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(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(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。

　　關鍵詞：全伺服制瓶機；制瓶機器人；環(huán)保節(jié)能

　　前言

　　目前國內(nèi)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和機械凸輪驅(qū)動的機器。制瓶過程是一系列的機構和閥門協(xié)調(diào)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(qū)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(wěn)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(jīng)過空壓機轉換成壓縮空氣的壓縮能，經(jīng)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(qū)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(huán)境污染，動作穩(wěn)定性差，結構復雜，運行機速低。開發(fā)節(jié)能型伺服機構制瓶機，是行業(yè)技術進步的需求，更是國家綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟的要求。

　　隨著電子信息技術的飛速發(fā)展和伺服電機的普及應用，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(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。

　　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(tǒng)的結構特點及其功能原理。

　　1技術要求

　　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(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(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(tǒng)，首先是要解決結構復雜的問題。

　　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”的結構，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(tǒng)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(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，這也是應該重點考慮的問題。當前國內(nèi)外的伺服鉗瓶和伺服翻轉控制系統(tǒng)，普遍存在操作復雜的問題。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)送到相應的M.CU運動控制器板。

　　此外，本系統(tǒng)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(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)動的所有伺服機構采用普通伺服電機和驅(qū)動器，實現(xiàn)最佳性價比。程序設計實現(xiàn)伺服機構的運行時間隨生產(chǎn)線的速度變化而自動變化。全方位達到結構更簡單，性價比更優(yōu)，操作更方便。

　　多軸伺服制瓶機控制系統(tǒng)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，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(xiàn)，公用上位計算機。

　　2.2系統(tǒng)的控制原理

　　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。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(qū)動器、伺服電機及其所驅(qū)動的伺服機構，P2、M2和SVM2是伺服運動翻轉器的伺服驅(qū)動器、伺服電機及其所驅(qū)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(qū)動器、伺服或步進電機及其所驅(qū)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(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運行，實現(xiàn)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(xié)調(diào)同步。

　　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LCPN或者是KC，其中的右數(shù)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(xiàn)放瓶位置調(diào)整、取瓶位置調(diào)整、自動初始化定位、運行中行程微調(diào)等功能。其中右數(shù)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。

　　電子定時、伺服運動翻轉器的制瓶機初型側控制盤。相當于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(xiàn)翻轉和返回位置調(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伺服化控制�，F(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(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(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)動器集成一體化結構。

　�。�3）所有伺服機構現(xiàn)場操作一鍵定位。

　�。�4）所有伺服機構現(xiàn)場按紐修改零位偏移和運動行程。

　　（5）所有伺服機構現(xiàn)場運行中微調(diào)行程。

　　（6）所有伺服機構現(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）基于標準度數(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(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。