1 前言
在现代社会中，瓶灌装生产线广泛应用于食品、医药、日化等行业，灌装生产线水平的高低直接关系着产品的质量和生产的效率。随着经济的发展和科学技术的突飞猛进，特别是自动化、智能化技术的广泛应用，瓶灌装机行业受益匪浅。目前，瓶灌装机市场需求庞大，国内外生产厂商众多，竞争极为激烈。面对竞争激烈的市场，如何降低成本，提高生产线技术水平成为众多企业的迫切需求。
为降低成本、提高技术水平，电子凸轮取代机械凸轮的使用成为一种趋势。电子凸轮的使用极大地降低了生产成本。一般来说，一种电子凸轮对应一种瓶灌装产品，对于需要灌装多种规格瓶子的生产线，需要在伺服驱动器中预置对应数目的电子凸轮曲线，但对于计划外的瓶子灌装则无能为力。Lenze公司推出了9400伺服PLC，采用在线电子凸轮曲线计算的方式解决了这个问题，本文以灌装半固体物质的瓶灌装机为例，提出了电子凸轮CAM在线计算的解决方案。
2设备主体结构
设备主体部分主要由运输链、大盘、托盘和灌装喷嘴等机械部件组成。运输链：灌装时，将灌装瓶送至灌装处;灌装完毕后，再将已完成灌装的瓶子运走;大盘：大盘转一圈完成一个工位瓶子的灌装，即一个瓶子灌装完毕后，大盘转一圈，将此瓶从灌装位置移出，同时将下一个瓶子移至灌装喷嘴所处的灌装位置，准备进行下一个瓶子的灌装;托盘：托举瓶子，由伺服电机驱动控制，可以进行精确的CAM位置升降运动;灌装喷嘴：形状为一细长圆柱喷嘴。每一工位瓶子进行灌装时，通过设备控制喷嘴一定的液体流量。
灌装的主要时序如下：设备灌装时，首先通过运输链将瓶子运送至灌装处，自动装至托盘;灌装喷嘴位置保持不动，由伺服电机控制托盘上升使瓶底接近喷嘴位置;灌装时，液体在固定压力下从喷嘴流出，灌装喷嘴位置固定，伺服电机控制托盘瓶子根据CAM曲线位置自动下降，使喷嘴与液面始终保持固定位置;灌装完毕后，大盘转动一圈，使灌装完毕的瓶子移向传输链，并由传输链送走，同时将下一个空瓶子移至喷嘴所在位置，进行下一个瓶子的灌装。
此外，也有其他灌装设备采取托盘瓶子位置固定，通过控制喷嘴的上升、下降位置、速度来控制瓶子灌装。虽然机械结构有所不同，但原理大同小异，均使用伺服电机控制位置，以保持灌装时喷嘴和瓶内液面的位置不变。
3 主要难点
为提高产品的多样性和竞争力，大部分客户设计或选用不同形状的瓶子用于产品包装，作为其提高市场吸引力，进而提高产品竞争力的一个重要举措，但这也增大了瓶子灌装的难度。
由于灌装所用材料大部分为液态或半固态的物质，且有不同的颜色，为保证整体产品的质量，灌装时，须保持喷嘴与瓶内液面的位置恒定。若灌装时，喷嘴与瓶内液面位置快速脱离或者接触上，容易导致灌装物质在瓶内喷溅或者瓶内产品的内部会有气泡，这样就会影响产品外观及质量。因此如何建立方程或者曲线，通过驱动器控制实现灌装CAM曲线，保证灌装质量，是灌装需要考虑的重要问题。
此外，一般来说，一种形状的瓶子对应一种灌装CAM曲线。在实际应用中，客户经常会使用不同形状的瓶子，按常规考虑，则需要在驱动器中预存不同的CAM曲线，但这意味着只能灌装在驱动器中预存形状的瓶子，一旦遇到其它形状的瓶子，除非修改曲线，否则影响灌装质量。但在终端客户那里，这会极为麻烦。因此如何建立一种方程，使之适应绝大多数形状的瓶子，也是一个主要的难点。
4解决方案
Lenze 9400伺服PLC提供了解决问题的主要载体，9400伺服PLC除具备伺服器的功能外，还兼具PLC的功能，可以进行自由编程。这样，只要建立了合适的方程，就可以通过9400伺服PLC以CAM方式实现，以解决灌装中存在的问题。
4.1 Lenze产品
9400伺服PLC是Lenze公司推出的一款伺服控制器，也是Lenze最高精度系列产品之一，能为系统处理和过程控制提供革命性技术方法。主要特点如下：
1) 较高的运算速度及控制精度
控制器采用32位处理器，极大地提高了运算及控制精度。
2) 兼容PLC编程功能
9400伺服PLC具备PLC编程功能，可灵活实现客户不同的需求。同时，PLC运行扫描时间极为迅速，快达1ms。
3) 通讯兼容性
通过选择不同的通讯模块，9400伺服PLC可以快捷地与第三方PLC或者其他伺服驱动器通讯，如Profibus-DP、ProfiNet、EtherCAT等模块。
4) 可集成的安全技术
可选的可插拔安全模块可满足IEC 61508SIL3安全标准的要求。模块化的解决方法，对于满足将来可能进一步增加的安全要求也提供了可靠的保证。
4.2 系统配置
系统配置如图1所示。9400伺服PLC驱动器驱动同步伺服电机控制托盘的上下运动，电子凸轮CAM曲线由9400伺服PLC在线计算，并存储在9400伺服PLC中。大盘上安装一个SSI绝对值编码器，编码器信号接入9400伺服PLC X8接口中，作为CAM曲线的主轴信号，大盘转一个工位，编码器则旋转一周。
图1 系统配置图
由于系统需要高动态响应，执行电机选用Lenze高性能MCS同步伺服电机。电机在运行过程中会产生发电能量，9400伺服PLC驱动器外接一个制动电阻。
9400伺服PLC驱动器通过集成的CAN接口与触摸屏进行通讯，扩展IO接口通过CAN总线与9400伺服PLC相连。
4.3 实现的主要功能
1) CAM曲线在线计算
在画面上输入关于瓶子形状的特征点，9400伺服PLC程序中即可根据瓶子形状特征点得出瓶子形状体积模型，然后根据瓶子体积、灌装速度、大盘SSI编码器角度计算出通用曲线方程，离散化得到计算CAM曲线。
2) CAM曲线计算错误保护
由于在灌装过程不允许电机倒转或者暴冲，CAM曲线的计算结果需要进行容错检查。
a) 特征点坐标值输入错误检查;
b) 灌装曲线趋势检查;
c) 检查计算结果相邻点之间值是否跳变过大，以防止电机出现暴冲现象。
3) CAM曲线在线切换
在生产线灌装过冲中，使用CAM曲线在线切换功能，实现不停机切换灌装不同的瓶子。
4) Lock to CAM 功能
运行CAM曲线前，电机可能在任意位置。为防止投入CAM曲线运行瞬间电机出现暴冲现象，可采用以下办法：投入CAM曲线运行命令后，先将电机位置自动定位到CAM计算曲线对应的位置，定位完成后再自动运行CAM曲线。
5) 转矩补偿
在外部惯量较大时，可以采用转矩补偿。由于电机运行时，外部负载为固定值，且负载方向一直向下，可以等同为位能性负载。伺服控制器驱动电机带动杆上升时，需要加上此负载对应的转矩量;电机带动杆下降时，则需要减去此负载对应的转矩量。
5 Lenze亮点
1) 高精度的伺服PLC驱动器，32位处理器，具备极高的运算及控制精度，程序扫描时间可达1ms;
2) 除具备9400伺服驱动器特性外，还兼容PLC功能。一台9400伺服PLC可替代PLC+伺服驱动器的组合，减少成本，性价比较高;
3) 可执行公式生成的计算CAM曲线或者固定CAM曲线，CAM曲线之间可进行在线切换;
4) 兼容第三方设备的Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等常用的通讯;
5) 外围可扩展IO端口。
6 结论
9400伺服PLC驱动器除具备高精度伺服控制的特点，兼具PLC的功能，支持ST、FBD等多种编程语言，还可以进行外围IO扩展，具备较高的性价比。此外，还可以实现在线CAM曲线计算、固定CAM曲线与计算CAM曲线的切换等多种功能，对于灌装设备技术水平的提升有着重要的实际应用意义。
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