【正文】 關選擇共 16種細分模式，用電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)標識，既可以實現(xiàn)兩相的 步 距（如兩相標準半步 400步 /轉(zhuǎn)），也可以提供類似五相的步距（如五相標準半步 1000 步 /轉(zhuǎn)），用戶可以根據(jù)需要自行決定細分，最大可達到 30000 步 /轉(zhuǎn)。根據(jù)設計，每次換向時，伺服泵要根據(jù)需要精確旋轉(zhuǎn) 120 度，且不能有累積誤差。選定電機以后，電機的步距角及細分數(shù)也就確定了， 步 距角與細分數(shù)的比值即為每輸入一個脈沖時 步 進電機的運動量，即脈沖當量，它決定 步 進電機的運動精度。 步 進電機的 步 距確定以后，輸入的脈沖總數(shù)就決定了電機的位移量，且它們之前呈嚴格的比例關系，因此 步 進電機的誤差累積是比電動機和伺服電機要小得多，更是消除了累積誤差。在灌裝組件，需要進行運動控制的有負責灌裝的 12 臺伺服電機和換向的 12 臺 步 進電機，共 24軸，且 24 軸間需協(xié)同作用，所以選用 3塊 QD70P8 定位控制模塊。當 QD70 不再輸出脈沖時，由于脈沖累積減少，伺服電機減速，直到脈沖計數(shù)為零時停止。圖 34 為位置控制和速度控制之間的關系圖。由于 QD70 定位模塊是用輸出脈沖的方式進行控制，所以位置控制時需要確定移動指令距離所需輸出脈沖的總數(shù)。 使用 QD70 模塊進行定位控制時， PLC CPU 的主要作用是存儲創(chuàng)建的程序，在存儲程江蘇大學本科畢業(yè)設計 27 序后， QD70 輸出定位啟動信號和軸停止信號 [12]。第一套伺服泵控制 1 號、 13 號灌裝頭，第二套伺服泵控制 2號、 14 號灌裝頭，以此類推。所以灌裝組件的 12 臺伺服電機采用如圖 33 所示的串連方式，既可以減少輸出點數(shù)及接觸器的使用，又不影響系統(tǒng)的性能。伺服放大器上有 USB接口和 RS422通訊接口，可以通過它與上位機或具有伺服設置功能的計算機相連，對伺服放大器進行系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)的設計和編輯以及顯示設定等?；?以上條件，選擇灌裝所用的動力由伺服電機提供，根據(jù)需要選擇的伺服電 機的型號如表 35所示。 伺服電機控 制設計 XG24128 型灌裝機共有 20套伺服電機，其中灌裝組件有 12套，分別與 12套陶瓷泵相連接，為陶瓷泵吸液及灌液提供動力；加蓋組件有 8套，為 8套旋蓋頭提供動力，本小節(jié)主要研究灌裝組件的 12套伺服電機。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 21 輸入 /輸出點的確定 PLC 的輸入 /輸出單元也就是 I/O 單元，它是 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場的連接接口，工業(yè)現(xiàn)場的工作命令或運轉(zhuǎn)信息通過輸入接 口傳送給 PLC 系統(tǒng)， PLC 系統(tǒng)對輸入信號進行過濾、存儲、判斷、運算等，將工作命令以輸出信號的形式傳送給工業(yè)現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)來完成工作命令。 根據(jù)表 31所示灌裝機選用的 PLC 產(chǎn)品，設計 XG24128 型灌裝機 PLC 控制系統(tǒng)的組成圖如圖 32 所示。它與原 A 系列 PLC相比最大的特點是采用模塊化設計，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的控制要求自由選擇所需的模塊及數(shù)量，靈活地構(gòu)成控制系統(tǒng)。 XG24128 型灌裝機選用的人機界面是三菱電機 的 GT1575 系列的觸摸屏，該系列的觸摸屏分辨率為 640*480，顯示色為 256 色，可視角度廣，亮度高，帶有多種類型的接口可連接控制系統(tǒng)、運動控制器、電機和計算機等，也可以與打印機、音頻設備相接，對信號進行輸出。灌裝機控制系統(tǒng)選用的是可用于 8 軸控制的 QD70P8 定位模塊對灌裝伺服電機及換向 步 進電機進行速度控制。（ 4)安全性好，可在線對模塊進行更換，系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，不用停止整個控制系統(tǒng)就可以更換模塊并且兼容性能好。系統(tǒng)選用的 Q06HCPU 為高性能 Q 系列 PLC CPU,它的單機最大 I/O 控制點數(shù)為 40%點，可控制模塊數(shù)可達 64 塊，若系統(tǒng)所需的 I/O 控制點數(shù)更多，可選用擴展 I/O 模塊來增加控制點數(shù)。進行電源模塊選擇時，電源模塊 5V 電壓的額定輸出電流必須大于安裝在基板上的所有模塊所消耗的電流和?；迳弦话阈枰惭b有電源模塊，基板將電源模塊產(chǎn)生的 電壓提供給 CPU、輸入模塊、輸出模塊、運動控制模塊等，同時承擔著在 CPU、 I/O 模塊、運動控制模塊之間進行控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?。在運行過程中， PLC CPU 除了通過輸入接口和輸出接 口 進行信號傳輸外，還可以通過擴展接口接收來自擴展単元的信號，此外，監(jiān)控器、其他 PLC、外部存儲器等還可以通過外部設備接口與 PLC CPU 進行信號傳輸。所以從原理上來說， PLC 是 “ 專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計 ” 的專用計算機，它的結(jié)構(gòu)和組成也具有一般計算機的特點：以中央處理單元為核心，在系統(tǒng)程序的管理下運行。 一般來說，控制系統(tǒng)的硬件設計中，輸入元件的設計較為簡單，而控制中心和執(zhí)行機構(gòu)的設計及型號選取直接影響整個控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。 電磁體：止蓋電磁體、擋瓶電磁體。 控制中心： XG24128 型灌裝機輸入 /輸出信號多，且要求控制速度快而準確，時間延遲盡可能小，控制對象既有開關量也有模擬量，需對 20臺伺服電機和 12 臺步進電機進 行運動控制，且所有執(zhí)行機構(gòu)的運動需協(xié)調(diào)一致，所以控制中心采用 PLC控制系統(tǒng)，這也是工業(yè)控制中常用的控制形式。 圖 24為 XG24128 型灌裝機的工藝流程圖，由工藝流程圖可以看出，灌裝工藝由分為瓶子和瓶蓋兩條分支。 (2)控制中心 控制中心的主要作用是對輸入信號進行存儲、分析、運算或判斷，將工作命令以輸出信號的形式傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。 XG24128型灌裝機控制系統(tǒng)的方案設計 電氣控制系統(tǒng)的組成 上一小節(jié)簡單介紹了 XG24128 型灌裝機的結(jié)構(gòu)部分，主要由進瓶 洗瓶 灌裝 加蓋 出瓶等組件組成，控制系統(tǒng)的作用就是對 開 關、按鈕、傳感器等輸入信號進行分析，從而做出響應來控制各執(zhí)行機構(gòu)完成相應的動作，使整個灌裝過程準確而有序得進行。同時，供蓋機構(gòu)的末端設有電磁體擋蓋機構(gòu)，當傳感器檢測到相應工位無瓶時，擋蓋機構(gòu)作用，使空瓶位相對應的旋蓋頭無蓋，實現(xiàn)無瓶不加蓋。灌裝開 始工位處安裝有有無瓶檢測傳感器，當傳感器檢測到相應工位無瓶時， PLC 發(fā)出指令控制對應的伺服菜不動作，實現(xiàn)無瓶不灌裝。 灌裝組件 灌裝組件由 24 個灌裝頭組成，空瓶進入灌裝組件后運動到灌裝位置時開 始灌裝。 洗瓶組件 主要對空瓶內(nèi)外壁進行清洗。 風道進瓶組件 XG24128 型灌裝機的灌裝對象為 500ml PET 瓶，由于空瓶質(zhì)量較輕，所以進瓶動力由風力提供。該灌裝機結(jié)構(gòu)上主要由風道進瓶組件、清洗組件、灌裝組件、旋蓋組件、出瓶組件五大部分組成，要求對于 500ml 的 PET 瓶可以實現(xiàn)高速穩(wěn)定精確江蘇大學本科畢業(yè)設計 9 灌裝，且實現(xiàn)無瓶不灌裝、無瓶不加蓋及在線清洗等功能。 (4)數(shù)據(jù)處理 PLC 具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以進行邏輯運算，還可以進行復雜的數(shù)學運算，如函數(shù)運算、矩陣運算等功能。并且 PLC 有專門的運動控制中央處理器，可以實現(xiàn)最多對 96軸的運動控制，配合以定位模塊，尤其適合于大型的運動控制系統(tǒng)。用繼電器一接觸器模式實現(xiàn)邏輯控制時，需要使用大量的機械觸頭，從而使得連線多，系統(tǒng)動作時間延遲性大，穩(wěn)定性變差，且維修成本大。 5) 設計、安裝、調(diào)試方便簡單 模塊化設計，且中間繼電器少，大大減少了時間延遲及由于機械觸頭帶來的故障問題，使用性能好，且設計、安裝、維護的工作量也大為減少。 2) 功能多，環(huán)境適應性好 簡單可編程控制器可以實現(xiàn)邏輯運算、計時、計數(shù)和順控等功能，此外，還有各種功能模塊可供選擇，如可進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的 A/D 和 D/A 模塊、用于伺服電機和 步 進電機運動控制的定位模塊及 PLC 之間交換數(shù)據(jù)的通信模塊等，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場不同類型數(shù)據(jù)的控制，可以應用于各類復雜程度不等的控制對象，控制對象可以從一臺生產(chǎn)機械到一個生產(chǎn)過程。一般的 PLC 都有江蘇大學本科畢業(yè)設計 7 上百點內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內(nèi)部繼電器，足可以應付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對 PLC進行編程。另外，在施 工 和設計過程中， PLC 控制也比繼電器控制更為方便省 時。這種控制方式的主要特點是價格低，線路設計簡單，安裝和調(diào)整都相對方便，是簡單機械設備最基本的控制形式 [9]。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 6 PLC 簡介 PLC 的特點 可編程控制器（ Programmable Logic Controller, PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計 [8]。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 5 圖 11旋轉(zhuǎn)型灌裝機 圖 12 直線式灌裝機 按自動化程度分手工灌裝機：灌裝過程全部采用人工操作控制，多為無氣類液料的灌裝。用此類灌裝機進行灌裝時，灌裝容器從灌裝開始工位開始灌裝，同時跟隨 灌裝盤一起轉(zhuǎn)動，主軸旋轉(zhuǎn)一周完成一個灌裝容器的灌裝，灌滿后的灌裝容旋轉(zhuǎn)至下一組件進行下一工序的動作。 等壓灌裝機：灌裝前先向灌裝容器中充氣，使得容器中的氣體 壓力 與儲液缸內(nèi)相同，然后將灌裝介質(zhì)充填到灌裝容器中的設備。常用于灌裝不含氣體的灌裝介質(zhì)，如醋、醬油、藥水類等。根據(jù)灌裝介 質(zhì)的黏度，灌裝的液體介質(zhì)可分為流體（如牛奶、清涼飲料及酒類等低 度液體）、半液體（如調(diào)味醬、果醬等黏度 大，灌裝需借外力的液體）、黏 滯流體（如調(diào)味醬、果醬等黏度大，需借外力才能流動的液體）。）、高灌裝速度（灌裝速度達到 18000BPS 以上）的要求， XG24128 型伺服泵高速清洗灌裝加蓋三合一機采用伺服電機與陶瓷柱塞泵相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，利用伺服 電 機響應速度快，易控制，陶瓷柱塞泵精度高等優(yōu)勢，實現(xiàn)灌裝機的高速和高精度的灌裝，且能實現(xiàn)對各個灌裝泵的單獨控制。 我國灌裝機械近年來向高 自動化程度及高集成性方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)上力求簡單而不影響功能，一臺灌裝機可以同時實現(xiàn)進瓶、清洗、灌裝、加蓋、出瓶、稱量等功能；在控制系統(tǒng)上，從原來的繼電器控制逐漸向 PLC 控制轉(zhuǎn)換；同時為了操作更加方便，觸摸屏越來越多地被使用 [5]。近年來光、磁技術的大量研究成果也越來越多地應用到工業(yè)生產(chǎn)中，灌裝機械 要實現(xiàn)高灌裝速度、高灌裝精度和高自動生產(chǎn)化必將大量使用光、磁、計算機等先進技術。 第三，灌裝環(huán)境適應性好。灌裝效率成為衡量灌裝機械發(fā)展的重要指標，從而使得灌裝機械向規(guī)?；?、高效率方向發(fā)展。國內(nèi) 24 工位的飲料灌裝機，對于 500ml PET瓶灌裝速度為 12020BPH，單個封蓋頭的工作效率為 1500~1800 瓶 /小時，且灌裝的容量誤差較大，與國外產(chǎn)品有較大的差距。 在灌裝機方面，特別是液體灌裝機產(chǎn)品上，國外發(fā)達國家尤其是美國和日 本的灌裝設備精度高 ，灌裝自動化程度 高 ， 且同一型號的灌裝機可以實現(xiàn)不同規(guī)格、不同灌裝介質(zhì)和不同灌裝容 器的灌裝，大大拓寬了包裝機械的使用環(huán)境。包裝工業(yè)的發(fā)展期主要是改革開放之后，隨著我國經(jīng)濟開始迅速發(fā)展，人民的消費水平也大大增強，從而使得生產(chǎn)設備特別是包裝機械的需求變得空前緊缺。 與美國和日本的包裝機械不同，德國的包裝機械在制造技術和包裝性能上有其獨有的優(yōu)勢，特別是啤酒和含氣體飲料的灌裝設備解決了氣泡和遺漏等灌裝難題，實現(xiàn)了高速 灌裝。美國是世界工業(yè)的領頭羊，因其包裝工業(yè)起步較早，發(fā)展至今已有完備的包裝工業(yè)體系。進行人機界面的設計，使 PLC 和觸摸屏 配合使用，充分發(fā)揮觸摸屏的優(yōu)勢使系統(tǒng)操作更方便快捷。 接著，對 XG24128 型灌裝機的關鍵技術 一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設計進行研究。 首先，對 XG24128 型灌裝機進行控制系統(tǒng)方案設計。我國的包裝機械起步 較晚，主要是采用引進一消化的發(fā)展模式，雖能滿足生產(chǎn)需求，但技術含量不高，特別是對光、磁和計算機等先進技術的應用較少，從而使得我國包裝機械的包裝精度和運行穩(wěn)定性同國外設備相比存在著較大差距。美國、日 本等國 的包裝設備正在向高效率、高精度、高自動化程度方向發(fā)展。并對 XG24128 型灌裝機的關鍵技術 一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設計進行研究。根據(jù)灌裝機的設備狀況和工藝要求，確定 PLC 的類型及相關模塊，對 I/O 口進行定義，并對伺服電機、步進電機和其他電器元件進行選型和布置。在對XG24128 型灌裝機控制過程進行分析的基礎上編制相應的程序和系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)其灌裝流程。 全球包裝機械無論是從技術、產(chǎn)品或市場占有情況等諸多 方面比較，美國和日本稱得上是包裝強國，德國和意大利緊隨其后。日本小型和微型電子技術較為成熟，所以其包裝工業(yè)雖然起步 較晚，但在消化他國的技術中，將其擅長的微電子技術應用其中，特別是后來的工業(yè)機器人技術和模塊化技術等的應用，為包裝工業(yè)的發(fā)展提供了更多的空間，至今仍影響著包裝機械的走向。 美國和日 本等發(fā)達工業(yè)國家發(fā)展工業(yè)之時正是我國制造 工業(yè)的低谷，包裝機械與其他工業(yè)產(chǎn)品一樣也是新中國成立之后才開 始起步 的。傳統(tǒng)的灌裝機或灌裝生產(chǎn)江蘇大學本科畢業(yè)設計 2 線對灌裝環(huán)境的要求較高，比如灌裝材料含氣體和不含氣體、常溫灌裝和高溫灌裝、塑料容器和玻璃容器抑或金屬容器等，都有其專用的灌裝生產(chǎn)線，且不能互用。 我國灌裝設備的制造水平與這些國家相比還存在比較大的差距，國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，且很多生產(chǎn)企業(yè)主要還是靠引進國外的 技術和生產(chǎn)線，或在此基礎上對同類產(chǎn)品進行仿造。 研 究觀狀 目前，美國、德