前言

緊湊的外形尺寸和卓越的性能是對(duì)現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)器的重要要求。貝加萊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在與所選電機(jī)完美匹配的同時(shí)亦能兼顧機(jī)械性能的要求。對(duì)于需要卓越動(dòng)態(tài)性能和定位精度的應(yīng)用，ACOPOS系列也有非常適合的同步伺服電機(jī)。高能磁路和擁有專利權(quán)的線圈排布方式確保了結(jié)構(gòu)的緊湊性。貝加萊可編程控制器（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)在啤酒包裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用完全能夠滿足膜包機(jī)所有電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)控制和它們之間的同步運(yùn)動(dòng)控制。

系統(tǒng)的配置與方案

一般的，膜包機(jī)可以由主驅(qū)動(dòng)、進(jìn)瓶、分瓶、送紙板、送切膜和熱通道六個(gè)部分組成。按照不同的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)廠家生產(chǎn)的膜包機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不盡相同，所選擇的可編程控制系統(tǒng)以及伺服控制系統(tǒng)也不一樣。本文將以國(guó)內(nèi)某知名膜包機(jī)為例，介紹貝加萊可編程控制器（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)在其中為電氣控制部分的應(yīng)用。

1.膜包機(jī)的硬件機(jī)構(gòu)

擁有同步電子齒輪、電子凸輪的伺服控制系統(tǒng)早已經(jīng)取代繁的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，可以比較容易的按照設(shè)計(jì)者的要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)象之間的同步關(guān)系。膜包機(jī)的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是使用了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)軸，完成了從進(jìn)瓶、送紙板到送切膜的任務(wù)。使用一臺(tái)伺服電機(jī)的主驅(qū)動(dòng)會(huì)作為其他幾根軸的同步對(duì)象，所有的角度相位關(guān)系也都根據(jù)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)而定。圖1為五個(gè)電機(jī)在機(jī)器中的大致位置。

2.控制系統(tǒng)

使用貝加萊的伺服控制系統(tǒng)完全能夠滿足膜包機(jī)所有電機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)控制和它們之間的同步運(yùn)動(dòng)控制。集成了包裝過程中的邏輯控制并帶有顯示功能的人機(jī)面板PP41，一方面可以通過參數(shù)的輸入給運(yùn)動(dòng)控制部分傳達(dá)命令以及運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，另一方面可以及時(shí)反饋當(dāng)前機(jī)器的運(yùn)行狀況和報(bào)警狀態(tài)。

（1） 現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN BUS）

CAN總線具有強(qiáng)有力的錯(cuò)誤檢測(cè)能力及差分驅(qū)動(dòng)功能，在強(qiáng)噪聲十分苛刻的環(huán)境中仍運(yùn)行良好，因此，在傳媒傳輸和線路設(shè)計(jì)方面，CAN總線可以很容易的適合大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

通過現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN BUS）的連接，人機(jī)面板（PP41）和各個(gè)伺服控制器之間的通信變得十分可靠，尤其為伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的在線修改同步特征參數(shù)提供了保證 （圖2）。

（2） 基本運(yùn)動(dòng)控制

貝加萊的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（ACOPOS SERVO）采用了面向?qū)ο笮偷目刂品绞?。在貝加萊開發(fā)平臺(tái)Automation Studio中使用高級(jí)語言（Basic 或者 C），只要針對(duì)一個(gè)伺服控制器創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象（Axis Object）后，就可以利用創(chuàng)建的指針完成對(duì)電機(jī)不同的運(yùn)動(dòng)控制。

膜包機(jī)的各個(gè)電機(jī)的單獨(dú)調(diào)試與尋參、主驅(qū)動(dòng)的起停、以及分瓶電機(jī)的配合都會(huì)用到基本運(yùn)動(dòng)控制。這樣的控制方式目標(biāo)明確，便于控制程序的編寫。

（3） 同步運(yùn)動(dòng)控制

同步運(yùn)動(dòng)控制是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，一個(gè)伺服電機(jī)相對(duì)于另一個(gè)伺服電機(jī)要完成一定的運(yùn)動(dòng)軌跡所作的控制，也就是通常所說的電子齒輪和電子凸輪的概念。

對(duì)于ACOPOS SERVO來說，參與同步的兩臺(tái)伺服電機(jī)具有主從關(guān)系。膜包機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)控制一般是在位置上的同步。在CAN總線上，主軸會(huì)把當(dāng)前的位置信息以一定的微小間隔時(shí)間傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)上，而參與同步的從軸也會(huì)實(shí)時(shí)地取得這些信息，再實(shí)時(shí)地根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前從軸要走的位置，并且運(yùn)行當(dāng)前的軌跡。

通過數(shù)學(xué)模型，我們可以得到從軸相對(duì)于主軸的輪廓關(guān)系（Profiler）。這些輪廓的特征參數(shù)在電機(jī)參與同步之前要下載到伺服控制器中。PP41會(huì)利用CAN總線完成參數(shù)的下載任務(wù)。ACOPOS SERVO可以一次設(shè)定11組輪廓關(guān)系，使用事件（Event）的方式，使從軸可以在設(shè)定的輪廓關(guān)系組中按照運(yùn)動(dòng)的需要方便的跳轉(zhuǎn)。事件的觸發(fā)可以有很多種，可以使用PP41向下發(fā)送4個(gè)SIGNAL信息，也可以是伺服控制器上的2個(gè)觸發(fā)信息。因此，我們可以把主從的輪廓關(guān)系按照一定的要求分解成幾個(gè)階段（State），通過階段之間的跳轉(zhuǎn)，可以完成不同階段的同步要求。

在膜包機(jī)中，送膜電機(jī)在接收到送膜信號(hào)后，當(dāng)主電機(jī)再運(yùn)行到一定相位時(shí)開始同步運(yùn)動(dòng)，直至主電機(jī)完成一個(gè)周期，送膜電機(jī)也完成一次送膜任務(wù)。我們可以分成3個(gè)階段，即送膜電機(jī)等待送膜信號(hào)、主電機(jī)到達(dá)送膜起始相位，以及跟著主電機(jī)完成一次送膜任務(wù)。送膜時(shí)，要根據(jù)先慢后快的原則，最后一個(gè)階段還可以再次細(xì)分成幾個(gè)階段。

（4） 虛軸概念

在ACOPOS SERVO中，針對(duì)每一個(gè)伺服電機(jī)而創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)對(duì)象都具有一個(gè)虛擬的軸，也就是虛軸。這個(gè)虛軸和實(shí)軸一樣，一方面能夠作為從軸，跟著主軸完成同步軌跡，另一方面還能夠作為主軸，讓其他從軸參與同步。由于虛軸概念的引入，使得一個(gè)伺服電機(jī)也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關(guān)系。

如果在送膜電機(jī)和主電機(jī)之間加一個(gè)主虛軸，那么可以把等待送膜信號(hào)、等待主電機(jī)的起始相位、與主電機(jī)完成一個(gè)周期這3個(gè)階段的輪廓關(guān)系加在主虛軸上。送膜電機(jī)可以與主虛軸同步，完成先慢后快的幾個(gè)階段的同步任務(wù)。這樣，可以在主電機(jī)不運(yùn)動(dòng)的情況下，讓虛軸走一個(gè)周期，送膜電機(jī)就能夠完成一次送膜任務(wù)，也就是手動(dòng)送膜一次，便于一開始送膜位置的前后調(diào)整。

控制過程中的功能實(shí)現(xiàn)

ACOPOS SERVO在膜包機(jī)中要完成的任務(wù)是：驅(qū)動(dòng)推瓶桿和挑膜桿、送紙板、送切膜和分瓶。其中發(fā)生同步關(guān)系的任務(wù)有送紙板、送膜和切膜。圖3示意了幾個(gè)軸之間的主從關(guān)系，箭頭左邊為主，右邊為從。送瓶電機(jī)雖然沒有參與同步，但是在分瓶過程中，它和壓板、擋板都是以主電機(jī)的相位角度作為依據(jù)，執(zhí)行著相互關(guān)聯(lián)的起停，共同完成分瓶任務(wù)。

1.白膜的送切

送膜和切膜是膜包機(jī)中最重要的環(huán)節(jié)，也是控制過程中最困難的部分，尤其是送膜。

根據(jù)工藝的要求，當(dāng)送膜起動(dòng)后的開始階段，出膜的速度應(yīng)該和待包的一組瓶的速度保持一致，壓在紙板下膜的部分應(yīng)該是預(yù)先設(shè)定的長(zhǎng)度，而且不能夠發(fā)生卷曲。剩下的幾個(gè)階段要快速出膜，以保證挑膜桿能夠不受阻礙地將后面的薄膜挑出。挑膜的這幾個(gè)階段的速度一定也要控制的適當(dāng)，過快會(huì)導(dǎo)致薄膜曲皺，過慢會(huì)引起挑膜桿受阻。無論是幾個(gè)階段，也不管中間出膜的速度快慢，最終一定要保證主電機(jī)在執(zhí)行一個(gè)周期后，送膜電機(jī)也要正好完成一次送膜。也就是送膜電機(jī)和主電機(jī)的一次同步。