1、熱膠貼標(biāo)機(jī)SIMOTION D伺服控制系統(tǒng)介紹引言目前熱膠貼標(biāo)機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度非常快，普通貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)速度已達(dá)到20000瓶/小時(shí)，因此高速貼標(biāo)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(dú)立設(shè)備安裝于生產(chǎn)線上，提供專用輸送帶將生產(chǎn)線上準(zhǔn)備好的產(chǎn)品傳輸?shù)劫N標(biāo)機(jī)上，貼標(biāo)機(jī)自動(dòng)完成切標(biāo)、上膠、貼標(biāo)等工作并通過(guò)輸送帶傳送到下一個(gè)工序。圖1二、西門(mén)子SIMOTION介紹在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供了豐富的運(yùn)動(dòng)控制功能，但邏輯控制和復(fù)雜運(yùn)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(yùn)動(dòng)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)

2、同步和精確控制等方面的問(wèn)題。西門(mén)子公司提出新一代的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)SIMOTION。SIMOTION是為運(yùn)動(dòng)控制起主導(dǎo)作用的機(jī)器而設(shè)計(jì)的，本身集成了邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制，可以獨(dú)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(yùn)動(dòng)的領(lǐng)域中。1SIMOTION是一種簡(jiǎn)單，靈活的控制系統(tǒng)，本身集成了運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制與工藝控制。具有如下的優(yōu)點(diǎn)：邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合，取消了影響響應(yīng)時(shí)間的獨(dú)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(gè)機(jī)器的編程以及診斷不僅規(guī)范，而且象PLC一樣開(kāi)放透明2SIMOTION系統(tǒng)具有三個(gè)組成部分：工程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由

3、一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境解決所有的運(yùn)動(dòng)控制、邏輯及工藝控制問(wèn)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(cè)試到故障診斷。實(shí)時(shí)軟件模塊這些模塊提供了眾多的運(yùn)動(dòng)控制以及工藝控制功能。針對(duì)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(tái)SIMOTION DSIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制模板上，使之成為一個(gè)緊湊的擁有控制器及驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)。將運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)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)要求鑒于包裝行業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品產(chǎn)量大的特點(diǎn)，對(duì)高速紙包機(jī)提出了如下的控制要

4、求：運(yùn)行速度快由于貼標(biāo)生產(chǎn)線的速度高，要求貼標(biāo)機(jī)的速度也必須達(dá)到與之配套的水平。目前成熟的熱膠貼標(biāo)機(jī)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量20000瓶/小時(shí)，最大產(chǎn)量40000瓶 /小時(shí)。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(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會(huì)直接導(dǎo)致全線的故障停機(jī)，從而給用戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故要求設(shè)備可靠性非常高。要求配套的熱膠貼標(biāo)機(jī)在出廠前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，以每批次連續(xù)生產(chǎn)2000箱，連續(xù)生產(chǎn)10個(gè)批次不出現(xiàn)任何故障為出廠驗(yàn)收合格標(biāo)準(zhǔn)。切標(biāo)控制精確當(dāng)瓶由傳送帶進(jìn)入標(biāo)盤(pán)，需經(jīng)檢測(cè)確定何時(shí)切標(biāo)，標(biāo)紙定位要準(zhǔn)確，從一開(kāi)始找零結(jié)束后，每張標(biāo)紙的誤差只能在2mm以內(nèi)，否則就會(huì)影響到以后的切標(biāo)的精

5、度，導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生。這樣，在切標(biāo)過(guò)程中，如何補(bǔ)償就是重點(diǎn)，每當(dāng)檢測(cè)到有誤差產(chǎn)生時(shí)都需要進(jìn)行補(bǔ)償。自動(dòng)化程度高切標(biāo)機(jī)在工作時(shí)，從進(jìn)瓶開(kāi)始到出瓶結(jié)束，所有工作全部自動(dòng)完成，完全不需要人工干預(yù)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配置1為保證整機(jī)的運(yùn)行速度采，高速貼標(biāo)機(jī)上采用西門(mén)子1FK7高精度同步伺服電機(jī)，變頻器帶動(dòng)的切刀鼓轉(zhuǎn)速為333轉(zhuǎn)/分， 伺服電機(jī)跟隨響應(yīng)要快，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成切刀鼓轉(zhuǎn)一圈伺服電機(jī)帶動(dòng)的送標(biāo)鼓送一張標(biāo)長(zhǎng)，齒輪比為4：1，即伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為1332轉(zhuǎn)/分。對(duì)于上述信號(hào)直接接入到SIMOTION D445中，SIMOTION D445輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為0.1ms，完全滿足上述要求。2SIMOTION

6、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(jí)的專用連接頭，用戶在使用過(guò)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(dòng)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(duì)于用戶來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單方便，故障率低。功率單元與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的連接采用內(nèi)置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡(jiǎn)單方便故障率低。3系統(tǒng)配置整機(jī)采用一臺(tái)1FK7伺服電機(jī)，為送標(biāo)電機(jī)。采用TP270作為系統(tǒng)的人機(jī)操作界面。采用SIMOTION D4

7、45作為主控制器。采用SIMOTION S120作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。 圖2123456781TP270操作界面 2Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，速率可達(dá)到12M3CPU315-2DP 4SIMOTION D435運(yùn)動(dòng)控制器5伺服電機(jī)電源線 6編碼器反饋線7伺服電機(jī)，1FK7系列8主軸編碼器控制原理對(duì)于貼標(biāo)機(jī)從開(kāi)始進(jìn)瓶到貼標(biāo)結(jié)束出瓶，所有的動(dòng)作全部由機(jī)器自動(dòng)完成，完全不需要人工干預(yù)，自動(dòng)化程度非常高。在整個(gè)控制過(guò)程中難點(diǎn)主要存在于切標(biāo)、補(bǔ)償兩個(gè)控制方面，SIMOTION對(duì)于此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(jiǎn)單方便。找零控制：在貼標(biāo)機(jī)上電開(kāi)機(jī)前，需要有找零動(dòng)作，用來(lái)確定伺服電機(jī)和主軸編

8、碼器的零點(diǎn)。程序說(shuō)明：伺服電機(jī)找零前，需要和主軸一起動(dòng)作，保證標(biāo)紙不會(huì)被卷走，而找零是通過(guò)色標(biāo)檢測(cè)到標(biāo)紙上的黑斑得到信號(hào)將位置清零，清零后電機(jī)還要走一段設(shè)定好的距離，以保證切標(biāo)時(shí)標(biāo)紙的位置，并且主軸找零結(jié)束后不能停止，必須在伺服電機(jī)停止后才能停止。圖3 圖4 伺服電機(jī)找零圖5 主軸編碼器找零切標(biāo)控制：123456879圖6 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖11#標(biāo)盤(pán) 22#標(biāo)盤(pán)3伺服電機(jī) 4切刀鼓5真空鼓 615個(gè)標(biāo)頭的主轉(zhuǎn)盤(pán)7進(jìn)瓶輸送帶 8出瓶輸送帶9貼標(biāo)位置切標(biāo)控制的要求如圖6所示，標(biāo)盤(pán)有2個(gè)，作切換用。整個(gè)控制過(guò)程為：標(biāo)紙從標(biāo)盤(pán)經(jīng)導(dǎo)向輥傳送到伺服電機(jī)上，由伺服電機(jī)帶動(dòng)向切刀鼓送標(biāo)，切好的標(biāo)紙傳送到真空鼓，在真

9、空鼓上上膠并準(zhǔn)備貼標(biāo)。在機(jī)械上設(shè)定：當(dāng)瓶從進(jìn)瓶輸送帶進(jìn)入15個(gè)標(biāo)頭的主轉(zhuǎn)盤(pán)開(kāi)始，主轉(zhuǎn)盤(pán)每個(gè)標(biāo)頭前進(jìn)一個(gè)標(biāo)頭的距離，則切刀鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，真空鼓轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈。伺服電機(jī)走一個(gè)標(biāo)長(zhǎng)的距離，切刀鼓要正好轉(zhuǎn)一圈，這樣切刀鼓上就會(huì)切下一張標(biāo)紙，標(biāo)紙被真空鼓吸走、上膠，瓶此時(shí)會(huì)正好到貼標(biāo)位置，完成一個(gè)瓶子的貼標(biāo)。針對(duì)上述控制要求，采用SIMOTION提供的標(biāo)準(zhǔn)多軸CAM曲線同步功能伺服電機(jī)與切刀鼓進(jìn)行精確位置同步控制具體的控制方式如下：定切刀鼓為主軸電機(jī)，其位置作為CAM曲線的X軸；伺服電機(jī)的運(yùn)行位置做Y軸做CAM曲線。由于伺服電機(jī)走一個(gè)標(biāo)長(zhǎng)的距離，切刀鼓要正好轉(zhuǎn)一圈，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際上時(shí)不斷的重復(fù)此過(guò)程。例如切2

10、50mL瓶子的標(biāo)紙，即標(biāo)紙長(zhǎng)度為215mm，換算成角度為247.5177。則主軸轉(zhuǎn)360，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)247.5177。具體的控制曲線如圖3，圖7圖7 CAM曲線（單位度）上述曲線制定完畢后，伺服電機(jī)按運(yùn)行曲線和主軸做嚴(yán)格的位置同步，保證切標(biāo)的精確運(yùn)行。程序說(shuō)明：書(shū)寫(xiě)如下得MCC語(yǔ)句，當(dāng)操作工人按下“開(kāi)始同步按鈕”開(kāi)始執(zhí)行CAM同步指令。當(dāng)按下“解除同步按鈕”執(zhí)行解除同步指令。通過(guò)下列指令實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)與主軸的同步。圖 8在切標(biāo)同步指令中做如下的設(shè)置，伺服電機(jī)feed作為從軸，切刀鼓外接編碼器External_encoder做為主軸。主軸的運(yùn)行方式選擇絕對(duì)坐標(biāo)，從軸的運(yùn)行方式選擇相對(duì)坐標(biāo)運(yùn)行，C

11、am運(yùn)行過(guò)程選擇循環(huán)執(zhí)行。這樣切標(biāo)過(guò)程就按照事先設(shè)定的運(yùn)行軌跡與主軸做位置同步運(yùn)行。 圖 9修正補(bǔ)償：切標(biāo)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)瓶子或生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)空瓶，伺服電機(jī)與主軸必須取消同步控制，否則在下一個(gè)生產(chǎn)將出現(xiàn)位置錯(cuò)亂無(wú)法同步的情況，將導(dǎo)致產(chǎn)品浪費(fèi)。由于標(biāo)紙的質(zhì)地問(wèn)題，在伺服電機(jī)送標(biāo)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)彈性變化，即標(biāo)紙被伺服電機(jī)拉長(zhǎng)。這樣就會(huì)導(dǎo)致送標(biāo)長(zhǎng)短不一。因此需要對(duì)伺服控制做如下的修正：在同步過(guò)程中，找零要準(zhǔn)確，這是同步的基礎(chǔ)，找零結(jié)束后要多走一張標(biāo)紙，通過(guò)Measuring_input功能確定一個(gè)基準(zhǔn)位置（標(biāo)紙的黑斑位置）。在切每一張標(biāo)紙時(shí)，都要通過(guò)Measuring_input功能檢查

12、當(dāng)前位置與基準(zhǔn)位置的偏差，然后通過(guò)Superimpose功能進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)空瓶或生產(chǎn)結(jié)束，都認(rèn)為此時(shí)前一個(gè)瓶子為最后一個(gè)瓶子，要提前結(jié)束同步，然后通過(guò)位控功能高速完成最后一個(gè)瓶子對(duì)應(yīng)標(biāo)紙剩下的那段距離，這樣就保證了切標(biāo)的精確性。程序說(shuō)明：找零結(jié)束后要多走一張標(biāo)紙，通過(guò)Measuring_input功能確定一個(gè)基準(zhǔn)位置（標(biāo)紙的黑斑位置），然后通過(guò)Measuring_input測(cè)量標(biāo)紙實(shí)際位置和理論位置的誤差，再通過(guò)Superimpose進(jìn)行補(bǔ)償：圖10 Measuring_input功能最后一個(gè)瓶子的控制過(guò)程如圖11，當(dāng)通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)判斷這是最后一個(gè)瓶子時(shí)，在伺服電機(jī)于主軸同步到150時(shí)，同步取消，同時(shí)伺服電機(jī)以一個(gè)較高的速度前進(jìn)最后一張標(biāo)紙剩下的距離：圖11最后一個(gè)瓶子的控制過(guò)程圖12 主軸位置為150時(shí)取消同步圖13 伺服電機(jī)以一個(gè)較高的速度前進(jìn)最后一張標(biāo)紙剩下的距離圖14 完成切標(biāo)后，伺服電機(jī)位置偏移到零點(diǎn)上膠控制：上膠控制也是該機(jī)器的一大難點(diǎn)，在開(kāi)始切標(biāo)