伺服运动在高速自动纸箱包装机上的应用

摘要：本文通过对自动瓶装包装线中的纸箱包装机生产过程进行分析和研究，并将西门子伺服运动控制系统运用到此设备中，并对此种控制系统的优势进行了说明。

0引言

热收缩膜的包装形式具有安全性、可靠性、便于运输和销售等特点，先已被国内的饮料行业广泛使用。但在啤酒的生产过程中所使用的玻璃瓶碰撞后瓶身及易损，由于使用热收缩膜的包装形式的局限性也不能完全的解决啤酒行业及其他相关玻璃瓶包装行业的生产需求。因此，采用纸箱包装是饮料、啤酒的高档次、高规格的包装，也很容易解决长途运输带来的问题，有效的弥补了热收缩膜包装形式的缺陷，两者相辅相成，是现代饮料、啤酒包装行业不可或缺的两种包装形式。以前我国的纸箱包装机一直处在35箱／min的包装能力水平，仅仅只能满足2万瓶／h的饮料、啤酒包装生产线需求。本文对现有的装箱机技术，进行改进升级，吸取国内外的装箱机特点，运用伺服运动控制系统成功的开发了具有60箱／min生产能力的全自动纸箱包装机，有效的解决了饮料、啤酒行业的产量需要。

1 西门子SIMOTION介绍

在运动控制领域，一般的电机驱动器提供了丰富的运动控制功能，但逻辑控制和复杂运算功能却相当弱，而一般的PLC提供了全面的逻辑控制功能，但又很难具备运动控制的全部功能。传统的应用方式是将PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速数据传输、数据同步和精确控制等方面的问题。

西门子公司提出新一代的运动控制平台SIMOTION。SIMOTION是为运动控制起主导作用的机器而设计的，本身集成了逻辑控制与运动控制，可以独立完成以往PLC加电机调速器的所有功能，主要应用于那些控制要求复杂，控制速度快，要求精确运动的领域中。

一、SIMOTION是一种简单，灵活的控制系统，本身集成了运动控制、逻辑控制与工艺控制。具有如下的优点：

1、逻辑控制和运动控制相结合，取消了影响响应时间的独立接口

2、节省了为这些中间接口进行编程以及诊断的投入

3、整个机器的编程以及诊断不仅规范，而且象PLC一样开放透明

二、SIMOTION系统具有三个组成部分：

1 工程开发系统

工程开发系统可以实现由一个开发环境解决所有的运动控制、逻辑及工艺控制问题，并且它还能够提供所有必要的工具，从编程到参数设定，从测试到故障诊断。

2 实时软件模块

这些模块提供了众多的运动控制以及工艺控制功能。针对某一特定的机器所需要的功能，灵活地选择相关地模块。

3 硬件平台SIMOTIOND

SIMOTIOND的功能集成在新的SINAMICSS120多轴驱动系统的控制模板上，使之成为一个紧凑的拥有控制器及驱动器的系统。将运动控制与驱动器集成在一起，使系统具有极快的响应速度。SIMOTIOND具有若干种规格，均是取决于其性能的要求。

2 纸包装机的技术结构和工作原理

2.1控制系统的组成

科时敏的R60纸箱包装机采用的是B&R(贝加莱)控制系统，主控PLC采用CP476通过CAN形式的现场总线与所有驱动伺服进行通讯，上位机面板采用的是PP451，也是通过CAN总线的方式连接，并采用EX470扩展远程IO。

图1纸箱包装机B&R控制系统图

上位界面PP451的以太网地址号为01；3IF771.9通讯卡的CAN现在总线地址号为09；推瓶伺服驱动器的CAN现场总线地址号为01；分瓶1伺服驱动器的CAN现场总线地址号为02；分瓶2伺服驱动器的CAN现场总线地址号为03；出口伺服驱动器的CAN现场总线地址号为04；吸纸板服驱动器的CAN现场总线地址号为05；EX470总线控制器CAN现场总线地址号为C6；

各设备所对应CAN现场总线号必须绝对正确，否则系统不能正常运行。正常情况下，系统在上电后，IF771的CAN通讯指示灯会快速闪烁，各伺服驱动器的AC110通讯卡上的两个通讯指示灯保持常亮，否则通讯不正常。

2.2 自动纸箱包装机的组成及工作原理

全自动高速纸箱包装机主要由纸板供给、瓶输送、取纸箱板、分瓶、纸箱板传送、推瓶、纸箱折叠成型、喷胶、封箱粘合等组成。纸箱板供给由纸箱板储存库、纸箱板等待工位、纸箱板水平输送、纸箱板供给主托叉、纸箱板供给副托叉、检测开关等组成。主要完成对包装机的纸箱板供应，适应于高速包装机纸箱板供应不能间断的需求，使得纸箱板供应更加畅顺。瓶输送分两部分，一部分是由变频调速控制电机运行速度，将包装线上的瓶按照要求有规律的进行输送，缺瓶检测保证瓶的连续供给，提供给包装机；一部分是由主驱动通过机械传送．按照主机运行节奏进行输瓶。取纸板是由伺服电机驱动，以从动的方式与主驱动同步运行，带有两组吸盘，两组吸盘交替取纸板，达到了高速取纸板的功效，可以实现60箱／min的纸板供给。分瓶由1号分瓶伺服电机和2号分瓶伺服电机及主驱动电机完成控制，将瓶子有规律的分成3×4一组。纸板传送是将取到的纸板通过若干个工位传送到上瓶处，动力由主驱动提供，缺纸板和双层纸板的检测用以保证纸板的正常供给。推瓶机构的作用是分瓶后的整理，通过推瓶杆进行推瓶，瓶通过无动力过度板时，将瓶排列紧密，提高包装质量。纸箱折叠成型、喷胶、封箱粘合完成啤酒、饮料的包装，根据纸箱的结构，确定喷胶的位置，封箱粘合的适度调整，确保封箱的质量。图2所示为纸包机的工作流程图。

图2 R60自动纸箱包装机生产流程图

3 控制系统设计

3.1 主控制器

主控制器主要进行模拟量控制、传感器控制、光源控制、传动控制、定位控制、气动控制、工艺参数、工艺过程、运行故障、产品质量和安全防护等部分的控制。采用PLC可编程逻辑控制器和相关的辅助系统来完成系统的实时性和准确性控制。

3.2 多电机同步技术与伺服技术

包装物品是通过主传动系统进行传送，各种包装的辅助材料是通过供送系统进行传送，它们之间的相互动作需协调配合，控制上也应保持一致。多电机伺服控制系统采用PLC进行控制，机器设备各工位间的检测通过外围的各工位接近开关完成，从而实现无触点信号的输入和控制系统的电、光、机和气的协调动作。通过适度的调整分瓶器和封箱、喷胶、整型气缸的位置，可以进行不同规格纸箱的包装。

3.3 操作系统设计

通过变频技术和人机界面的应用，使包装设备可在手动、自动和调试模式等不同的工作方式下，控制设备以不同速度进行运行。变频器通过RS-485接口进行通信，可在人机界面上显示和设定相关参数。

4 控制系统方案

高速纸箱包装机的控制系统主要由运动控制器EX470、PP451人机界面、检测元件、执行元件、伺服驱动器、伺服电机等组成。运动控制器EX470通过CANbus总线控制伺服驱动器，对伺服电机实施控制。通过CAN总线对运行参数进行设置和控制。

机器运行位置的检测和包装周期设定在伺服控制中。伺服电机装有旋转编码器，根据旋转编码器的反馈信号，伺服控制器对伺服电机进行闭环控制。旋转编码器选择是增量型编码器，它产生频率与电机转速成正比的电脉冲信号，伺服控制器对脉冲计数，依此对伺服电机进行控制。通过编码器的专用接口。将数据传送到EX470，其数据数值表明机器的运行位置。在包装过程中，推瓶杆推出一组瓶完成一个包装，在推瓶杆经过处安装一个检测开关，利用它对EX470记录的编码器数据进行复位。此数据的周期性变化，EX470中的数据表明包装周期内的位置数据。在每一个包装周期内，取纸板、放纸板、分瓶等动作数据与EX470中的数据有一一对应的关系，根据一一对应的数据对机器的每一个动作进行控制。

4.1 分瓶电机控制系统

分瓶电机驱动是分瓶电机分别驱动两组挡瓶的爪手。在包装机上，包装段上的瓶传输是通过主驱动电机来实现的。分瓶是将规律排列紧密的瓶分隔成3×4组或其它规格的组合瓶组。两个分瓶电机的传送链上，分别装有等距离的两组挡瓶爪，两个电机快慢交替运行。将排列整齐的瓶分成3×4瓶组。通过主驱电机传送到下一个工位。

分瓶电机的控制。两分瓶电机有规律的交替快慢运行。特点是以主驱动电机脉冲数作为同步信号(X方向)，分瓶电机自身的脉冲数(Y方向)，按照设定的运动曲线进行运行，即只有在主电机运行的情况下，分瓶电机作为从电机按照特定的曲线同步运行。

分瓶电机同步位参数的设定决定了分瓶电机按照一定的规律运行，运行的起始位和停止位就要有一个参考位，此设定可在人机界面PP451上设定。相对于某一个参考点的位置，产品不同，包装形式不同，其参考位不同，电机切换点不同。

4.2 纸箱板供给系统

纸箱板供给系统主要由纸箱板水平供给和纸箱板垂直供给两部分组成。

纸箱板水平供给。水平纸箱板供给由水平供给电机驱动，通过检测供箱板输送链的状态，控制电机。将箱板从初始堆放处，输送到箱板等待工位。当副托叉托住纸箱板，主托叉下降到初始位，控制电机将等待工位的纸箱板输送到垂直工位，完成一个水平供纸箱板的过程。

纸箱板垂直供给。垂直纸箱板供给由垂直供给电机驱动，一台电机驱动主托叉，另一台电机驱动副托叉。垂直纸箱板供给主要由电机驱动主托叉供给纸箱板．当纸箱板供应减少到一定的数量时，由副托叉托住剩余纸箱板，主托叉下降等待纸箱板，当纸箱板托起到位后。抽出副托叉由主托叉正常供给，完成一组纸箱板的补充。如此可保持纸箱板的供给不间断，达到高速度包装的纸箱板供给。

4.3取纸箱板系统的组成和控制

取纸箱板系统的组成。取纸箱板系统由驱动轴、同步齿型带、被动轴组成。同步齿型带安装两组吸盘，伺服电机与主驱动电机同步往返运行，以达到高速取纸箱板的效果。

取纸箱板系统的控制核心是对伺服电机的控制。伺服电机驱动同步齿型带，同步齿型带上安装两组吸盘，进行取纸板。伺服电机正转运行，第l组吸盘到达放纸板位置时，释放纸箱板，同时第2组吸盘动作，当到达吸纸箱板位置时吸纸箱板，取纸箱板完成了一个取纸箱板周期。伺服电机反转，第2组吸盘到达放纸板位置时，释放纸箱板，同时第1组吸盘到达吸纸箱板位置吸纸箱板，取纸箱板完成了下一个取纸箱板周期。

5 结语

伺服控制系统的应用使控制更加精准；系统更加完善、灵活、稳定可靠。使用伺服电机不仅减少了机械冲击对设备的损害，而且大大降低了使用传统控制方式的设备故障率。

此项目已在科时敏包装设备有限公司生产的纸包装机广泛应用，生产的纸箱包装机出口欧美及东南亚等地区和国家。