摘要：本文主要介绍了Lenze伺服系统在吹灌旋一体机中的应用，通过介绍吹灌旋一体机的部分生产工艺，阐述了Lenze伺服系统在灌装设备中的解决方案，突出了Lenze伺服系统在灌装设备中的应用优势，提出了分离式伺服系统方案。
关键字：吹灌旋一体机 伺服系统 相位同步 EtherCAT
1、前言
随着饮料消费市场的日益扩大，其对PET材料的需求也必然水涨船高。面对日益严重的环境问题，如何节能也是灌装饮料设备的首要问题，传统的灌装设备，由于吹瓶机与灌装机之间通过拨轮输送空瓶，这种方式容易造成瓶子之间的挤压而变形，因此，目前吹灌旋一体机可直接进行瓶子的成形、灌装和旋盖工作，这样可以避免瓶子之间的挤压，这样采用轻量化瓶子即可满足工艺要求，每个瓶子可以节省大约4克。如果按此计算一台36000瓶/小时吹灌旋一体机，每天工作10个小时，那么每年可节省PET材料大约526吨。因此发展吹灌旋一体机将是国际市场上的主要趋势，目前对于大多数吹灌旋一体机，吹瓶机部分主要采用变频器进行驱动，灌装和旋盖机采用伺服进行驱动并跟随吹瓶机编码器进行同步运行。Lenze除了此机型的成熟解决方案，同时目前也开发出了全套伺服解决方案，既吹瓶机、灌装机、旋盖机和加热系统全部采用伺服进行驱动。对吹瓶机快速制动，相位同步及整机的逻辑控制积累了大量的经验。其设备示意图如图：图1 吹灌旋一体机。
图1 吹灌旋一体机
2、吹灌旋一体机的构成
吹灌旋一体机主要由吹瓶机、灌装机、旋盖机和加热系统组成。吹瓶机主要负责将加热好的瓶坯，通过拉伸机构的作用，使瓶坯拉伸，然后向瓶中吹气，最后瓶子在压力和温度的条件下最终形成合格的瓶子，由机械手取出，其工艺流程为：瓶坯→加热→机械手→转盘模具→拉伸预吹→吹瓶→排气→成品瓶→过渡拨轮→灌装→旋盖→产品。灌装机：灌装机是将原料注入瓶子的一种设备，灌装机根据设备产量的不同，其灌装头数也不相同，其原理是将吹制的瓶子由过渡拨轮传送至灌装机。瓶子由提升气缸上的瓶夹，卡住瓶口并在凸轮作用下实现上升与下降。灌装机采用重力灌装方式，瓶口上升顶开灌装阀，开始灌装，当原料上升到堵住回气孔位置时灌装结束。旋盖机：旋盖机是将瓶盖旋紧在瓶子上，将瓶子密封的一种设备。瓶子由过渡拨轮进入旋盖机。旋盖机上的止旋刀卡住瓶颈部位，保持瓶子直立并防止旋转。旋盖头在旋盖机上保持公转并自转，在凸轮作用下实现抓盖、套盖、旋盖、脱盖等动作，完成整个封盖过程。加热系统：加热系统是吹瓶质量好坏的关键因素，其整个过程采用多段红外加热灯管进行加热，温度采用控制器进行PID调节。瓶坯在公转链条的带动下，并自转通过加热灯管，使瓶坯获得最佳温度并传送到吹瓶机系统。详见图2 吹灌旋一体机示意图。
图2 吹灌旋一体机示意图
3、Lenze解决方案
Lenze在吹灌旋一体机上主要有三种应用方案，第一种为单轴伺服驱动方案，此方案主要针对于吹瓶机采用变频器驱动，灌装机和旋盖机两个一起由一个伺服电机驱运，伺服跟随吹瓶机单圈绝对值编码器同步运行。第二种为双轴伺服驱动方案，此方案和第一种相同，只是将灌装机和旋盖机分别各用一台伺服电机驱动。第三种为全伺服解决方案，本文将以此案例进行分析，前两种方案采用Lenze基于驱动器的系统解决方案，后者则采用Lenze基于控制器的系统解决方案。此方案为集中式控制方案，所有的运动控制程序均由运动控制器完成，并通过EtherCAT总线控制各伺服轴模块。
3.1 Lenze主要产品
(1)面板控制器 p500：该系列产品为Lenze推出的一款基于PC技术的工控机产品，其软件采用Windows CE 6.0 操作系统，内置Codesys 控制软件和VisiWinNET Compact CE 界面监控软件。其控制器功能集成逻辑控制和运动控制两种功能，编程方式符合IEC 61131-3 (IL、LD、FDB、ST、SFC and CFC Editor)和PLCopen Part 1 + 2编程环境，同时支持CNC 的Graphic DIN 66025 Editor (G-Code) 的编程，支持Cam 曲线的编程及设计。在硬件方面，该控制器标配有两路以太网口，两个USB接口，1个EtherCAT接口，同时支持一路扩展通信接口，可安装Can和Profibus-DP 通讯。
(2)伺服驱动器i700 ：i700是Lenze推出的为控制器配套的一款简易式伺服产品，该产品采用Lenze最高端伺服的硬件配置。该伺服驱动器无PLC及运动编程能力，其所有的程序、版本信息和电机参数需均由运动控制器完成。
(3)GKS 系列异步伺服减速电机：该产品由Lenze 的MCA减速电机结合G系列减速机组成，具有精度高，耐冲击，寿命长等优点。此系列采用直交轴输出方式，支持实心轴和空心轴两种安装方式。异步伺服和同步伺服可应用于不同的应用场合。由于灌装设备具有惯量大和连续运行的工作方式，异步伺服的高惯量匹配度的功能非常适合该设备的运行。在相同功率下，异步伺服在相位同步精度方面也是最为出色的。此系列伺服在无论低速或高速运行条件下均能满足设备的控制精度要求(大约2mm)，还可有效避免低速运行下的抖动问题。
3.2 Lenze解决方案
系统软件上采用共虚轴工作模式，各实轴同步于虚轴，实现了各轴之间的相位同步、自动回归同步位、寻零和起停等功能。硬件上位机采用LenzeP500产品通过EtherCAT总线与Lenze伺服控制器I700和IO系统相连，用于运动控制和逻辑控制功能。伺服供电采用集中方式，既各伺服模块之间通过直流母线相连进行供电，从而简化了接线工作，同时也能实现各轴之间的能源共享，从而达到节能的目的。电机采用LenzeGKS异步伺服减速电机组成。具体参见图3吹灌旋系统拓扑图。
图3 吹灌旋系统拓扑图
3.3 实现的主要功能
Lenze结合客户工艺要求和产品特点主要实现的功能有：
(1)虚轴控制：采用虚轴作为主轴，可使各实轴完全同步于虚轴，有效避免级联系统引起的累积误差;
(2)断电同步停车：断电同步停车功能可用于生产线意外断电。各不同惯量的实轴可以同步停车。其主要原理是将机械的惯性动能转化为伺服的电能，再给电机制动。此功能必须要求伺服的控制回路一直有24V控制电源和伺服之间的直流电源并联。
(3)自动回归同步：设备要求在运行过程中各从轴之间一定要相位同步运行，避免各瓶夹之间错位运行，从而损害瓶夹。因此在设备运行前，伺服会自动检测各伺服之间的位置。如不在同步位，启动时伺服会按最短瓶夹距回归同步位，然后再同步运行。当然通过观察监控系统的同步状态指示灯，如不在同步位，也可一键回归回步位。
(4)零点设定：设备的零点设定采用手动设定零点方式。由于未安装零点开关，设备设定零点需由操作工通过人眼观察逐个设定零点。伺服本身具备零点自动保存功能，因此在完成零点设定后，只要在不人为拆卸伺服电机或者在伺服断电的情况下，手动盘车伺服均可自动记忆零点。
(5)实时误差检测：同步精度是设备正常运行的一个重要指标。每台伺服程序均设有实时的误差监控程序，伺服可通过伺服编码器的位置和伺服控制器中虚轴的位置进行比较。比较指令每毫秒进行一次，这样设备运行中如发现每毫秒出差位置误差，设备即可立刻进入停车程序。
3.4 Lenze亮点
经过多年在灌装行业的投入及技术经验的积累，Lenze如今已具备了众多的成熟技术亮点。其主要技术亮点如下：
(1)引入伺服技术，采用电子轴同步方式取代传统的机械轴同步方式。引入伺服技术实现了设备各单元单独运行，方便了设备的调试、故障处理、机器清洁、日常维护等操作，突破了机械轴同步方式速度的制约，使得设备安装更加紧凑和灵活。
(2)断电同步停车功能及相位保持。伺服具有机械能量回馈功能，配合智能伺服的控制和集中供电模块可能实现回馈能量的共享，在断电情况下实现同步停车。伺服本身具有位置保存的功能，配合制动器可以实现相位保持功能。
(3)零点保持及自动回归同步位。伺服具有零点保持功能，自动寻零后，如果没有机械上的改动可不必寻零，设备在一个瓶位内按最短距离,可自动回归到同步位，从而减小起动时间。同时系统在每周内自动采集零点信号，用于验证机械磨损和打滑误差，如果达到设定误差，则立刻停止运行，并在起动时设备可自动重新寻找零点，然后重新运行。
(4)采用共虚轴工作方式，避免累积误差产生。伺服采用32位操作系统，并采用余数补偿机制，避免计算误差的产生。
(5) Lenze一体化减速机，避免机械误差产生。Lenze采用一级小齿轮直接驱动减速箱齿轮，并且采用小齿轮过盈配合方式连接，因此具有高精度，低噪音等优良的性能。
4、展望
无菌冷灌装工艺因其可有效保护营养的完整性，确保饮料的原汁原味而备受青睐。目前无菌冷灌装生产线在国内仍处于起步阶段，面向未来巨大的消费市场发展潜力，无菌冷灌装生产线必将向高速、安全方向发展。
高速的生产线意味着在同等的生产级及工作车间投入条件下能够带来更大的生产能力。目前国内无菌生产线的生产速度平均为42000瓶/小时，已达到国际先进水平。传统的机械联轴式生产线由于其机械磨损及精度的原因，速度已不能满足工艺要求。因此，采用分离式伺服传动系统是目前可实现高速生产线的一个重要因素。随着日新月异的工艺要求，无菌冷灌装生产线未来将进一步向更加分离式及更多的伺服系统投入方向发展，从而进一步提升生产速度。
安全的生产线是人们喝到健康饮料的前提。由于没有高温杀菌的环节，这就要求无菌冷灌装生产线必须从机械设计角度实现无菌环境，如灌装净化室必须达到100级以上的空气净化要求，灌装阀门结构还必须简单，易于清洗，并确保阀内无夹缝等卫生死角。无菌冷灌装生产线必须着重于优化机械结构及生产工艺方法，向无菌、安全方向发展。
总之，在未来的饮料行业，无菌冷灌装生产线凭借其多种优势，必将引领灌装生产线的技术潮流，成为一种重要的饮料生产方式。
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