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制瓶系统伺服电机的介绍

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【内容提要】:
二十年代早期在哈特福德公司(Hartford)布赫.埃姆哈特公司的前身诞生了第一台行列式制瓶机(Individual Section),该机分成若干个独立的组,每一组均可单独停机和换模,操作管理十分方便,它是一台四分部分I.S行列式制瓶机。在1924年8月30日提出专利申请,至1932年2月2日才批准。专利号为1843159。该机种在1927年进行了商业销售后,得到了广泛的欢迎。

行列式I.S制瓶机的发明与演变

二十年代早期在哈特福德公司(Hartford)布赫.埃姆哈特公司的前身诞生了第一台行列式制瓶机(Individual Section),该机分成若干个独立的组,每一组均可单独停机和换模,操作管理十分方便,它是一台四分部分I.S行列式制瓶机。在1924年8月30日提出专利申请,至1932年2月2日才批准。专利号为1843159。该机种在1927年进行了商业销售后,得到了广泛的欢迎。

自行列机发明之后至今它大约经历了三个技术飞跃阶段:(3 Technology Periods up to now)

1 机械式I.S行列机的发展

1925-1985年漫长的历史中,机械行式列机制瓶机是制瓶工业的主力机种。它是机械转鼓/气动气缸驱动(Timing Drum/Pneumatic Motion),见图1。

在机械转鼓配时,随着转鼓转动转鼓上的阀钮驱动阀箱(Mechanical Valve Block)里气阀的开与关,压缩空气驱动气缸(Cylinder)往复运动。使动作按照成形工艺完成。

1 机械转鼓(Timing Drum)

此种机械行式列机制瓶机在1924年申请专利后,人们对其机械自动I.S制瓶机进行不断地改进与完善。

2 1980-2016 Present(今日),电子配时行列机A.I.S(Advantage Individual Section),电子配时等控制/气动气缸驱动(Electric Control/ Pneumatic Motion)发明出且迅速投入生产。

它采用微电子技术控制制瓶配时等成形动作,首先电信号控制电磁阀(Solenoid)得电动作,小股的压缩空气通过电磁阀的开与关,用此气控制套筒阀(Cartridge)进而控制驱动气缸的伸缩运动。即所谓电控制小气,小气控制大气。由于电信号作为一电信息可以进行拷贝、存储、互锁与交换等。所以电子配时行列机A.I.S它的出现对制瓶机带来了一系列革新。

目前国内外玻璃瓶罐工厂大部分使用此类制瓶机。

3 2010-2016年,全伺服行列机NIS, (New Standard,Electric Control/Servo Motion)。伺服电机2000年左右就运用于制瓶机上,先用在制瓶机上的翻口与钳瓶二处。其原理是微电子信号经过电路放大,直接控制和驱动伺服电机的动作。

由于伺服电机无气动驱动,因此它具有耗能低、无嘈音和控制方便等优点。现已发展为全伺服制瓶机。但鉴于国内目前使用全伺服制瓶机工厂不多,故根据本人浅薄知识介绍如下:

伺服电机的历史与发展

自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上,正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期,世界各大公司都已有完整的系列产品。因此伺服电机得以大力推广,伺服电机的应用领域太多了。只要是要有动力源的,而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。如各类加工机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、各类自动化生产线等等。对工艺精度加工效率和工作可靠性要求相对较高的设备都可使用。近二十年来,国外制瓶机生产公司也在制瓶机上采用了伺服电机,并且在玻璃瓶实际生产线上得到成功运用,近年国内也有伺服电机的制瓶机制造,并且在生产线上成功的许多范例。

伺服电机的组成

1 驱动器(Driver)

伺服驱动器的工作目的,主要是根据上级控制器发出的指令(P、V、T)而工作的。

伺服电机必须要有驱动器才能旋转,一般我们称伺服电机其中就包含着其驱动器,它由一伺服电机与驱动器匹配组成。通用交流伺服电机驱动器控制方法,一般分为三种控制模式:位置伺服(P command),速度伺服(V command),转矩伺服(T command)。较通用的控制方式为位置伺服和速度伺服,其外形见图2。

2  伺服电机驱动器外形照片

 2 伺服电机(Servo Motor)

伺服电机定子转子由永磁体或铁芯线圈构成,永磁产生磁场而铁芯线圈通电后也会产生磁场,定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩而转动再带动负载,从而通过磁场的形式将电能转化成机械能,在有控制信号输入时伺服电机就转动,没有信号输入时,它就停止转动。改变控制信号和相位(或极性),就可改变伺服电机的转速和转向。伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,见图3[1]

3 伺服电机旋转原理示意图[1]

同时电机自带的编码器其反馈信号输送给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,来调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数),伺服电机的外形见图4。

4 伺服电机外形的照片

3 编码器(Encoder)

为了得到伺服的目的,在电机输出同轴装有编码器。电机与编码器为同步旋转,电机转一圈编码器也转一圈。转动的同时将编码器信号送回驱动器,驱动器根据编码器的信号判断伺服电机的转向、转速、位置等它们是否正确,据此调整驱动器的输出。

编码器与伺服电机是一体的,它安装在伺服电机内部,请见图5。

5  编码器在伺服电机内的示意图

  伺服电机工作原理

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。其伺服跟踪主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解:伺服电机接收到一个脉冲,就会旋转一个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为伺服电机内的编码器也随之转动,它具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,它都会发出对应数量的脉冲,这样和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,进行信息数据的交流,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,如此就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,简单点说就是:我们平常看到的那种普通的电机,断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿,然后停下。而伺服电机是说停就停,说走就走并且反应极快,无失步现象。它的精度可以达到0.001毫米。同时伺服电机的加速和减速动态相应时间也极短,一般在几十毫秒之内(1秒等于1000毫秒)。

由此可见交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器来保证的。

简单的通用系统组成示意图6[2]

6  通用伺服系统示意图[2]

从图6中可见,伺服控制器与伺服驱动器它们之间有控制信号与数据反馈之间的信息闭环,在伺服驱动器与伺服电机之间也有控制信号与数据反馈(由编码器发出),它们之间的信息形成闭环。因此它的控制同步精度极高。

伺服电机在玻璃瓶生产线上的运用

早在八十年代末,根据制瓶工艺的要求,在制瓶机的翻口与钳瓶就先试用伺服电机替代气缸,并取得了良好的效果,后又发展至其他气缸。

1 现举钳瓶为例进行对比,分析伺服电机与气缸的动作,见图7[3]

7  伺服钳瓶与气缸对比示意图[3]

 图7中的细线是气缸钳瓶的运动轨迹,粗线则为伺服电机的轨迹,伺服电机的轨迹基本上按照气缸的轨迹的。从图中看部分动作还是有一些区别的:

⑴ 钳瓶器放瓶后抬头时,其动作较为缓和;

⑵ 当钳瓶器转至成模处时,伺服电机相比气缸动作其动作大为缓和,它可避免动作过猛撞击成模,而气动气缸则有一上冲运动;

⑶ 在钳瓶的瞬间,电机也是缓和钳瓶可避免钳伤瓶口;

⑷ 当钳瓶器转至冷却停置板时,由于此时钳瓶器已钳住热瓶,工艺要求其动作必须要慢要缓,从图中可见,此时伺服电机动作缓和成圆滑曲线,相比气缸动动作大为缓和,它保证了钳热瓶时稳定不抖动,而气动气缸则有一上冲曲线。

从上图7可见伺服电机完全遵循钳瓶工艺的要求,在关键动作期间其动作呈圆滑过渡,相比气缸动作更缓和更为合理。

2 小口压&吹法中的初模冲压,见图8[3]

生产轻量瓶使用小口压&吹法现在是广泛地应用。其中的初模冲压动作是较关键的工序,现对比分析制瓶机配时信号传到伺服电机后:

⑴ 它驱动初模的冲头以较快的速度,顶着料滴向上冲压,这样一是可以节约冲压时间,二是产生较大的上冲力克服料滴的重量,见图中t1-t2;

⑵ 当接近瓶口时,其冲压速度减慢,逐步完成瓶口成型,以防止冲压速度过快不慎将玻璃液挤出瓶口并且稳定一段时间,见图中t2-t3;

⑶ 冲压稳定后,慢速下降一短暂时间,使得冲头与玻璃液脱离接触,见图中t3-t4;

⑷ 然后快速下降回到翻口位置原点,以节约冲压过程的时间,见图中t4-t5。

8 初模冲头冲压过程示意图[4]

 伺服初模冲压有快有慢有缓冲,它完全遵循制瓶工艺的要求,从而保证了产品的质量。而这样的细化过程,气动气缸是难以做到的。并且伺服电机还以可根据不同品种,在众多的软件中进行选择,或者调用原来使用过的成熟程序快速换产。

从以上二例可知伺服电机完全能够替代气缸胜任制瓶动作的要求,还能再细化并且游刃有余。

催生出一新技术:一台供料机产生出不同重量的料滴(Different Weights-Same Feeder)

供料机的发明是经过前人无数次的试验与失败而发展的。哈特福特-费尔蒙特公司(Hartford-Fairmont公司,Bucher Emhart的前身),在1912年推出第一台料滴剪切的供料装置,它引领了当时玻璃瓶行业。1913年又发展出带有冲头的供料机,它的问世奠定玻璃行业自动化的基础。

100多年的使用与改进,其供料机的基本原理并没有改变。随着技术的发展,现已开发出采用伺服电机替代机械凸轮,甚至可以供出不同重量的料滴。

众所周知,供料机在机械凸轮的作用下,其冲头运动只能产出一种重量的料滴。如采用伺服电机驱动,它可以方便地改变冲头的运动轨迹,根据不同品种改变其控制程序(软件),即可获得不同重量的料滴。见图9[5]

9  一台供料机产出不同重量的料滴[5]

供料机在同一供料机上供出不同重量的料滴,从图可见在机组与机组,模腔与模腔之间其重量有425克,380克,400克等不同重量的料滴。此技术在实际生产线上已得到运用。

使用伺服电机的注意事项

1 伺服电机油和水的保护

⑴ 伺服电机它不是全防水或防油的。因此, 伺服电机不应当放置或使用在水中或油浸的环境中。

⑵ 如果伺服电机连接到一个减速齿轮,使用伺服电机时应当加油封,以防止减速齿轮的油进入伺服电机;

⑶ 伺服电机的电缆不要浸没在油或水中。

2 伺服电机电缆→减轻应力

⑴ 确保电缆不因外部弯曲力或自身重量而受到力矩或垂直负荷,尤其是在电缆出口处或连接处。

⑵ 在伺服电机移动的情况下,应把电缆(就是随电机配置的那根)牢固地固定到一个静止的部分(相对电机),并且应当用一个装在电缆支座里的附加电缆来延长它,这样弯曲应力可以减到最小。

⑶ 电缆的弯头半径做到尽可能大些。

3 伺服电机允许的轴端负载

⑴ 确保在安装和运转时加到伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在每种型号的规定值以内;

⑵ 在安装一个刚性联轴器时要格外小心,特别是过度的弯曲负载可能导致轴端和轴承的损坏或磨损;

⑶ 在安装/拆卸耦合部件⑶到伺服电机轴端时,不要用锤子直接敲打轴端。(锤子直接敲打轴端,伺服电机轴另一端的编码器要被敲坏);

⑷ 要使轴端对齐到最佳状态(对不好可能导致电机振动或轴承损坏)。

4 注意玻璃工厂的高温环境

⑴ 供料机冲头伺服电机等要用隔热板遮挡供料机的热量,或者吹冷风;

⑵ 供料机的驱动伺服电机需加外壳罩并且通风进行冷却;

⑶ 料滴分配器等需加外壳罩并且通风冷却,这外壳罩在此还能遮挡淋落下的水滴和油滴,且可防误碰伺服马达和电缆等造成的损伤。

由于供料机和制瓶机都处在高温区域,对伺服电机、控制电缆、信号电缆以及电缆接插件等设备要根据各厂具体情况做好隔热或者冷却等措施,以防电机超温损坏或电缆烧损等。

当前全伺服电机制瓶生产线与电脑结合形成智能化制瓶系统,称为BIS系统。它更具有:灵活性(Flexibility)、高性能(Performance)、高质量(Quality)、兼容性(Compatibility)、节能(Energy)与安全性(Safety)等。

伺服电机在玻璃瓶行业虽使用时间不长,但它带来了高效与操作方便受到玻璃厂的认可,操作人员只要根据本生产线的品种等工况,调出设计的软件或使用原成熟的程序,一般均可快速投产。