湯統國, 項目工程師, 倫茨（上海）傳動系統有限公司
摘要：文章簡要介紹了瓶灌裝機的發展現狀，提出瓶灌裝機應用固定電子凸輪曲線存在的問 題。針對此問題，本文以灌裝半固體物質的瓶灌裝機為例，使用性價比較高的Lenze 9400 伺服 PLC 驅動器，提出在線CAM曲線計算的解決方案。
1 前言
在現代社會中，瓶灌裝生產線廣泛應用于食品、醫藥、日化等行業，灌裝生產線水平的 高低直接關系著產品的質量和生產的效率。隨著經濟的發展和科學技術的突飛猛進，特別是 自動化、智能化技術的廣泛應用，瓶灌裝機行業受益匪淺。目前，瓶灌裝機市場需求龐大， 國內外生產廠商眾多，競爭極為激烈。面對競爭激烈的市場，如何降低成本，提高生產線技 術水平成為眾多企業的迫切需求。
為降低成本、提高技術水平，電子凸輪取代機械凸輪的使用成為一種趨勢。電子凸輪的 使用極大地降低了生產成本。一般來說，一種電子凸輪對應一種瓶灌裝產品，對于需要灌裝 多種規格瓶子的生產線，需要在伺服驅動器中預置對應數目的電子凸輪曲線，但對于計劃外 的瓶子灌裝則無能為力。Lenze 公司推出了 9400 伺服 PLC，采用在線電子凸輪曲線計算的 方式解決了這個問題，本文以灌裝半固體物質的瓶灌裝機為例，提出了電子凸輪CAM在線 計算的解決方案。
2設備主體結構
設備主體部分主要由運輸鏈、大盤、托盤和灌裝噴嘴等機械部件組成。運輸鏈：灌裝時， 將灌裝瓶送至灌裝處；灌裝完畢后，再將已完成灌裝的瓶子運走；大盤：大盤轉一圈完成一 個工位瓶子的灌裝，即一個瓶子灌裝完畢后，大盤轉一圈，將此瓶從灌裝位置移出，同時將 下一個瓶子移至灌裝噴嘴所處的灌裝位置，準備進行下一個瓶子的灌裝；托盤：托舉瓶子， 由伺服電機驅動控制，可以進行精確的CAM位置升降運動；灌裝噴嘴：形狀為一細長圓柱 噴嘴。每一工位瓶子進行灌裝時，通過設備控制噴嘴一定的液體流量。
灌裝的主要時序如下：設備灌裝時，首先通過運輸鏈將瓶子運送至灌裝處，自動裝至托 盤；灌裝噴嘴位置保持不動，由伺服電機控制托盤上升使瓶底接近噴嘴位置；灌裝時，液體在固定壓力下從噴嘴流出，灌裝噴嘴位置固定，伺服電機控制托盤瓶子根據CAM曲線位置 自動下降，使噴嘴與液面始終保持固定位置；灌裝完畢后，大盤轉動一圈，使灌裝完畢的瓶 子移向傳輸鏈，并由傳輸鏈送走，同時將下一個空瓶子移至噴嘴所在位置，進行下一個瓶子 的灌裝。
此外，也有其他灌裝設備采取托盤瓶子位置固定，通過控制噴嘴的上升、下降位置、速 度來控制瓶子灌裝。雖然機械結構有所不同，但原理大同小異，均使用伺服電機控制位置， 以保持灌裝時噴嘴和瓶內液面的位置不變。
3 主要難點
為提高產品的多樣性和競爭力，大部分客戶設計或選用不同形狀的瓶子用于產品包裝， 作為其提高市場吸引力，進而提高產品競爭力的一個重要舉措，但這也增大了瓶子灌裝的難 度。
由于灌裝所用材料大部分為液態或半固態的物質，且有不同的顏色，為保證整體產品的 質量，灌裝時，須保持噴嘴與瓶內液面的位置恒定。若灌裝時，噴嘴與瓶內液面位置快速脫 離或者接觸上，容易導致灌裝物質在瓶內噴濺或者瓶內產品的內部會有氣泡，這樣就會影響 產品外觀及質量。因此如何建立方程或者曲線，通過驅動器控制實現灌裝CAM曲線，保證 灌裝質量，是灌裝需要考慮的重要問題。
此外，一般來說，一種形狀的瓶子對應一種灌裝CAM曲線。在實際應用中，客戶經常 會使用不同形狀的瓶子，按常規考慮，則需要在驅動器中預存不同的CAM曲線，但這意味 著只能灌裝在驅動器中預存形狀的瓶子，一旦遇到其它形狀的瓶子，除非修改曲線，否則影 響灌裝質量。但在終端客戶那里，這會極為麻煩。因此如何建立一種方程，使之適應絕大多 數形狀的瓶子，也是一個主要的難點。
4解決方案
Lenze 9400 伺服 PLC 提供了解決問題的主要載體，9400 伺服 PLC 除具備伺服器的功 能外，還兼具 PLC的功能，可以進行自由編程。這樣，只要建立了合適的方程，就可以通過 9400 伺服 PLC以CAM方式實現，以解決灌裝中存在的問題。
4.1 Lenze產品
9400 伺服 PLC是 Lenze公司推出的一款伺服控制器，也是Lenze最高精度系列產品之 一，能為系統處理和過程控制提供革命性技術方法。主要特點如下：
1) 較高的運算速度及控制精度
控制器采用 32 位處理器，極大地提高了運算及控制精度。
2) 兼容 PLC 編程功能
9400 伺服 PLC 具備 PLC 編程功能，可靈活實現客戶不同的需求。同時，PLC 運行掃描 時間極為迅速，快達1ms。
3) 通訊兼容性
通過選擇不同的通訊模塊，9400伺服 PLC可以快捷地與第三方PLC 或者其他伺服驅動 器通訊，如 Profibus-DP、ProfiNet、EtherCAT等模塊。
4) 可集成的安全技術
可選的可插拔安全模塊可滿足IEC 61508SIL3 安全標準的要求。模塊化的解決方法，對 于滿足將來可能進一步增加的安全要求也提供了可靠的保證。
4.2 系統配置
系統配置如圖1 所示。9400 伺服 PLC 驅動器驅動同步伺服電機控制托盤的上下運動， 電子凸輪 CAM曲線由 9400 伺服 PLC 在線計算，并存儲在9400伺服 PLC中。大盤上安裝 一個 SSI絕對值編碼器，編碼器信號接入9400伺服PLC X8 接口中，作為CAM曲線的主 軸信號，大盤轉一個工位，編碼器則旋轉一周。
圖 1 系統配置圖
由于系統需要高動態響應，執行電機選用Lenze高性能 MCS同步伺服電機。電機在運 行過程中會產生發電能量，9400伺服PLC驅動器外接一個制動電阻。
9400伺服PLC驅動器通過集成的CAN接口與觸摸屏進行通訊，擴展IO接口通過CAN 總線與 9400 伺服 PLC 相連。
4.3 為實現的主要功能
1) CAM 曲線在線計算
在畫面上輸入關于瓶子形狀的特征點，9400 伺服 PLC 程序中即可根據瓶子形狀特征點 得出瓶子形狀體積模型，然后根據瓶子體積、灌裝速度、大盤SSI編碼器角度計算出通用曲 線方程，離散化得到計算CAM曲線。
2) CAM 曲線計算錯誤保護
由于在灌裝過程不允許電機倒轉或者暴沖，CAM曲線的計算結果需要進行容錯檢查。
a) 特征點坐標值輸入錯誤檢查；
b) 灌裝曲線趨勢檢查；
c) 檢查計算結果相鄰點之間值是否跳變過大，以防止電機出現暴沖現象。
3) CAM 曲線在線切換
在生產線灌裝過沖中，使用 CAM 曲線在線切換功能，實現不停機切換灌裝不同的瓶子。
4) Lock to CAM 功能
運行 CAM 曲線前，電機可能在任意位置。為防止投入CAM曲線運行瞬間電機出現暴 沖現象，可采用以下辦法：投入CAM曲線運行命令后，先將電機位置自動定位到CAM計 算曲線對應的位置，定位完成后再自動運行CAM曲線。
5) 轉矩補償
在外部慣量較大時，可以采用轉矩補償。由于電機運行時，外部負載為固定值，且負載 方向一直向下，可以等同為位能性負載。伺服控制器驅動電機帶動桿上升時，需要加上此負 載對應的轉矩量；電機帶動桿下降時，則需要減去此負載對應的轉矩量。
5 Lenze 的亮點
1) 高精度的伺服PLC 驅動器，32位處理器，具備極高的運算及控制精度，程序掃描時 間可達 1ms；
2) 除具備9400伺服驅動器特性外，還兼容PLC功能。一臺9400伺服PLC可替代PLC+ 伺服驅動器的組合，減少成本，性價比較高；
3) 可執行公式生成的計算CAM曲線或者固定CAM曲線，CAM曲線之間可進行在線 切換；
4) 兼容第三方設備的Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等常用的通訊；
5) 外圍可擴展 IO 端口。
6 結論
9400 伺服 PLC 驅動器除具備高精度伺服控制的特點，兼具PLC 的功能，支持ST、FBD 等多種編程語言，還可以進行外圍IO 擴展，具備較高的性價比。此外，還可以實現在線 CAM 曲線計算、固定CAM曲線與計算 CAM曲線的切換等多種功能，對于灌裝設備技術水平的 提升有著重要的實際應用意義。
