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玻璃容器(瓶罐)的制造(20) —行列式制瓶机的伺服机构

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【英文论文】:

现在的瓶罐市场需求迫使行列式制瓶机具备生产能力大和灵活性与适应性强等特性。当今机电领域技术发展迅速,进入20世纪中、后期,行列式制瓶机在众多技术改进的基础上又进一步实现了具有划时代意义的技术革新——机构伺服驱动。首先是拨瓶器,继而是分料器实现了电子凸轮控制的伺服电动机驱动,取代了原来的同步电机和机械凸轮驱动;到了20世纪末,翻转和钳瓶机构又实现了伺服驱动,取代了原来的气缸驱动。

玻璃容器(瓶罐)的制造(20

—行列式制瓶机的伺服机构

 
杨文丰整理

 

现在的瓶罐市场需求迫使行列式制瓶机具备生产能力大和灵活性与适应性强等特性。当今机电领域技术发展迅速,进入20世纪中、后期,行列式制瓶机在众多技术改进的基础上又进一步实现了具有划时代意义的技术革新——机构伺服驱动。首先是拨瓶器,继而是分料器实现了电子凸轮控制的伺服电动机驱动,取代了原来的同步电机和机械凸轮驱动;到了20世纪末,翻转和钳瓶机构又实现了伺服驱动,取代了原来的气缸驱动。

当今国外EMHART、BOTTERO、BDF等公司的伺服分料、拨瓶、翻转、钳瓶等伺服驱动“四机构”的行列式制瓶机,于上世纪末和本世纪初,就已经相继进入我国玻璃瓶罐行业。

国内研发的伺服“四机构”也在推广应用,并且伺服控制技术也日趋成熟和完善。

 

 对伺服机构的认知

1、伺服机构的概念

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机:在控制信号发出之前,转子静止不动;当控制信号发出时,转子立即转动;当控制信号消失时,转子能即时停转。

伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机,其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服机构,是用伺服电机通过联轴器、变速箱或者滚珠丝杠等与执行机构连接,利用伺服电机的可以灵活控制和精确定位的特性,用计算机可编程控制的伺服电机来驱动机构的运行,取代气动驱动机构的运行,用电子凸轮取代机械凸轮,电子缓冲取代液压缓冲。

伺服电机驱动的机构按照设定的凸轮曲线和速度实现定时、定位、定曲线,达到机构的稳定运行和精确定位,降能节耗,降低噪音,简化结构,提高机速。

2、对行列机伺服机构的认知

传统IS机每个组箱上所有成型机构的动作均凭借压缩空气驱动气缸活塞实现,活塞单向工作行程是通过节流和终点缓冲来控制其速度变化:“零-加速-等速-减速-零”,活塞的速度曲线由机械凸轮的轮廓曲线来决定,气缸相当于电动机。对于可压缩介质的节流,因影响因素复杂,致使活塞运动速度和到位时间欠准确,限制了活塞运动速度和质量的进一步提高,定时和终点缓冲的调整难度也大,结构复杂,管路繁琐。

上世纪末推出了伺服翻转和钳瓶机构。翻转和钳瓶的速度与质量由电子凸轮控制的伺服电动机确定,并设计了多种不同的电子凸轮曲线(如摆线、正弦、谐波、四边形曲线等),以满足各种机速时的要求。由于压缩空气驱动由于介质的可压缩性,且因节流调速和终点缓冲的采用,限制了活塞的线速度。伺服翻转的速度比气动翻转快3倍多。这是伺服电动机反应灵敏、转矩恒定和自制动矩较大,能使动作具备快、准、稳的特征,保证了成型动作向高速发展。

 

 行列式制瓶机伺服机构的开发情况

1、国内行列式制瓶机在伺服机构的开发应用方面,已经与国际同步甚至于略有超前。已成熟并普及应用的伺服机构有:伺服供料机、伺服分料器、伺服钳瓶、伺服翻转、伺服单轴拨瓶、步进电机单轴拨瓶、步进电机双轴拨瓶等。

2、国内三金公司开发的“多轴伺服制瓶机控制系统”,不仅应用于伺服供料机、伺服分料器、伺服钳瓶、伺服翻转、伺服单轴拨瓶、伺服双轴拨瓶、步进电机双轴拨瓶,也应用于伺服初型模开关、伺服成型模开关、伺服闷头、伺服吹气头等全伺服制瓶机的控制。实现了轴数、曲线、功能可选择和可灵活扩展,可以控制从单轴到140多个伺服轴机构的定时、定位、定曲线的协调同步运行,该系统控制的制瓶机,用伺服驱动机构取代高能耗的气动机械机构,用电子凸轮取代机械凸轮,用电子缓冲取代液压缓冲,达到全伺服制瓶机的低成本、低功耗、易操作、高性能、高效率。使制瓶机的供料、分料、接料、模具开关、扑气、正吹气、翻转、钳瓶、冷却、真空、拨瓶等整机数百个运动和动作全部自动化完成。

3、国内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”控制的伺服制瓶机一组样机,并在“2010年中国国际玻璃工业展览会”展出,这标志国产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。

 

 伺服机构的特征

用伺服电机驱动的机构,取代气动的机械凸轮机构和液压缓冲,可以实现可编程的平滑的电子凸轮运行轨迹,实现制瓶机的精确定时定位、高速稳定运行、方便操作。是玻璃瓶罐行业实现制品高质量、轻量化、高效率、低消耗的必要条件。全部用伺服机构取代制瓶机上的气动机构和机械凸轮机构,是制瓶机发展的必然趋势。

 

伺服机构的结构型式

用于行列式制瓶机的伺服机构有以下几种:

1、伺服分料器

分料器采用同步带和齿轮传动的结构形式,主要由壳体、伺服电机、小带轮、同步带、大带轮、传动轴、齿轮1、齿轮2、齿套、接料槽支架、漏斗、感应开关、同步带胀紧调节杆、盖板、防护罩等组成,具体结构见图20-1。

20-1 伺服分料器

伺服电机的旋转运动经带轮和同步带传送至传动轴,传动轴带动齿轮1旋转,齿轮1和齿轮2啮合,齿轮2和齿套啮合,从而驱动齿套旋转,接料槽通过接料槽支架连接在齿套上,随齿套同时旋转,将料滴依次导入各组直料槽中,本机构齿轮及轴承采用油浴润滑,齿套轴承采用定时定量自动润滑。

2、伺服钳瓶机构

其结构如图(图20-2)所示,主要有伺服电机、蜗轮减速箱、悬臂、量筒、底座、外接头、关闭阀、阀针、调节轴、固定销、阀芯、连接块、调节杠杆、冷却风管等组成。

伺服钳瓶机构上悬臂的运动由伺服电机控制。伺服电机通过联轴器与蜗轮减速器蜗杆相连,悬臂固定轴穿过蜗轮孔固定在减速器上,悬臂壳体通过两个平键与蜗轮相连。工作时伺服电机驱动蜗杆和蜗轮旋转,蜗轮带动悬臂旋转使得钳瓶夹具平稳地到达成型模上方。

20-2 伺服钳瓶机构

钳瓶夹具的动作由阀箱“钳瓶”气路控制。阀箱来气进入外接头、气路连接块驱动钳瓶夹具抓住瓶子。伺服电机驱动悬臂转向输瓶机冷却风和停置板上方,阀箱相应气路断开时,钳瓶钳张开,瓶子放到输瓶机停置板上。

伺服钳瓶机构另一种可选形式其结构如图(图20-3)所示,主要有伺服电机、阀针、关闭阀、量筒、底座、悬臂、蜗轮减速箱、调节轴、固定销等组成。与第一种伺服钳瓶相比,蜗轮减速箱结构形式不同,整个机构的基本原理类似。

20-3 双滴料伺服钳瓶机构2

3、伺服翻转机构

伺服翻转驱动机构(图20-4)所示。主要有伺服电机,电机支架,联轴器,滚珠丝杠副,齿条,上部壳体等组成。

20-4 伺服翻转驱动机构

伺服电机通过联轴器与丝杠相连,齿条与螺母固定在一起,伺服电机的旋转运动通过丝杠副转变为螺母与齿条的直线运动,从而驱动口钳夹具机构旋转。

伺服翻转驱动机构具备如下优点,精确设置运行参数,并且能够将所选数保存,简化变换品种程序;改善起动、停止的位置、速度,提高型坯质量,延长设备寿命;缩减返回时间,提高工作频率;手动按钮调节,简化调整程序。

4、双电机拨瓶

用一个伺服电机或者步进电机经过变速箱驱动拨瓶的拨盘机构,另一个伺服电机或者是步进电机经过变速箱驱动拨瓶的拨爪机构,拨爪伸出和缩回由电机驱动。由计算机和运动控制器控制两个机构的电机,运行可编程的拨瓶凸轮曲线,拨爪和拨盘同时运行到垂直于网带位置时,拨爪快速缩回,拨盘返回,实现拨瓶稳定,缩回迅速,瓶间距均匀可控和高机速运行(图20-5)。

20-5 双电机电子拨瓶

5、单电机伺服拨瓶

用伺服电机经过变速箱驱动拨爪,现场没有位置检测元件,实现零位和行程可调,按钮自动定位,结构简单,运行稳定可靠。伺服电机按照可编程的凸轮曲线和可调整的位置,与电子定时系统同步实现定时定位定曲线拨瓶运行(图20-6)。

20-6 双气缸单电机电子拨瓶

 

 

伺服机构的操作与调整

伺服机构的调整包括配时调整、相位调整、定位调整(零位和行程)、电子凸轮曲线的选择制作和应用、首次使用的调整、运行过程中的位置微调、状态显示等。

这些调整有数种方式。

1、通过控制室里的上位机终端进行调整,这样,不能够看到机器动作进行相应的实时调整,操作不方便;

通过现场的上位机终端进行的调整,较使用控制室终端能方便一些,但也不能实现看着机器动作进行调整。

2、使用连线的便携终端进行调整,要调整哪个分部或者哪一组(段),就把便携终端的电缆插到哪一分部,调整完成后再取下来保存好便携终端。这种方式,能看着机器动作调整,但是每次调整要插拔终端,不太方便,并且增加了终端的成本。

3、用控制盘上的按钮进行调整:这种方法仅仅使用开关和按钮,看着机器动作进行实时调整,没有插拔便携终端的不便,没有来来回回跑到控制室修改数据的麻烦,很方便的使用现场的机器控制盒和控制盘上的两个按钮和一个开关,看着机器动作进行初始定位调整、行程调整、运行中位置微调、供料在运行中行程和零点的调整、分料器运行中的每个位置调整、运行中相位调整、运行中的负载检测和调整等功能。

这是三金公司开发的对伺服机构调整方法的专利。

 

国外伺服机构的发展

 

1、电子凸轮控制伺服电机驱动的成型机构

行列式制瓶机传统的拨瓶器和分料器结构配置中有减速器、机械凸轮传动,从而限制了拨瓶、分料动作向更快、更精确稳定方向发展;另外,在换品种、变机速、改生产组数时需人工更换凸轮、调相位、换挂轮,花很长时间才能再进入正常生产。所有这些均严重制约行列式制瓶机向多组数、多腔成型及高机速发展,也满足不了频繁快速换品种的灵活性要求。20世纪后期,电子凸轮控制的伺服电机驱动态环境拨瓶器和分料器先后开发成功,逐步取代同步电机和机械凸轮驱动的老式拨瓶器和分料器。

⑴ 分料器

分料器的功能是藉单一个(或套)的接料勺通过角度不同的有序间歇摆动,将供料机剪下的料滴精确地导向指定组的流料系统,取代了传统的接料气缸群。行列式制瓶机自1970年使用分料器以来效果颇佳,除保持“独立分组”的灵活性之外,还促进了行列式制瓶机向大中心距多滴料(如TG5″)、多组数(12组)的大生产方向发展。机械分料器的产生直至目前的伺服电动操控的新分料器,是行列式制瓶机的重要技术突破之一。因为供料机连续剪料,当行列式制瓶机个别或部分组不参与生产、不接受料滴时,必须有专用装置将这些组的料滴拦截到机外,所以,截料器是分料器必不可少的辅件。另外,唯一的料勺与灼热的料滴频繁接触,料勺的强制冷却尤为关键。

离开料勺时的料滴速度与落料高度和料勺的摩擦阻力有关,减小摩擦可以通过料勺的喷雾润滑以及在下漏斗(即料勺的上部)的内侧壁建立气垫来达到,后者还起冷却槽壁的作用。分料器是在恒定的时间间隔内完成一次分料,如10组行列式制瓶机间隔为36″,12组为30″,如果10组机机速为150剪/min,12组机机速200剪/min,则相应的分料时间间隔分别为400ms和300ms。即对12组行列式制瓶机而言,分料器要在300ms内完成自这一接料组到下一指定接料组的摆动动作还留有足够料勺的停留等待时间,良好地将料滴引进指定组的流料系统。料勺停留等待时间,在机速和开机组数一定的情况下,取决于料勺的摆动速度。伺服分料器的料勺能在140ms内完成摆动,对上述200剪/min的12组行列式制瓶机而言,料勺仍有160ms的停留等待时间。据有关测定,机速为100剪/min的10组行列式制瓶机,伺服分料器料勺的摆动完成后的停留等待时间要比机械式分料器的长约2倍,这是伺服驱动快速、平稳、正确的优势所致,伺服分料器为高速优质分料创造了有利条件(图20-7)。

20-7 埃姆哈特伺服驱动分料器的结构配置

20-8 埃姆哈特料滴分配和输送系统

 

⑵ 电子拨瓶

确保初型模获得理想料滴并使输瓶机上瓶子等间距排列,计算机内存有各种机速、组数、瓶间距的分料和拨瓶电子凸轮参数,操作者只要输入机速、瓶间距和生产组数等基本参数,即可调出所需电子凸轮,确定相应相位(对拨瓶而言),很快完成换品种。目前电子分料器和拨瓶器已较普及,在引进的行列式制瓶机上已经是必然配备的标准供货模式。

① HEYE(海叶)伺服拨瓶器(参见图20-9)属于HMST设计概念(海叶模块伺服技术)的一部分,其独立运行控制通过一个开始信号与电子定时连在一起,两个伺服马达的运行由一个计算机控制。两个迭加动作直接进行,没有相互干扰,该原理使拨瓶器驱动的设计非常简单。

20-9 HEYE(海叶)伺服拨瓶器

拨瓶指(图 20-10)在停置板上先被稍微转动一下,使之在机前输送带上的位置更佳。为了获得最佳的运动顺序,推荐使用宽 150 mm 的齿链。双滴和三滴料生产时,即使机前输瓶机的速度达到 70 米/分,依然可以实现产品的安全输送(取决于产品的形状)。其控制柜是由一个供电柜、一个电缆连接柜和至少一个 HMST 模块柜组成,该模块柜配有根据组数配备的必需模块。

20-10 海叶伺服拨瓶机构的调整示意图

② EMHART 560伺服电子拨瓶

560伺服电子拨瓶具有精确的制品转送装置、为高速度生产而设计、减少敷设电缆需要和可编程序的拨瓶指伸出的0.1°分辨变化优点。

560伺服电子拨瓶可根据新的生产品种的有关参数而进行相关内容的自动设定,使生产效率达到最高。拨瓶器凸轮轮廓线因选择的凸轮不同而有别,运动轮廓线使制品从冷却风板(停置板Dead Plate)上的零速度加速到机前输送带的速度值;将制品由行列式制瓶机移动到含拨瓶器的机前输送带上,必须准确定时,这样制品可由各组平滑地进入机前输送带上的制品流线里,包括协调各组拨动顺序以保证各组的循环时间一致;定时和顺序要根据产品尺寸、运行组数、料滴数及机组入模数来确定。

20-11 Flex拨瓶器

⑶ 工艺参数设定

在运行当中,大部分工艺参数都可以被改变。分料器与行列式制瓶机系统脉冲的同步可以自动控制,通过控制柜上的触摸屏,设置与行列式制瓶机匹配的系统参数,可以设置这些参数:组数、初型模与料碗之间的中心距、剪刀与截料器之间的距离、剪刀与料勺之间的距离。分料器与生产要求之间的匹配可以靠CPU实现:料滴长度、料滴进入分料器之前的状态、静止状态持续时间、接料顺序、角度调整(通过控制箱或者控制柜上的触摸屏)。控制柜用于控制和使伺服电机同步,例如冲头、双电机剪刀机构、分料机以及行列式制瓶机、横向输送带驱动、转弯机之间的同步。

① 机前输送带差动与拨瓶器相位:

利用机前输送带差动(OFFSET)来调节通过机器的所有拨瓶器的相位,它设定了拨瓶器的拨出时间,因此可用来增加或减少冷却风板(停置板)的冷却时间。输入一较大角度值将使拨瓶器起动延迟,并进而增加冷却风板的冷却时间;反之输入一较小的角度值将使拨瓶器提前起动,从而减少了冷却时间。如果机前输送带差动设定值太小,则拨瓶器在钳瓶机构钳出制品之前就开始拨出凸轮轮廓线循环;反之如果设定值太大,则拨瓶器将延迟起动,导致下一循环制品将置于拨瓶器中的制品的顶部。故机前输送带差动值要设定在这两种极端情况之间。

② 凸轮比率与拨瓶器速度:

利用凸轮比率(CamRatio)使拨瓶器速度与机前输送带速度精确地匹配,凸轮比率在正常速度的90.0~110.0%的范围内调节所选择的轮廓线的末速度。要记住:“Cam Ratio”屏上设定的数值表示的正是将使用的凸轮轮廓线的一部分(百分比),也就是说如果凸轮比率值设定为90.0,那么凸轮轮廓线仅使用90.0%的轮廓线点,因而拨瓶器将按正常速度的110.0%移动,原因是在同一时刻移动的轮廓线有效点减少;反之如果凸轮比率值设定为110.0,则凸轮轮廓线仅使用110.0%的轮廓线点—使用的轮廓线有效点增加,因此,拨瓶器将按正常速度的90.0%移动。

2 伺服翻转、伺服钳瓶机构

随着高速和多腔成型,对翻转和钳瓶动作的运动速度与质量要求越来越高,行列式制瓶机制造商经过较长时间的努力,开发出专用的伺服电动机,并于上世纪末推出了伺服翻转和钳瓶机构。翻转和钳瓶的速度与质量由电子凸轮控制的伺服电动机确定,并设计了多种不同的电子凸轮曲线(如摆线、正弦、谐波、四边形曲线等),以满足各种机速时的要求,它们内存在计算机供随时选用。

德国海叶公司的伺服翻转机构见图20-12、图20-13伺服钳瓶机构见图20-14、图20-15。

20-12 海叶伺服翻转机构

20-13 海叶伺服翻转机构剖视图

20-14 海叶伺服钳瓶机构

20-15 海叶伺服钳瓶机构安装简图

埃姆哈特公司的伺服翻转见图20-16,伺服钳瓶机构见图20-17。

20-16 埃姆哈特伺服翻转机构

20-17 埃姆哈特伺服电子钳瓶

 

需要〖留意〗的技术条件

① 伺服机构对电源稳压提出更高的要求。随着伺服机构或全伺服行列制瓶机的逐步推广应用,电力稳压问题会越来越被行业所认知。

② 国内“四机构”的行列制瓶机的伺服化也逐渐被行业接受,发展速度和发展方向无疑是正确的。

③ 资料显示国外EMHART及其它行列式制瓶机专业公司制造的全伺服(NIS)新一代的行列制瓶机已经有逐步替代传统机型的趋势。

 

参考资料

玻璃容器(瓶罐)成型工艺操作手册卷二

埃姆哈特—行列式制瓶机操作手册

山东三金玻璃机械有限公司行列式制瓶机操作与维修手册

山东三金玻璃机械有限公司网站

机构伺服驱动的行列机龚恒丹  《玻璃和搪瓷》32123