CAM計算曲線對應的位置，定位完成后再自動運行CAM曲線。

    5) 轉矩補償

    在外部慣量較大時，可以采用轉矩補償。由于電機運行時，外部負載為固定值，且負載方向一直向下，可以等同為位能性負載。伺服控制器驅動電機帶動桿上升時，需要加上此負載對應的轉矩量；電機帶動桿下降時，則需要減去此負載對應的轉矩量。

    5 Lenze亮點

    1) 高精度的伺服PLC驅動器，32位處理器，具備極高的運算及控制精度，程序掃描時間可達1ms；

    2) 除具備9400伺服驅動器特性外，還兼容PLC功能。一臺9400伺服PLC可替代PLC+伺服驅動器的組合，減少成本，性價比較高；

    3) 可執行公式生成的計算CAM曲線或者固定CAM曲線，CAM曲線之間可進行在線切換；

    4) 兼容第三方設備的Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等常用的通訊；

    5) 外圍可擴展IO端口。

    6 結論

    9400伺服PLC驅動器除具備高精度伺服控制的特點，兼具PLC的功能，支持ST、FBD等多種編程語言，還可以進行外圍IO擴展，具備較高的性價比。此外，還可以實現在線CAM曲線計算、固定CAM曲線與計算CAM曲線的切換等多種功能，對于灌裝設備技術水平的提升有著重要的實際應用意義。