一、引言
目前食品飲料灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度非?？?，普通灌裝機(jī)的灌裝速度已達(dá)到500瓶/分鐘，靠簡單的人力包裝已無法完成如此大量的包裝工作，因此高速紙箱包裝機(jī)在食品包裝行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該包裝機(jī)作為獨立設(shè)備安裝于生產(chǎn)線上，提供專用輸送帶將生產(chǎn)線上灌裝好的產(chǎn)品傳輸?shù)桨b機(jī)上，包裝機(jī)自動完成分瓶、上紙、打包、噴膠等工作并通過輸送帶傳送到下一個工序。
二、西門子SIMOTION介紹
在運動控制領(lǐng)域，一般的電機(jī)驅(qū)動器提供了豐富的運動控制功能，但邏輯控制和復(fù)雜運算功能卻相當(dāng)弱，而一般的PLC提供了全面的邏輯控制功能，但又很難具備運動控制的全部功能。傳統(tǒng)的應(yīng)用方式是將PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)同步和精確控制等方面的問題。
西門子公司提出新一代的運動控制平臺SIMOTION。SIMOTION是為運動控制起主導(dǎo)作用的機(jī)器而設(shè)計的，本身集成了邏輯控制與運動控制，可以獨立完成以往PLC加電機(jī)調(diào)速器的所有功能，主要應(yīng)用于那些控制要求復(fù)雜，控制速度快，要求精確運動的領(lǐng)域中。
1．SIMOTION是一種簡單，靈活的控制系統(tǒng)，本身集成了運動控制、邏輯控制與工藝控制。具有如下的優(yōu)點：
邏輯控制和運動控制相結(jié)合，取消了影響響應(yīng)時間的獨立接口
節(jié)省了為這些中間接口進(jìn)行編程以及診斷的投入
整個機(jī)器的編程以及診斷不僅規(guī)范，而且象PLC一樣開放透明
2．SIMOTION系統(tǒng)具有三個組成部分：
工程開發(fā)系統(tǒng)
工程開發(fā)系統(tǒng)可以實現(xiàn)由一個開發(fā)環(huán)境解決所有的運動控制、邏輯及工藝控制問題，并且它還能夠提供所有必要的工具，從編程到參數(shù)設(shè)定，從測試到故障診斷。
實時軟件模塊
這些模塊提供了眾多的運動控制以及工藝控制功能。針對某一特定的機(jī)器所需要的功能，靈活地選擇相關(guān)地模塊。
硬件平臺SIMOTION D
SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制模板上，使之成為一個緊湊的擁有控制器及驅(qū)動器的系統(tǒng)。將運動控制與驅(qū)動器集成在一起，使系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)速度。SIMOTION D具有若干種規(guī)格，均是取決于其性能的要求。
三、系統(tǒng)要求
鑒于灌裝食品行業(yè)設(shè)備自動化程度高，產(chǎn)品產(chǎn)量大的特點，對高速紙包機(jī)提出了如下的控制要求：
1．運行速度快
由于食品灌裝生產(chǎn)線的灌裝速度高，要求包裝機(jī)的速度也必須達(dá)到與之配套的水平。目前成熟的紙箱包裝機(jī)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量60箱/分鐘，最大產(chǎn)量80箱/分鐘。
2．可靠性高
鑒于生產(chǎn)線的連續(xù)高速生產(chǎn)的特殊情況，生產(chǎn)線上任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會直接導(dǎo)致全線的故障停機(jī)，從而給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故要求設(shè)備可靠性非常高。要求配套的紙箱包裝機(jī)在出廠前必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試，以每批次連續(xù)生產(chǎn)2000箱，連續(xù)生產(chǎn)10個批次不出現(xiàn)任何故障為出廠驗收合格標(biāo)準(zhǔn)。
3．分瓶控制精確
如上圖所示生產(chǎn)線上過來的產(chǎn)品是連續(xù)排列的，必須通過一個專用設(shè)備將連續(xù)排列的產(chǎn)品分成一個紙箱可以容納的不連續(xù)的產(chǎn)品單元，如下圖將啤酒易拉罐分成每24瓶一個單元的小單元塊給后面的包裝做預(yù)處理工作。
每兩個易拉罐之間的位置大約只有20mm，分瓶器必須準(zhǔn)確無誤的插入到這個位置中，靠前或靠后都會將易拉罐頂翻而影響后面的包裝。而且前后分瓶器由兩個不同的電機(jī)帶動，必須嚴(yán)格進(jìn)行位置與速度的同步，否則相互之間將出現(xiàn)干涉，影響分瓶質(zhì)量。
4．噴膠控制精確
包裝好的紙箱必須在成型壓制之前上膠，上膠分為三個部位：上噴膠，左側(cè)噴膠，右側(cè)噴膠。每個部位的噴膠必須依照機(jī)器主電機(jī)的運行速度當(dāng)主電機(jī)旋轉(zhuǎn)到某一角度開始噴膠，到達(dá)另一角度后停止噴膠。否則將出現(xiàn)噴膠不到位或噴膠過度的情況影響產(chǎn)品質(zhì)量。
5．產(chǎn)品成品率高
由于高速紙包機(jī)產(chǎn)量巨大，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障將導(dǎo)致產(chǎn)品的大量浪費，而且包裝用的紙箱又屬于一次性產(chǎn)品，不能回收利用，因此對產(chǎn)品的成品率要非常的高，要求包裝出的紙箱為一個嚴(yán)格的長方體，不能出現(xiàn)歪斜、包裝不全、漏噴膠或膠噴位置不對等情況。
6．自動化程度高
包裝機(jī)在工作時，從進(jìn)瓶開始到紙箱包裝結(jié)束，所有工作全部自動完成，完全不需要人工干預(yù)。
四、運動控制系統(tǒng)配置
1．為保證整機(jī)的運行速度采用如下的配置：
伺服電機(jī)
高速紙包機(jī)上采用西門子1FK7高精度同步伺服電機(jī)，主驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計成主驅(qū)動軸轉(zhuǎn)一圈生產(chǎn)一箱產(chǎn)品，所以該設(shè)計結(jié)構(gòu)的最大產(chǎn)量為80箱/分，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量為60箱/分,達(dá)到了主流高速紙包機(jī)的生產(chǎn)速度。
高速信號的處理
在機(jī)器運轉(zhuǎn)的過程中，對關(guān)鍵信號的響應(yīng)時間為1MS。
具體算法：
對于上述信號直接接入到SIMOTION D435中，SIMOTION D435輸入信號的響應(yīng)時間為0.1ms，完全滿足上述要求。
2．SIMOTION采用一體化的連接電纜和集成化的安裝方式，保證系統(tǒng)的高可靠性
SIMOTION的電機(jī)電纜和編碼器電纜全部采用高IP等級的專用連接頭，用戶在使用過程中直接將電纜接頭插到相應(yīng)的接頭上擰緊相應(yīng)的螺絲即可。
SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D435和驅(qū)動器SINAMACS之間采用DRIVE-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達(dá)到100M，響應(yīng)速度快，集成化好，對于用戶來說簡單方便，故障率低。
功率單元與電機(jī)驅(qū)動器之間的連接采用內(nèi)置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡單方便故障率低。
3．系統(tǒng)配置
整機(jī)采用四臺1FK7伺服電機(jī)，分別為兩臺分瓶電機(jī)，一臺主電機(jī)，一臺出口電機(jī)。主電機(jī)和出口電機(jī)功率為3.3KW，分瓶電機(jī)功率為0.82KW。
采用TP270作為系統(tǒng)的人機(jī)操作界面。
采用SIMOTION D435作為主控制器。
采用SIMOTION S120作為電機(jī)驅(qū)動單元。
1－SIMOTION D435運動控制器 2－S120 電源模塊
3－雙軸電機(jī)模塊9A 4－雙軸電機(jī)模塊5A
5－主軸電機(jī)，1FK7系列 6－分瓶電機(jī)，1FK7系列
7－分瓶電機(jī)，1FK7系列 8－送瓶電機(jī)，1FK7系列
9－遠(yuǎn)程IO，ET200M 10－變頻器，MM440，帶profibus接口
11－TPP270操作界面 12－Profibus現(xiàn)場總線，速率可達(dá)到12M
13－伺服電機(jī)電源電纜 14－伺服電機(jī)DRIVE-CLIQ編碼器反饋
五、控制原理
對于紙箱包裝機(jī)從易拉罐進(jìn)入到進(jìn)瓶器內(nèi)到包裝好的成品紙箱出來，所有的動作全部由機(jī)器自動完成，完全不需要人工干預(yù)，自動化程度非常高。在整個控制過程中難點主要存在于分瓶控制、噴膠控制、上紙控制三各方面，SIMOTION對于這三各方面的控制提供了專用的功能，使得原先非常復(fù)雜的控制變得簡單方便。
1．分瓶控制：
分瓶控制是紙箱包裝機(jī)控制過程中難度最大的部分。
分瓶控制的要求如圖5所示，分瓶電機(jī)M1控制分瓶器A和C，分瓶電機(jī)M2控制分瓶器B和D，在同一個鏈條軸上同方向運動，分瓶器A、C；B、D之間的距離恒定不能改變，且分瓶器A在運動過程中不能夠超越D的位置，分瓶器D在運動過程中不能超越C的位置，否則機(jī)械上將卡死出現(xiàn)故障。要求分瓶器A到達(dá)圖示位置時分瓶器B也正好到達(dá)圖示位置這樣剛好將四瓶產(chǎn)品與后面的產(chǎn)品分開達(dá)到分瓶的目的。同理分瓶器B和C也在A和B的位置上分出四瓶同樣的產(chǎn)品。按照上述流程一直循環(huán)為下面的分裝做好準(zhǔn)備。具體A和B之間的距離確定了每箱可以容納的產(chǎn)品的數(shù)量，要求可以通過操作畫面設(shè)定每箱可以容納的產(chǎn)品數(shù)量，系統(tǒng)自動計算出A和B之間的距離保證機(jī)器正常工作。
針對上述控制要求，采用SIMOTION提供的標(biāo)準(zhǔn)多軸CAM曲線同步功能對兩個分瓶電機(jī)進(jìn)行精確位置同步控制具體的控制方式如下：
定主軸電機(jī)的位置作為CAM曲線的X軸，兩個分瓶電機(jī)的運行位置做Y軸分別做兩條CAM曲線。
由于每個分瓶器旋轉(zhuǎn)一周剛好可以分出四箱產(chǎn)品，而主軸旋轉(zhuǎn)一周可以完成一箱產(chǎn)品的分裝，為了簡化系統(tǒng)模型，將整個生產(chǎn)過程分割為相同的若干生產(chǎn)單元，整個生產(chǎn)過程實際上時不斷的重復(fù)這個同樣的生產(chǎn)單元，在每個生產(chǎn)單元里主軸一旦啟動必須完成該單元才可以停止。
在每個生產(chǎn)單元里分瓶電機(jī)與主軸電機(jī)進(jìn)行CAM曲線位置同步對于每根分瓶電機(jī)軸來說主電機(jī)旋轉(zhuǎn)四周1440度分瓶電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周360度。
具體的控制曲線如圖6，圖7
圖6 M1電機(jī)CAM曲線（單位度）
圖7 M2電機(jī)CAM曲線（單位度）上述曲線制定完畢后，規(guī)定在圖6的位置為整個曲線運動過程中三個電機(jī)的零點，分瓶電機(jī)M1，M2將以此位置作為零點按各自的運行曲線和主軸做嚴(yán)格的位置同步，保證分瓶連續(xù)精確的運行。
2．停機(jī)修正：
分瓶過程中會出現(xiàn)一個問題：當(dāng)分瓶電機(jī)一旦投入運行，系統(tǒng)必須完成一個生產(chǎn)單元（生產(chǎn)四箱產(chǎn)品）分瓶電機(jī)回到曲線的0點坐標(biāo)后才可以將分瓶電機(jī)與主電機(jī)取消同步控制，否則在下一個生產(chǎn)單元分瓶電機(jī)將出現(xiàn)位置錯亂無法同步的情況，將導(dǎo)致產(chǎn)品浪費。因此需要對分瓶控制做如下的修正：
如圖6、7所示由于分瓶器<
