1 引言
熱收縮膜包裝形式有經(jīng)濟(jì)、安全可靠、便于區(qū)域運(yùn)輸銷售等優(yōu)勢，被國內(nèi)飲料行業(yè)普遍采用。但由于啤酒生產(chǎn)使用的玻璃瓶及瓶身碰撞易損，熱收縮膜包裝形式的局限性不能完全解決啤酒及其他玻璃瓶包裝行業(yè)的需求。因此，紙箱包裝是啤酒、飲料的高規(guī)格、高檔次的包裝，解決了長途運(yùn)輸?shù)膯栴}，彌補(bǔ)了熱收縮膜包裝的缺陷，兩者互補(bǔ)，是啤酒、飲料包裝不可缺的兩種包裝形式之一。我國紙箱包裝機(jī)長時間處于35箱／min的包裝能力，僅能滿足2萬瓶／h啤酒、飲料包裝生產(chǎn)線的需求。通過市場調(diào)研，在現(xiàn)有裝箱機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，吸收國內(nèi)外裝箱機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，成功地開發(fā)出60箱／min全自動紙箱包裝機(jī)，解決了啤酒、飲料4萬瓶裝箱的需要。
2 紙包裝機(jī)的技術(shù)結(jié)構(gòu)和工作原理
2.1控制系統(tǒng)的組成
科時敏e-STARR60紙箱包機(jī)采用B&R(貝加萊)控制系統(tǒng)，PLC為CP476通過CAN現(xiàn)場總線與所有伺服驅(qū)動通訊，面板采用PP451，并通過CAN連接EX470進(jìn)行遠(yuǎn)程IO擴(kuò)展。
上位界面PP451的以太網(wǎng)地址號為01；3IF771.9通訊卡的CAN現(xiàn)在總線地址號為09；推瓶伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為01；分瓶1伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為02；分瓶2伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為03；出口伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為04；吸紙板服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為05；EX470總線控制器CAN現(xiàn)場總線地址號為C6；
各設(shè)備所對應(yīng)CAN現(xiàn)場總線號必須絕對正確，否則系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。正常情況下，系統(tǒng)在上電后，IF771的CAN通訊指示燈會快速閃爍，各伺服驅(qū)動器的AC110通訊卡上的兩個通訊指示燈保持常亮，否則通訊不正常。
2.2全自動高速紙箱包裝機(jī)的組成及工作原理
全自動高速紙箱包裝機(jī)主要由紙板供給、瓶輸送、取紙箱板、分瓶、紙箱板傳送、推瓶、紙箱折疊成型、噴膠、封箱粘合等組成。紙箱板供給由紙箱板儲存庫、紙箱板等待工位、紙箱板水平輸送、紙箱板供給主托叉、紙箱板供給副托叉、檢測開關(guān)等組成。主要完成對包裝機(jī)的紙箱板供應(yīng)，適應(yīng)于高速包裝機(jī)紙箱板供應(yīng)不能間斷的需求，使得紙箱板供應(yīng)更加暢順。瓶輸送分兩部分，一部分是由變頻調(diào)速控制電機(jī)運(yùn)行速度，將包裝線上的瓶按照要求有規(guī)律的進(jìn)行輸送，缺瓶檢測保證瓶的連續(xù)供給，提供給包裝機(jī)；一部分是由主驅(qū)動通過機(jī)械傳送．按照主機(jī)運(yùn)行節(jié)奏進(jìn)行輸瓶。取紙板是由伺服電機(jī)驅(qū)動，以從動的方式與主驅(qū)動同步運(yùn)行，帶有兩組吸盤，兩組吸盤交替取紙板，達(dá)到了高速取紙板的功效，可以實(shí)現(xiàn)60箱／min的紙板供給。分瓶由1號分瓶伺服電機(jī)和2號分瓶伺服電機(jī)及主驅(qū)動電機(jī)完成控制，將瓶子有規(guī)律的分成3×4一組。紙板傳送是將取到的紙板通過若干個工位傳送到上瓶處，動力由主驅(qū)動提供，缺紙板和雙層紙板的檢測用以保證紙板的正常供給。推瓶機(jī)構(gòu)的作用是分瓶后的整理，通過推瓶桿進(jìn)行推瓶，瓶通過無動力過度板時，將瓶排列緊密，提高包裝質(zhì)量。紙箱折疊成型、噴膠、封箱粘合完成啤酒、飲料的包裝，根據(jù)紙箱的結(jié)構(gòu)，確定噴膠的位置，封箱粘合的適度調(diào)整，確保封箱的質(zhì)量。紙包機(jī)工作流程見圖2。
3 紙包裝機(jī)的控制系統(tǒng)
3.1主控制器
主要包括模擬量控制、光源控制、傳感器控制、定位控制、傳動控制、氣動控制、工藝過程、工藝參數(shù)、運(yùn)行故障、安全防護(hù)、產(chǎn)品質(zhì)量等控制。采用可編程邏輯控制器及輔助系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。
3.2多電機(jī)拖動的同步技術(shù)與伺服傳動技術(shù)
包裝物品由主傳動系統(tǒng)傳送，各種包裝輔助材料由供送系統(tǒng)傳送，它們之間的動作必須協(xié)調(diào)配合，控制上嚴(yán)格保持一致。采用多電機(jī)拖動的同步技術(shù)利用伺服傳動技術(shù)代替常規(guī)傳動部件，使包裝機(jī)具有執(zhí)行、反饋、自適應(yīng)等功能。多電機(jī)伺服系統(tǒng)采用PLC控制，機(jī)器各工位的檢測由外圍各工位的接近開關(guān)來完成，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)信號輸入和系統(tǒng)的光、機(jī)、電和氣動裝置的協(xié)調(diào)動作。通過調(diào)整分瓶器及調(diào)整噴膠、封箱、整型氣缸位置，可以改變包裝規(guī)格。
3.3操作系統(tǒng)設(shè)計
變頻控制技術(shù)與人機(jī)界面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，使包裝機(jī)械在自動、手動、調(diào)試等工作方式時，控制設(shè)備在不同的速度下運(yùn)行。變頻器配備通信模塊，通過RS-485接口可在操作站的人機(jī)界面上顯示和設(shè)定主驅(qū)動參數(shù)。操作屏作為PLC的接口，能進(jìn)行與檢測有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，能顯示常用數(shù)據(jù)，操作方便，界面簡潔。
4 控制系統(tǒng)方案
高速紙箱包裝機(jī)的控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制器EX470、PP451人機(jī)界面、檢測元件、執(zhí)行元件、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)等組成。運(yùn)動控制器EX470通過CANbus總線控制伺服驅(qū)動器，對伺服電機(jī)實(shí)施控制。通過CAN總線對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和控制。
機(jī)器運(yùn)行位置的檢測和包裝周期設(shè)定在伺服控制中。伺服電機(jī)裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信號，伺服控制器對伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。旋轉(zhuǎn)編碼器選擇是增量型編碼器，它產(chǎn)生頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的電脈沖信號，伺服控制器對脈沖計數(shù)，依此對伺服電機(jī)進(jìn)行控制。通過編碼器的專用接口。將數(shù)據(jù)傳送到EX470，其數(shù)據(jù)數(shù)值表明機(jī)器的運(yùn)行位置。在包裝過程中，推瓶桿推出一組瓶完成一個包裝，在推瓶桿經(jīng)過處安裝一個檢測開關(guān)，利用它對EX470記錄的編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)位。此數(shù)據(jù)的周期性變化，EX470中的數(shù)據(jù)表明包裝周期內(nèi)的位置數(shù)據(jù)。在每一個包裝周期內(nèi)，取紙板、放紙板、分瓶等動作數(shù)據(jù)與EX470中的數(shù)據(jù)有一一對應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)對機(jī)器的每一個動作進(jìn)行控制。
4.1分瓶電機(jī)的控制
分瓶驅(qū)動是分瓶電機(jī)驅(qū)動兩組擋瓶爪。在紙箱包裝機(jī)中，包裝段的瓶傳送通過主驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)。分瓶是將排列緊密的瓶分成3×4或其它組合的瓶組。兩個分瓶電機(jī)的傳送鏈上，分別裝有等距離的兩組擋瓶爪，兩個電機(jī)快慢交替運(yùn)行。將排列整齊的瓶分成3×4瓶組。通過主驅(qū)電機(jī)傳送到下一個工位。
分瓶電機(jī)的控制。兩分瓶電機(jī)有規(guī)律的交替快慢運(yùn)行。特點(diǎn)是以主驅(qū)動電機(jī)脈沖數(shù)作為同步信號(X方向)，分瓶電機(jī)自身的脈沖數(shù)(Y方向)，按照設(shè)定的運(yùn)動曲線進(jìn)行運(yùn)行，即只有在主電機(jī)運(yùn)行的情況下，分瓶電機(jī)作為從電機(jī)按照特定的曲線同步運(yùn)行。
分瓶電機(jī)同步位參數(shù)的設(shè)定決定了分瓶電機(jī)按照一定的規(guī)律運(yùn)行，運(yùn)行的起始位和停止位就要有一個參考位，此設(shè)定可在人機(jī)界面PP451上設(shè)定。相對于某一個參考點(diǎn)的位置，產(chǎn)品不同，包裝形式不同，其參考位不同，電機(jī)切換點(diǎn)不同。
4.2紙箱板供給系統(tǒng)
紙箱板供給系統(tǒng)主要由紙箱板水平供給和紙箱板垂直供給兩部分組成。
紙箱板水平供給。水平紙箱板供給由水平供給電機(jī)驅(qū)動，通過檢測供箱板輸送鏈的狀態(tài)，控制電機(jī)。將箱板從初始堆放處，輸送到箱板等待工位。當(dāng)副托叉托住紙箱板，主托叉下降到初始位，控制電機(jī)將等待工位的紙箱板輸送到垂直工位，完成一個水平供紙箱板的過程。
紙箱板垂直供給。垂直紙箱板供給由垂直供給電機(jī)驅(qū)動，一臺電機(jī)驅(qū)動主托叉，另一臺電機(jī)驅(qū)動副托叉。垂直紙箱板供給主要由電機(jī)驅(qū)動主托叉供給紙箱板．當(dāng)紙箱板供應(yīng)減少到一定的數(shù)量時，由副托叉托住剩余紙箱板，主托叉下降等待紙箱板，當(dāng)紙箱板托起到位后。抽出副托叉由主托叉正常供給，完成一組紙箱板的補(bǔ)充。如此可保持紙箱板的供給不間斷，達(dá)到高速度包裝的紙箱板供給。
4.3取紙箱板系統(tǒng)的組成和控制
取紙箱板系統(tǒng)的組成。取紙箱板系統(tǒng)由驅(qū)動軸、同步齒型帶、被動軸組成。同步齒型帶安裝兩組吸盤，伺服電機(jī)與主驅(qū)動電機(jī)同步往返運(yùn)行，以達(dá)到高速取紙箱板的效果。
取紙箱板系統(tǒng)的控制核心是對伺服電機(jī)的控制。伺服電機(jī)驅(qū)動同步齒型帶，同步齒型帶上安裝兩組吸盤，進(jìn)行取紙板。伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，第l組吸盤到達(dá)放紙板位置時，釋放紙箱板，同時第2組吸盤動作，當(dāng)?shù)竭_(dá)吸紙箱板位置時吸紙箱板，取紙箱板完成了一個取紙箱板周期。伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，第2組吸盤到達(dá)放紙板位置時，釋放紙箱板，同時第1組吸盤到達(dá)吸紙箱板位置吸紙箱板，取紙箱板完成了下一個取紙箱板周期。
5 結(jié)語
伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用使控制更加精準(zhǔn)；系統(tǒng)更加完善、靈活、穩(wěn)定可靠。使用伺服電機(jī)不僅減少了機(jī)械沖擊對設(shè)備的損害，而且大大降低了使用傳統(tǒng)控制方式的設(shè)備故障率。
此項目已在科時敏包裝設(shè)備有限公司生產(chǎn)的紙包裝機(jī)廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)的紙箱包裝機(jī)出口歐美及東南亞等地區(qū)和國家。
參考文獻(xiàn)
