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    摘要：文章主要介紹了Lenze伺服系統在吹灌旋一體機中的應用，通過介紹吹灌旋一體機的部分生產工藝，闡述了Lenze伺服系統在灌裝設備中的解決方案，突出了Lenze伺服系統的在灌裝設備中的應用優勢，提出了分離式伺服系統方案。

    關鍵字：吹灌旋一體機 伺服系統 相位同步 EtherCAT

    1 前言

     隨著飲料消費市場的日益擴大，其對PET材料的需求也必然水漲船高。面對日益嚴重的環境問題，如何節能也是灌裝飲料設備的首要問題，傳統的灌裝設備，由于吹瓶機與灌裝機之間通過撥輪輸送空瓶，這種方式容易造成瓶子之間的擠壓而變形，因此，目前吹灌旋一體機可直接進行瓶子的成形、灌裝和旋蓋工作，這樣可以避免瓶子之間的擠壓，這樣采用輕量化瓶子即可滿足工藝要求，每個瓶子可以節省大約4克。如果按此計算一臺36000瓶/小時吹灌旋一體機，每天工作10個小時，那么每年可節省PET材料大約526噸。因此發展吹灌旋一體機將是國際市場上的主要趨勢，目前對于大多數吹灌旋一體機，吹瓶機部分主要采用變頻器進行驅動，灌裝和旋蓋機采用伺服進行驅動并跟隨吹瓶機編碼器進行同步運行。Lenze除了此機型的成熟解決方案，同時目前也開發出了全套伺服解決方案，既吹瓶機、灌裝機、旋蓋機和加熱系統全部采用伺服進行驅動。對吹瓶機快速制動，相位同步及整機的邏輯控制積累了大量的經驗。其設備示意圖如圖：圖1 吹灌旋一體機。
 

    圖1 吹灌旋一體機
 

    2 吹灌旋一體機的構成

     吹灌旋一體機主要由吹瓶機、灌裝機、旋蓋機和加熱系統組成。吹瓶機主要負責將加熱好的瓶坯，通過拉伸機構的作用，使瓶坯拉伸，然后向瓶中吹氣，最后瓶子在壓力和溫度的條件下最終形成合格的瓶子，由機械手取出，其工藝流程為：瓶坯→加熱→機械手→轉盤模具→拉伸預吹→吹瓶→排氣→成品瓶→過渡撥輪→灌裝→旋蓋→產品。灌裝機：灌裝機是將原料注入瓶子的一種設備，灌裝機根據設備產量的不同，其灌裝頭數也不相同，其原理是將吹制的瓶子由過渡撥輪傳送至灌裝機。瓶子由提升氣缸上的瓶夾，卡住瓶口并在凸輪作用下實現上升與下降。灌裝機采用重力灌裝方式，瓶口上升頂開灌裝閥，開始灌裝，當原料上升到堵住回氣孔位置時灌裝結束。旋蓋機：旋蓋機是將瓶蓋旋緊在瓶子上，將瓶子密封的一種設備。瓶子由過渡撥輪進入旋蓋機。旋蓋機上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉。旋蓋頭在旋蓋機上保持公轉并自轉，在凸輪作用下實現抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋等動作，完成整個封蓋過程。加熱系統：加熱系統是吹瓶質量好壞的關鍵因素，其整個過程采用多段紅外加熱燈管進行加熱，溫度采用控制器進行PID調節。瓶坯在公轉鏈條的帶動下，并自轉通過加熱燈管，使瓶坯獲得最佳溫度并傳送到吹瓶機系統。詳見圖2 吹灌旋一體機示意圖。 

    圖2 吹灌旋一體機示意圖
 

    3 Lenze解決方案

    Lenze在吹灌旋一體機上主要有三種應用方案，第一種為單軸伺服驅動方案，此方案主要針對于吹瓶機采用變頻器驅動，灌裝機和旋蓋機兩個一起由一個伺服電機驅運，伺服跟隨吹瓶機單圈絕對值編碼器同步運行。第二種為雙軸伺服驅動方案，此方案和第一種相同，只是將灌裝機和旋蓋機分別各用一臺伺服電機驅動。第三種為全伺服解決方案，本文將以此案例進行分析，前兩種方案采用Lenze基于驅動器的系統解決方案，后者則采用Lenze基于控制器的系統解決方案。此方案為集中式控制方案，所有的運動控制程序均由運動控制器完成，并通過EtherCAT總線控制各伺服軸模塊。

    3.1 Lenze主要產品

    （1）面板控制器p500：該系列產品為Lenze推出的一款基于PC技術的工控機產品，其軟件采用Windows CE 6.0 操作系統，內置Codesys 控制軟件和VisiWinNET Com-pact CE 界面監控軟件。其控制器功能集成邏輯控制和運動控制兩種功能，編程方式符合IEC 61131-3 (IL、LD、FDB、ST、SFC and CFC Editor)和PLCopen Part 1 + 2編程環境，同時支持CNC 的Graphic DIN 66025 Editor (G-Code) 的編程，支持Cam 曲線的編程及設計。在硬件方面，該控制器標配有兩路以太網口，兩個USB接口，1個EtherCAT接口，同時支持一路擴展通信接口，可安裝Can和Profibus-DP 通訊。

    （2）伺服驅動器i700 ：i700是Lenze推出的為控制器配套的一款簡易式伺服產品，該產品采用Lenze最高端伺服的硬件配置。該伺服驅動器無PLC及運動編程能力，其所有的程序、版本信息和電機參數需均由運動控制器完成。

    （3）GKS 系列異步伺服減速電機：該產品由Lenze 的MCA減速電機結合G系列減速機組成，具有精度高，耐沖擊，壽命長等優點。此系列采用直交軸輸出方式，支持實心軸和空心軸兩種安裝方式。異步伺服和同步伺服可應用于不同的應用場合。由于灌裝設備具有慣量大和連續運行的工作方式，異步伺服的高慣量匹配度的功能非常適合該設備的運行。在相同功率下，異步伺服在相位同步精度方面也是最為出色的。此系列伺服在無論低速或高速運行條件下均能滿足設備的控制精度要求（大約2mm），還可有效避免低速運行下的抖動問題。

    3.2 Lenze解決方案

     系統軟件上采用共虛軸工作模式，各實軸同步于虛軸，實現了各軸之間的相位同步、自動回歸同步位、尋零和起停等功能。硬件上位機采用LenzeP500產品通過EtherCAT總線與Lenze伺服控制器I700和IO系統相連，用于運動控制和邏輯控制功能。伺服供電采用集中方式，既各伺服模塊之間通過直流母線相連進行供電，從而簡化了接線工作，同時也能實現各軸之間的能源共享，從而達到節能的目的。電機采用LenzeGKS異步伺服減速電機組成。具體參見圖3吹灌旋系統拓撲圖。 

    圖3 吹灌旋系統拓撲圖
 

    3.3 實現的主要功能

    Lenze結合客戶工藝要求和產品特點主要實現的功能有：

    （1）虛軸控制：采用虛軸作為主軸，可使各實軸完全同步于虛軸，有效避免級聯系統引起的累積誤差；

    （2）斷電同步停車：斷電同步停車功能可用于生產線意外斷電。各不同慣量的實軸可以同步停車。其主要原理是將機械的慣性動能轉化為伺服的電能，再給電機制動。此功能必須要求伺服的控制回路一直有24V控制電源和伺服之間的直流電源并聯。

    （3）自動回歸同步：設備要求在運行過程中各從軸之間一定要相位同步運行，避免各瓶夾之間錯位運行，從而損害瓶夾。因此在設備運行前，伺服會自動檢測各伺服之間的位置。如不在同步位，啟動時伺服會按最短瓶夾距回歸同步位，然后再同步運行。當然通過觀察監控系統的同步狀態指示燈，如不在同步位，也可一鍵回歸回步位。

    （4）零點設定：設備的零點設定采用手動設定零點方式。由于未安裝零點開關，設備設定零點需由操作工通過人眼觀察逐個設定零點。伺服本身具備零點自動保存功能，因此在完成零點設定后，只要在不人為拆卸伺服電機或者在伺服斷電的情況下，手動盤車伺服均可自動記憶零點。

    （5）實時誤差檢測：同步精度是設備正常運行的一個重要指標。每臺伺服程序均設有實時的誤差監控程序，伺服可通過伺服編碼器的位置和伺服控制器中虛軸的位置進行比較。比較指令每毫秒進行一次，這樣設備運行中如發現每毫秒出差位置誤差，設備即可立刻進入停車程序。

    3.4 Lenze亮點

    經過多年在灌裝行業的投入及技術經驗的積累，Lenze如今已具備了眾多的成熟技術亮點。其主要技術亮點如下：

    （1）引入伺服技術，采用電子軸同步方式取代傳統的機械軸同步方式。引入伺服技術實現了設備各單元單獨運行，方便了設備的調試、故障處理、機器清潔、日常維護等操作，突破了機械軸同步方式速度的制約，使得設備安裝更加緊湊和靈活。

    （2）斷電同步停車功能及相位保持。伺服具有機械能量回饋功能，配合智能伺服的控制和集中供電模塊可能實現回饋能量的共享，在斷電情況下實現同步停車。伺服本身具有位置保存的功能，配合制動器可以實現相位保持功能。

    （3）零點保持及自動回歸同步位。伺服具有零點保持功能，自動尋零后，如果沒有機械上的改動可不必尋零，設備在一個瓶位內按最短距離,可自動回歸到同步位，從而減小起動時間。同時系統在每周內自動采集零點信號，用于驗證機械磨損和打滑誤差，如果達到設定誤差，則立刻停止運行，并在起動時設備可自動重新尋找零點，然后重新運行。

    （4）采用共虛軸工作方式，避免累積誤差產生。伺服采用32位操作系統，并采用余數補償機制，避免計算誤差的產生。

    （5） Lenze一體化減速機，避免機械誤差產生。Lenze采用一級小齒輪直接驅動減速箱齒輪，并且采用小齒輪過盈配合方式連接，因此具有高精度，低噪音等優良的性能。

    4 展望

    無菌冷灌裝工藝因其可有效保護營養的完整性，確保飲料的原汁原味而備受青睞。目前無菌冷灌裝生產線在國內仍處于起步階段，面向未來巨大的消費市場發展潛力，無菌冷灌裝生產線必將向高速、安全方向發展。

    高速的生產線意味著在同等的生產級及工作車間投入條件下能夠帶來更大的生產能力。目前國內無菌生產線的生產速度平均為42000瓶/小時，已達到國際先進水平。傳統的機械聯軸式生產線由于其機械磨損及精度的原因，速度已不能滿足工藝要求。因此，采用分離式伺服傳動系統是目前可實現高速生產線的一個重要因素。隨著日新月異的工藝要求，無菌冷灌裝生產線未來將進一步向更加分離式及更多的伺服系統投入方向發展，從而進一步提升生產速度。

    安全的生產線是人們喝到健康飲料的前提。由于沒有高溫殺菌的環節，這就要求無菌冷灌裝生產線必須從機械設計角度實現無菌環境，如灌裝凈化室必須達到100級以上的空氣凈化要求，灌裝閥門結構還必須簡單，易于清洗，并確保閥內無夾縫等衛生死角。無菌冷灌裝生產線必須著重于優化機械結構及生產工藝方法，向無菌、安全方向發展。

    總之，在未來的飲料行業，無菌冷灌裝生產線憑借其多種優勢，必將引領灌裝生產線的技術潮流，成為一種重要的飲料生產方式。