关于多轴伺服制瓶机控制系统
前言
目前国内外玻璃瓶罐机械制造业生产的行列式制瓶机主要为气动和机械凸轮驱动的机器。制瓶过程是一系列的机构和阀门协调动作完成的，机器的动作主要是通过机械阀门或者电磁阀控制气路的通断，从而驱动机构和机械凸轮的运行，有些机构要使用液压缓冲才能稳定运行，有些机构的机械凸轮需要铰链油箱进行油浴。制瓶机上的能量转换首先是把电能经过空压机转换成压缩空气的压缩能，经过对压缩空气的净化处理，通过复杂的气管道输送到制瓶机上，再由气来驱动机构的动作。这种控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了严重的环境污染，动作稳定性差，结构复杂，运行机速低。开发节能型伺服机构制瓶机，是行业技术进步的需求，更是国家绿色环保和低碳经济的要求。
随着电子信息技术的飞速发展和伺服电机的普及应用，国内外的玻璃瓶罐机械行业相继研制出伺服钳瓶、伺服翻转等制瓶机上的部分伺服机构，取代了老式的气动机构和机械凸轮。这些伺服电动机构驱动的制瓶机具有运行稳定、能耗低、噪音小、污染小、机速高等优点，深受用户欢迎。
近几年来，三金公司研制了全伺服制瓶机控制系统，研制了基于该系统控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器的行列式制瓶机，并大批量推向市场，创新研发了配置双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、初型模及成型模伺服平行开关机构、伺服扑气、伺服正吹气等的全伺服制瓶机的一组样机。本文简介多轴伺服制瓶机控制系统的结构特点及其功能原理。
1技术要求
根据国内外玻璃瓶罐行业的现状，要使更多的伺服机构应用于行列式制瓶机，简单而可靠的多轴伺服控制是关键技术。综合分析瓶罐行业的工艺要求的特殊性和自动化行业多轴运动控制的现状，行列式制瓶机上的伺服控制系统要解决如下一系列问题。
1.1结构复杂问题
多轴运动控制最直接可选的方案是“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”十“数块I／0模块”+“通讯模块”+“上位工控机”。12组行列式制瓶机的全伺服控制最少需要135个轴，这就需要庞大的控制结构，需要12～20个控制柜才能完成。所以设计制瓶机的伺服控制系统，首先是要解决结构复杂的问题。
1.2性价比问题
伺服系统的价格主要决定于伺服控制和伺服电机驱动器，要选用“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”+“数块I／O模块”+“通讯模块”+“上位工控机”的结构，制瓶机每个伺服轴的控制和伺服电机驱动器要5～10万元，每台8组带伺服翻转和伺服钳瓶的2轴伺服制瓶机，单是伺服控制就要增加80～160万元的成本，用户很难接受，并且结构复杂，维护困难。所以制瓶机伺服控制系统要在中国普及应用，必须解决性价比问题。
1.3维护操作方便性问题
伺服制瓶机控制系统，从每组单轴到每组十几个伺服轴的控制，整机100～140轴，每个轴要调整初始位置、行程、运行曲线，每个轴要在各种状态下安全顺利自动定位启动，这也是应该重点考虑的问题。当前国内外的伺服钳瓶和伺服翻转控制系统，普遍存在操作复杂的问题。有的系统启动不能自动定位，要用手动辅助找位；有的系统停电后再启动，需要用便携终端重新调整定位；调整定位值需要到控制室中进行，给用户带来了诸多不便，这都是需要解决的问题。
1.4伺服轴数和功能可扩展性问题
伺服控制系统的设计要有可扩展性，可以配置到不同轴数的各式制瓶机上，而不是一种配置用一种系统。能控制每组制瓶机1个伺服轴，也能控制每组制瓶机十几个伺服轴，实现从单轴到全伺服制瓶机的控制。
1.5启动/停机方便迅速
伺服轴的启动与生产线总启动信号同步从安全位置自动启动，停机时跟随生产线同步停机，停在设定位置，紧急停机停在安全位置，单轴人为停机停在需要位置。
2解决方案
为解决上述问题，三金公司研制了“行列式制瓶机多轴伺服控制系统”的解决方案。
紧密结合制瓶机特殊工艺要求研发的单板4轴伺服运动控制、特殊曲线生成及功能控制于一板（尺寸为150III1TI×200mm）的MCU运动控制器，一块小板可以实现4个轴的可灵活编程定时定位定曲线的运动控制、4个轴的I／0工艺功能控制、通讯和数据处理功能，实现在机器旁边用2个按钮可以调整每个伺服轴的初位和末位的位置、确定行程、运行中调整行程以及启动一键定位等国内外相近产品所没有的独特功能。
多块MCU运动控制器固定到同一块底板上，通过底板连接驱动器、系统同步信号、现场I／0信号及上位机的通讯线，就形成了几十轴的伺服运动控制和凸轮曲线生成器单元，一个2000mmx750mE×750mlll的控制柜可以安装32～40个伺服轴控制的伺服电机驱动器和相应的MCU伺服控制单元，同样的用3～4个控制柜可以扩展成140多个伺服轴的控制器，实现12组大型制瓶机的全伺服驱动和全自动控制（取代国外相近产品的12～20个控制柜），制瓶机的工作参数在上位机用户界面上修改，上位机友好的用户界面与生产线上的其它系统公用，修改的数据按照地址和数据分类发送到相应的M.CU运动控制器板。
此外，本系统按结构简单、操作直观、易懂的设计理念，把机器上每个伺服轴的2个按钮1个开关定义了复用功能，可以用按钮一键定位、按钮调整初始位、按钮调整行程（并且区分粗调、细调、到位缓冲调整）、运行中微调行程、按钮清报警等便于现场操作的先进功能。无论是停电后还是停机后，位置自动记忆，开关一键定位，或者随生产线系统启动而自动定位启动进入同步运行。所驱动的所有伺服机构采用普通伺服电机和驱动器，实现最佳性价比。程序设计实现伺服机构的运行时间随生产线的速度变化而自动变化。全方位达到结构更简单，性价比更优，操作更方便。
多轴伺服制瓶机控制系统结构示意图。Pc是上位计算机，PN是控制柜，KC是初型侧控制盘，LCPN是成型侧控制盘，TKM1～TKM12是1～12组伺服钳移器电机，IVM1～IVM12是1～l2组伺服翻转器电机，OPBM1～OPBMI2是1～12组伺服初型模平行开关电机，0PPM1～0PPM12是1～12组伺服成型模平行开关电机，PM1～PMI2和RM1～RM12是双轴伺服拨瓶器电机。其它伺服机构的控制结构与此同，由另外一个控制柜实现，公用上位计算机。
2.2系统的控制原理
其中的一块运动控制器板为例，描述了伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、双轴拨瓶器的控制原理。Pc是上位计算机，MC是自制的4轴一体运动控制器板，KC是控制盘，Pl、M1和SVM1是伺服运动钳移器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P2、M2和SVM2是伺服运动翻转器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P3、P4、M3、M4和SVM3是双轴拨瓶器的伺服或步进电机的伺服驱动器、伺服或步进电机及其所驱动的双轴拨瓶机构。
上位机Pc把用户设定的运动曲线及其运动配时数据下载到运动控制器MC中，运动控制器MC根据控制盘Kc上的用户命令和系统同步信号TB的要求，实时向伺服驱动器发送控制信号和运动曲线脉冲信号（或者是曲线命令数据），伺服驱动器Pi根据输入命令驱动伺服电机运行，运行位置通过电机轴头上的编码器反馈控制，达到位置的跟踪定位。伺服电机带动伺服机构运行，实现每个伺服机构的点动、初始化、单步、间歇同步运行，运行符合制瓶机工艺要求的凸轮曲线和运动轨迹，达到准确动作，精确定位，协调同步。
电子定时、伺服运动钳瓶器和双轴拨瓶器的制瓶机成型侧控制盘。相当于LCPN或者是KC，其中的右数第5、6、7三个开关按钮是伺服运动钳瓶器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现放瓶位置调整、取瓶位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。其中右数第8个按钮是双轴拨瓶启动/停止按钮，控制双轴拨瓶器的启动和停止。
电子定时、伺服运动翻转器的制瓶机初型侧控制盘。相当于KC，其中左边3个开关按钮是伺服运动翻转器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现翻转和返回位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。
2.3预期效果
多轴伺服制瓶机智能控制系统有效实现制瓶机伺服多轴控制的可扩展性、可选配性，适合配置到所有的国产和进口制瓶机上。根据用户对制瓶机配置伺服轴多少的要求，可以控制1～140个伺服轴，直到全伺服制瓶机——“制瓶机器人”的控制，达到大型12组制瓶机的全部机构伺服化控制。现在用该系统在单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拨瓶器、双轴伺服初型模开关、双轴伺服成型模开关、伺服扑气头、伺服吹气头、伺服芯子等达到每组制瓶机十几个伺服轴的制瓶机机器人控制。
本系统所控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拔瓶器成功应用到各式制瓶机上投入运行，深受用户欢迎，创造了很好的经济效益和社会效益。根据市场发展趋势和国家低碳经济的要求，三金公司开发并试制了基于“多轴伺服制瓶机智能控制系统”控制的制瓶机器人（全伺服制瓶机）一组样机，并在“2010年中国国际玻璃工业展览会”上展出，这标志着玻璃瓶罐生产装备迈向了低能耗伺服驱动的全伺服制瓶机时代。
2.4主要技术性能
（1）实现每组制瓶机十几个伺服轴，整机140多轴的协调同步、定时定位定曲线控制。
（2）实现每32—40轴的智能运动控制和伺服驱动器集成一体化结构。
（3）所有伺服机构现场操作一键定位。
（4）所有伺服机构现场按纽修改零位偏移和运动行程。
（5）所有伺服机构现场运行中微调行程。
（6）所有伺服机构现场位置粗调和细调、按钮单步运行、按钮手动调试、按钮清报警等功能。
（7）伺服机构到位的电子缓冲量调整。
（8）定位精度1／23000，定时精度0.1度。
（9）基于标准度数的电子凸轮曲线生成和电子凸轮运行，达到每个轴“从设定时间开始运行特定曲线，在设定时间运行到设定位置”的高难度控制指标。
（10）与制瓶机生产线的其它系统信号共享，启动／停机／故障保护连锁控制。
（11）与制瓶机生产线的其它系统共享上位机WINDOWS操作系统下的用户界面。
目前国内外玻璃瓶罐机械制造业生产的行列式制瓶机主要为气动和机械凸轮驱动的机器。制瓶过程是一系列的机构和阀门协调动作完成的，机器的动作主要是通过机械阀门或者电磁阀控制气路的通断，从而驱动机构和机械凸轮的运行，有些机构要使用液压缓冲才能稳定运行，有些机构的机械凸轮需要铰链油箱进行油浴。制瓶机上的能量转换首先是把电能经过空压机转换成压缩空气的压缩能，经过对压缩空气的净化处理，通过复杂的气管道输送到制瓶机上，再由气来驱动机构的动作。这种控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了严重的环境污染，动作稳定性差，结构复杂，运行机速低。开发节能型伺服机构制瓶机，是行业技术进步的需求，更是国家绿色环保和低碳经济的要求。
随着电子信息技术的飞速发展和伺服电机的普及应用，国内外的玻璃瓶罐机械行业相继研制出伺服钳瓶、伺服翻转等制瓶机上的部分伺服机构，取代了老式的气动机构和机械凸轮。这些伺服电动机构驱动的制瓶机具有运行稳定、能耗低、噪音小、污染小、机速高等优点，深受用户欢迎。
近几年来，三金公司研制了全伺服制瓶机控制系统，研制了基于该系统控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器的行列式制瓶机，并大批量推向市场，创新研发了配置双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、初型模及成型模伺服平行开关机构、伺服扑气、伺服正吹气等的全伺服制瓶机的一组样机。本文简介多轴伺服制瓶机控制系统的结构特点及其功能原理。
1技术要求
根据国内外玻璃瓶罐行业的现状，要使更多的伺服机构应用于行列式制瓶机，简单而可靠的多轴伺服控制是关键技术。综合分析瓶罐行业的工艺要求的特殊性和自动化行业多轴运动控制的现状，行列式制瓶机上的伺服控制系统要解决如下一系列问题。
1.1结构复杂问题
多轴运动控制最直接可选的方案是“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”十“数块I／0模块”+“通讯模块”+“上位工控机”。12组行列式制瓶机的全伺服控制最少需要135个轴，这就需要庞大的控制结构，需要12～20个控制柜才能完成。所以设计制瓶机的伺服控制系统，首先是要解决结构复杂的问题。
1.2性价比问题
伺服系统的价格主要决定于伺服控制和伺服电机驱动器，要选用“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”+“数块I／O模块”+“通讯模块”+“上位工控机”的结构，制瓶机每个伺服轴的控制和伺服电机驱动器要5～10万元，每台8组带伺服翻转和伺服钳瓶的2轴伺服制瓶机，单是伺服控制就要增加80～160万元的成本，用户很难接受，并且结构复杂，维护困难。所以制瓶机伺服控制系统要在中国普及应用，必须解决性价比问题。
1.3维护操作方便性问题
伺服制瓶机控制系统，从每组单轴到每组十几个伺服轴的控制，整机100～140轴，每个轴要调整初始位置、行程、运行曲线，每个轴要在各种状态下安全顺利自动定位启动，这也是应该重点考虑的问题。当前国内外的伺服钳瓶和伺服翻转控制系统，普遍存在操作复杂的问题。有的系统启动不能自动定位，要用手动辅助找位；有的系统停电后再启动，需要用便携终端重新调整定位；调整定位值需要到控制室中进行，给用户带来了诸多不便，这都是需要解决的问题。
1.4伺服轴数和功能可扩展性问题
伺服控制系统的设计要有可扩展性，可以配置到不同轴数的各式制瓶机上，而不是一种配置用一种系统。能控制每组制瓶机1个伺服轴，也能控制每组制瓶机十几个伺服轴，实现从单轴到全伺服制瓶机的控制。
1.5启动/停机方便迅速
伺服轴的启动与生产线总启动信号同步从安全位置自动启动，停机时跟随生产线同步停机，停在设定位置，紧急停机停在安全位置，单轴人为停机停在需要位置。
2解决方案
为解决上述问题，三金公司研制了“行列式制瓶机多轴伺服控制系统”的解决方案。
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2.1系统的结构紧密结合制瓶机特殊工艺要求研发的单板4轴伺服运动控制、特殊曲线生成及功能控制于一板（尺寸为150III1TI×200mm）的MCU运动控制器，一块小板可以实现4个轴的可灵活编程定时定位定曲线的运动控制、4个轴的I／0工艺功能控制、通讯和数据处理功能，实现在机器旁边用2个按钮可以调整每个伺服轴的初位和末位的位置、确定行程、运行中调整行程以及启动一键定位等国内外相近产品所没有的独特功能。
多块MCU运动控制器固定到同一块底板上，通过底板连接驱动器、系统同步信号、现场I／0信号及上位机的通讯线，就形成了几十轴的伺服运动控制和凸轮曲线生成器单元，一个2000mmx750mE×750mlll的控制柜可以安装32～40个伺服轴控制的伺服电机驱动器和相应的MCU伺服控制单元，同样的用3～4个控制柜可以扩展成140多个伺服轴的控制器，实现12组大型制瓶机的全伺服驱动和全自动控制（取代国外相近产品的12～20个控制柜），制瓶机的工作参数在上位机用户界面上修改，上位机友好的用户界面与生产线上的其它系统公用，修改的数据按照地址和数据分类发送到相应的M.CU运动控制器板。
此外，本系统按结构简单、操作直观、易懂的设计理念，把机器上每个伺服轴的2个按钮1个开关定义了复用功能，可以用按钮一键定位、按钮调整初始位、按钮调整行程（并且区分粗调、细调、到位缓冲调整）、运行中微调行程、按钮清报警等便于现场操作的先进功能。无论是停电后还是停机后，位置自动记忆，开关一键定位，或者随生产线系统启动而自动定位启动进入同步运行。所驱动的所有伺服机构采用普通伺服电机和驱动器，实现最佳性价比。程序设计实现伺服机构的运行时间随生产线的速度变化而自动变化。全方位达到结构更简单，性价比更优，操作更方便。
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2.2系统的控制原理
其中的一块运动控制器板为例，描述了伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、双轴拨瓶器的控制原理。Pc是上位计算机，MC是自制的4轴一体运动控制器板，KC是控制盘，Pl、M1和SVM1是伺服运动钳移器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P2、M2和SVM2是伺服运动翻转器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P3、P4、M3、M4和SVM3是双轴拨瓶器的伺服或步进电机的伺服驱动器、伺服或步进电机及其所驱动的双轴拨瓶机构。
上位机Pc把用户设定的运动曲线及其运动配时数据下载到运动控制器MC中，运动控制器MC根据控制盘Kc上的用户命令和系统同步信号TB的要求，实时向伺服驱动器发送控制信号和运动曲线脉冲信号（或者是曲线命令数据），伺服驱动器Pi根据输入命令驱动伺服电机运行，运行位置通过电机轴头上的编码器反馈控制，达到位置的跟踪定位。伺服电机带动伺服机构运行，实现每个伺服机构的点动、初始化、单步、间歇同步运行，运行符合制瓶机工艺要求的凸轮曲线和运动轨迹，达到准确动作，精确定位，协调同步。
电子定时、伺服运动钳瓶器和双轴拨瓶器的制瓶机成型侧控制盘。相当于LCPN或者是KC，其中的右数第5、6、7三个开关按钮是伺服运动钳瓶器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现放瓶位置调整、取瓶位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。其中右数第8个按钮是双轴拨瓶启动/停止按钮，控制双轴拨瓶器的启动和停止。
电子定时、伺服运动翻转器的制瓶机初型侧控制盘。相当于KC，其中左边3个开关按钮是伺服运动翻转器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现翻转和返回位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。
2.3预期效果
多轴伺服制瓶机智能控制系统有效实现制瓶机伺服多轴控制的可扩展性、可选配性，适合配置到所有的国产和进口制瓶机上。根据用户对制瓶机配置伺服轴多少的要求，可以控制1～140个伺服轴，直到全伺服制瓶机——“制瓶机器人”的控制，达到大型12组制瓶机的全部机构伺服化控制。现在用该系统在单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拨瓶器、双轴伺服初型模开关、双轴伺服成型模开关、伺服扑气头、伺服吹气头、伺服芯子等达到每组制瓶机十几个伺服轴的制瓶机机器人控制。
本系统所控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拔瓶器成功应用到各式制瓶机上投入运行，深受用户欢迎，创造了很好的经济效益和社会效益。根据市场发展趋势和国家低碳经济的要求，三金公司开发并试制了基于“多轴伺服制瓶机智能控制系统”控制的制瓶机器人（全伺服制瓶机）一组样机，并在“2010年中国国际玻璃工业展览会”上展出，这标志着玻璃瓶罐生产装备迈向了低能耗伺服驱动的全伺服制瓶机时代。
2.4主要技术性能
（1）实现每组制瓶机十几个伺服轴，整机140多轴的协调同步、定时定位定曲线控制。
（2）实现每32—40轴的智能运动控制和伺服驱动器集成一体化结构。
（3）所有伺服机构现场操作一键定位。
（4）所有伺服机构现场按纽修改零位偏移和运动行程。
（5）所有伺服机构现场运行中微调行程。
（6）所有伺服机构现场位置粗调和细调、按钮单步运行、按钮手动调试、按钮清报警等功能。
（7）伺服机构到位的电子缓冲量调整。
（8）定位精度1／23000，定时精度0.1度。
（9）基于标准度数的电子凸轮曲线生成和电子凸轮运行，达到每个轴“从设定时间开始运行特定曲线，在设定时间运行到设定位置”的高难度控制指标。
（10）与制瓶机生产线的其它系统信号共享，启动／停机／故障保护连锁控制。
（11）与制瓶机生产线的其它系统共享上位机WINDOWS操作系统下的用户界面。
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