伺服在液体灌装生产线上应用

摘要：本文基于台达智能型伺服系统的高精度灌装控制方案。对于药品液体灌装生产线的高精度同步灌装工艺，台达A2伺服独有的电子凸轮功能配合全新PR运动控制模式，实现了液体灌装速度和送瓶速度实时保持高精度同步。

 

1 引言

机电一体化技术是随着科学技术不断发展，生产工艺不断提出新要求而迅速发展的。在控制方法上主要是从手动到自动；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上，是由笨重到轻巧。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新途径。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件伺服电机)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。

目前，随着制药企业“GMP”新标准认证制度的实施，为制药企业对制药装备提出了更高的目标和要求。同样为制药装备厂家提供了前所未有的发展机遇和市场空间，但是传统的制药机械机械结构已经和控制方案已经不能满足现有的制药行业发展的需求，新一代的制药机械将可以提供更高精度的，更高自动化程度的控制工艺，来不断迎接市场的挑战！

本文以药品水针剂生产灌装生产线高精度同步灌装工艺为案例，详述了如何利用台达A2伺服独有的电子凸轮功能配合全新pr运动控制模式，仅以外置编码器作为命令来源，即可实现液体灌装速度和送瓶速度实时保持高精度同步。同时利用伺服By-pass功能，无需昂贵的运动控制器的参与，即可实现高性价比的一主多从多轴伺服同步控制控制方案。

 

2 机械设计和工艺要求

2.1 机械结构设计

灌装同步生产线，主要分为送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分构成，如图1所示。

 

 

图1 灌装同步生产线

 

早期药机同步灌装，送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分动力来源均为送瓶拖链电机输出。多是以机械凸轮通过多级机械传动，带动两个实体凸轮机构来实现同步。实体的凸轮加工需要高精密的CNC加工中心才能生产，生产成本较高，而且调试和安装起来非常麻烦，并且随着使用时间增加，机械的磨损会影响到同步灌装的精度，后期维护费用很高，产品换型困难。

 

台达A2系列伺服电子凸轮功能就是针对上述问题而开发的智能型伺服系统。伺服灌装同步生产线，仍然分为送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分构成，只是在机械结构上，摒弃了传统的机械凸轮连接，取而代之的是两颗高精度伺服系统，通过精密丝杆分别控制水平跟踪轴（X轴）和垂直跟踪轴（Y轴）的位移。其伺服系统的命令来源均为安装在送

瓶拖链上的高解析度编码器提供。控制架构如图2所示。

 

2.2 工艺要求

2.2.1精度要求

1.灌装喷嘴直径为2mm，药瓶口直径为6.5mm，无论何种速度。喷嘴和瓶口不能接触。

2.伺服在同一灌装速度下，定位精度在0.5mm内。

3.不论主动轴变频器速度在0~50HZ内任意变换，伺服的加减速都可以保证完全同步，偏移量不得大于1mm。

4.伺服可以在变频器10HZ低速运行时，也能保证好的同步效果。

2.2.2同步灌装动作要求

1.X轴水平轴跟踪伺服，驱动灌装喷嘴前后运动。灌装过程分为同步区间和高速返回区间。其中同步区间速度和送料拖链速度保持一致。在同步区域内，Y轴才可以插针到瓶内。同步区结束后X轴高速返回到原点，等待插入下一组药瓶。

2.Y轴垂直轴提升伺服，驱动灌装喷嘴上下运动，灌装过程分为快速插入和慢速返回区间。快速插入时的距离为40mm。并要求在瓶底停留一段时间。然后慢速提升，提升速度和灌装系统流量相关，任何情况下不允许针管接触到灌装液面。

3.在灌装过程时，不论在快速插入瓶口和返回区间Y轴始终和主动轴的编码器命令同步对应，同样伺服马达的速度和药瓶的输送速度保持一致，即为同步灌装要点。

3台达高精度灌装控制方案

台达系列高解析智能伺服是台达电子凭借多年的伺服研发经验于2009年推出的新一代的伺服系统，其设计引入了欧系高端伺服智能化的理念和控制架构。大幅提升了产品的性能和应用价值，产品主要特点如下：

1.20bit高解析编码器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。

2.内含64组PR运动路径编辑功能，电子凸轮功能。无需高阶控制系统，就可实现复杂的运动控制和凸轮同步功能，

3.内含伺服By-pass功能，可以实现命令信号逐级传递不衰减，轻松构造一主多从的控制架构。

4、高响应和共振抑制可以满足各类机械环境。

 

3.1 方案的制定和实施

3.3.1动作分析与PR路径规划

同步灌装动作流程如图3所示

 

以X水平跟踪伺服为例说明，动作要求如下和PR路径规划如下：

A.X轴回归机械原点

PR#00回机械原点。开机X轴回归到机械原点。。

PR#01回到原点,确保伺服因紧急情况脱离后，再次执行时处于X轴原点。

A.开启CAPTURE资料抓取功能。

CAPTURE的概念是利用外部的触发信号DI7，达到瞬间抓取运动轴的位置资料，并存放到资料阵列中，作为后续运动控制使用。当伺服使用CAPTURE资料抓取功能时，伺服系统将强制关闭原有DI功能规划，将DI7强制为CAPTURE。故在CAP功能开启后，DI7只能使用在CAPTURE，因为这个信号经过硬体特殊处理为高速处理I/O,响应时间为3μ秒。

PR#02 写参数 P5- 39=0 关闭 CAPTURE 功能，防止误动作。

PR#03 写参数 5- 38=1 ，只啮合一次，保证在同步区间不会出现干扰信号。

PR#4 写参数 5- 39=0XF021，启动 CAP 资料抓取功能 。

 

4 电子凸轮曲线规划

4.1 水平跟踪X轴凸轮曲线规划

对于水平跟踪X轴而言，主要保证速度上和主动轴编码器速度追随，追求的是速度保持主动轴一致。建造凸轮表格和曲线方法如下：

步骤1,选择软体功能E-CAM电子凸轮功能

步骤2,建表方法：选择速度区域建表，如表1所示。

 

步骤3，根据实际情况设定实体机械尺寸

送瓶主动轴同步距离为240mm，编码器产生1600pulse，因此主轴脉冲数=66.6666666666Pulse/mm，水平跟踪X轴，伺服编码器设定10万脉冲当量，丝杆螺距为10mm，所以从动轴脉冲数设定为1000PUU/mm，此为模拟信息，当在建造凸轮曲线时，系统会参考到这些资料，所以这些信息务必要准确，即主动轴与从动轴移动1mm时所需的脉波数及PUU，如图4所示。

4.2 垂直跟踪Y轴凸轮曲线规划

对于垂直跟踪Y轴而言，是比较有意思的，因为Y轴工艺要求Y轴最终要保证针头插入瓶口的有效距离为40mm，追求的位置控制建表方法如下：

步骤1，选择软体功能E-CAM电子凸轮功能。

步骤2，选择手动建表功能。

步骤3，将曲线规划为20等分，凸轮360°对应Y轴21笔位置资料，做出凸轮位移曲线，如图5所示。

 

 

对于上述凸轮曲线，可以看到喷嘴的下行和返回行程都规划在曲线内，其Y轴的提升速度可以随着主动轴的速度同步变化。此外，对于Y轴提升伺服加减速的处理，在不影响最终位置的前提下，可以适当修改表格中加速和减速区域的数值，使速度曲线平滑。

 

5 结束语

本文只是A2高解析智能伺服电子凸轮功能的一个典型应用。目前A2系列伺服除电子凸轮功能外，其他系列机型还包含有CAN-OPEN总线机型，全闭环机型，以及扩展I/O机型，可以满足不同应用场合和控制需求，相信随着市场的不断深入，我们可以为客户实现更稳定、高性价比的伺服运动控制控制方案。