【正文】 The machineryfills the 500ml pet bottle at a speed of 18000BPH, the efficiency of single tip sealinglid can reach 20212200 bottle/hour, and the blunder of filling capability isn39。 全球包裝機(jī)械無(wú)論是從技術(shù)、產(chǎn)品或市場(chǎng)占有情況等諸多 方面比較，美國(guó)和日本稱得上是包裝強(qiáng)國(guó)，德國(guó)和意大利緊隨其后。其包裝設(shè)備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱，而且由于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)比其他國(guó)領(lǐng)先，且計(jì)算機(jī)在工業(yè)中的使用和普及比其他國(guó)家都早，所以計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包裝機(jī)械中，較早地形成了機(jī)電一體化控制模式 [2]。日本小型和微型電子技術(shù)較為成熟，所以其包裝工業(yè)雖然起步 較晚，但在消化他國(guó)的技術(shù)中，將其擅長(zhǎng)的微電子技術(shù)應(yīng)用其中，特別是后來(lái)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和模塊化技術(shù)等的應(yīng)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(jī)械的走向。德國(guó)包裝機(jī)械的另一特點(diǎn)是率先實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)械的成套性，中大型包裝設(shè)備可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝容器的預(yù)處理、稱重、包裝、封口等多個(gè)工序 [3]。 美國(guó)和日 本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家發(fā)展工業(yè)之時(shí)正是我國(guó)制造 工業(yè)的低谷，包裝機(jī)械與其他工業(yè)產(chǎn)品一樣也是新中國(guó)成立之后才開(kāi) 始起步 的。此時(shí)為了提 高我國(guó)包裝工業(yè)的技術(shù)水平，大量進(jìn)口國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)線，消化吸收并進(jìn)行改良，發(fā)展自己的包裝工業(yè) [3][4]。傳統(tǒng)的灌裝機(jī)或灌裝生產(chǎn)江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 線對(duì)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。除此之外，近年來(lái)美國(guó)和日 本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的灌裝機(jī)在灌裝速度上也有很大提升， Krones 公司生產(chǎn)的灌裝機(jī)灌裝頭的數(shù)量已可達(dá) 178 頭，灌裝機(jī)直徑大至 5米，且可以實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)直徑增大轉(zhuǎn)速提升的情況下保證灌裝容器的穩(wěn)定性[2]。 我國(guó)灌裝設(shè)備的制造水平與這些國(guó)家相比還存在比較大的差距，國(guó)內(nèi)灌裝機(jī)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(jìn)國(guó)外的 技術(shù)和生產(chǎn)線，或在此基礎(chǔ)上對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行仿造。本課題研究目的和意義是對(duì)集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī) XG24128進(jìn)行控制系統(tǒng)研究，使其對(duì) 500 ml PET 瓶灌裝速度可達(dá) 18000BPH 以上，單個(gè)旋蓋頭的工作效率可達(dá) 20212200 瓶 /小時(shí)。 研 究觀狀 目前，美國(guó)、德國(guó)和意大利等國(guó)的灌裝設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平相對(duì)較高，灌裝產(chǎn)品也呈現(xiàn)以下幾個(gè)方面的動(dòng)向 [4]： 第一，灌裝速度提高。許多大 型 企業(yè)著力于研究如何通過(guò)最大限度地增加灌裝頭的數(shù)量，或加快灌裝輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速，或提高不同灌裝介質(zhì)的最大灌裝速度，或改善灌裝 閥 的結(jié)構(gòu)等方法來(lái)提高灌裝效率。力在改變傳統(tǒng)灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜，中間傳動(dòng)元件多傳動(dòng)精度降低，操作專業(yè)性 高且維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，最大程度地減少灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)零部件，降低制造成本，使得保證其生產(chǎn)的穩(wěn)定性的同時(shí)使操作簡(jiǎn)單易學(xué)。同一臺(tái)灌裝機(jī)可以對(duì)不同灌裝介質(zhì)進(jìn)行灌裝，可對(duì)不同類型、不同大小的灌裝容器進(jìn)行灌裝；當(dāng)灌裝環(huán)境改變時(shí)，重要零部件的更換和維修方便簡(jiǎn)江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 單，零件的通用性增強(qiáng)。電氣控制技術(shù)已成熟應(yīng)用于灌裝機(jī)械中，特別是 PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用，人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)操作交互，故障自我診斷，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的高效智能。 我國(guó)灌裝機(jī)械的發(fā)展與美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比雖然還有很大差距，但是近年來(lái)由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，更多地包裝產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生活，從而需要更多的包裝機(jī)械對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)，所以包 裝機(jī)械發(fā)展空間越來(lái)越大。同時(shí)，由于我國(guó)在光、電、磁及計(jì)算機(jī)應(yīng)用上的研究與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在不小的差距，這也使得我國(guó)灌裝機(jī)械在技術(shù)上的發(fā)展受到制約。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)和高校對(duì)灌裝機(jī)的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對(duì)一藥品灌裝機(jī)采用全伺服 PLC 控制系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機(jī)稱量系統(tǒng)，使得灌裝自動(dòng)化程度高，灌裝質(zhì)量好，且實(shí)現(xiàn)灌裝精度的隨時(shí)檢測(cè)。為了滿足高精度（灌裝容量誤差不大于 3%。同時(shí)為了節(jié)約成本，采用一個(gè)伺服泵同時(shí)控制兩個(gè)灌裝頭并實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計(jì)，提高灌裝速度。 液體灌裝中，對(duì)灌裝精度和穩(wěn)定性影響最大的是灌裝介質(zhì)的黏度，其次是是否含有氣江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 體，是否會(huì)起泡及是否含微小固體物及其含量等。根據(jù)灌裝介質(zhì)中是否含氣體或是否會(huì)生成氣體可將灌裝介質(zhì)分為：硬飲料（含酒精成分的含氣飲料）、軟飲料（不含酒精成分的含氣飲料）、不含氣體液體（如白酒和醋等）。 灌裝機(jī)的分類 按灌裝方法分類 [6][7] 常壓灌裝機(jī)：顧名思義，是在常壓下將灌裝介質(zhì)灌裝到容器中所用的設(shè)備。 負(fù)壓灌裝機(jī)：灌裝前先對(duì)灌裝容器抽真空使其形成負(fù)壓，然后再將灌裝介質(zhì)充填其中。但不適合于灌裝含芳香性的酒類，因?yàn)闀?huì)增加 酒香氣的損失。主 要 用于含氣體的灌裝介質(zhì)的灌裝設(shè)備，可減少氣體的損失。 按包裝容器的主要運(yùn)動(dòng)形式分類 旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)：灌裝機(jī)的各個(gè)組成部分均為轉(zhuǎn)盤(pán)式，按相同的線速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得灌裝容器在各個(gè)灌裝盤(pán)之間運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的實(shí)物圖如圖 11所示。直線型灌裝機(jī)實(shí)物圖如圖 12所示，直線式灌裝機(jī)應(yīng)用較早，灌裝技術(shù)較為成熟，但直線式比旋轉(zhuǎn)式的空間利用率小，而且灌裝時(shí)是靜止的，其灌裝效率受到一定影響，一般用于藥品的灌裝，正逐漸被旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)替代。但目前較少使用。自動(dòng)化灌裝機(jī)：早期的自動(dòng)化灌裝機(jī)功能單一，一般只完成一個(gè)工序；近年來(lái)自動(dòng)化 灌裝機(jī)功能越來(lái)越多，可實(shí)現(xiàn)洗瓶、灌裝、封口等多個(gè)工序，適合用于大型的流水灌裝線上。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制器、計(jì)數(shù)、定時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或自動(dòng)化設(shè)備以及生產(chǎn)過(guò)程。這種控制模式常采用繼電器與接觸器結(jié)合使用的控制方式，由各類有觸頭的電氣元件組成，通過(guò)觸頭的閉合或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)控制、制動(dòng)和調(diào)速控制。 近年來(lái)， PLC 以其獨(dú)有的特點(diǎn)迅速發(fā)展起來(lái)，越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，與繼電器模式相比， PLC 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)在應(yīng)用方面， PLC 采用了微處理機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、通信、 數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，并具有極強(qiáng)的柔性；而繼電器的應(yīng)用范圍有限，對(duì)小型問(wèn)題的解決往往連線復(fù)雜，使得控制柜龐大，可靠性降低，不具有柔性。 3) 在可維護(hù)性上，繼電器控制模式是依靠電氣元件的機(jī)械觸頭動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的功能，控制中使用的所有電氣元件都要進(jìn)行接線，這就使得安裝變得相對(duì)較麻煩，而且出現(xiàn)故障時(shí)也不好找出故障根源，使系統(tǒng)維修和保養(yǎng)起 來(lái)相對(duì)費(fèi)時(shí)； PLC 控制中大量的繼電器功能都是 由 系統(tǒng)軟元件或內(nèi)部繼電器來(lái)完成的，因此相對(duì)繼電器模塊來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性有很大提高。 灌裝機(jī)作為包裝機(jī)械的重要組成部分，最大的特點(diǎn)就是動(dòng)作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件 [9]。從物理介質(zhì)方面來(lái)講前者是要用具體的電氣元件來(lái)組合，而后者只是用到 PLC 的內(nèi)部寄存器，在 PLC編程容量 許可的范圍內(nèi)，可以不花費(fèi)額外的費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制。除此之外， PLC 相對(duì)于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點(diǎn) [8][10]: 1) 易操作且共用性好 PLC 技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展已日趨成熟，其產(chǎn)品也從原來(lái)的整機(jī)式向模塊式發(fā)展，并且產(chǎn)品品種多，種類齊全。硬件配置確定以后，通過(guò)修改用戶程序可以快速改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。用戶根據(jù)自己的需求確定硬件配置后就可以組成所需的控制系統(tǒng)。 4) 編程易學(xué)易懂 可編程控制器采用梯形圖形式進(jìn)行編程，易學(xué)易懂，對(duì)參與人員的專業(yè)水平要求不高，可操作性強(qiáng)，用戶能方便的讀取程序并對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)和修改。 6) 封裝性好、能耗不高 體積小，封裝性好，結(jié)構(gòu)更為緊湊、堅(jiān)固，重量輕，功耗相對(duì)于其他控制系統(tǒng)而言大為降低，是電氣控制系統(tǒng)的首 選產(chǎn)品。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 (1)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 不同的控制系統(tǒng)雖然控制方式不同，但都能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。用 PLC 取代繼電器，可以采用系統(tǒng)軟元件來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 (2)運(yùn)動(dòng)控制 PLC 有專門(mén)的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如 QD70 系列，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，控制精度高，響應(yīng)速度快。 (3)閉環(huán)過(guò)程控制 閉環(huán)過(guò)程控制與邏輯控制相對(duì)，它主要是對(duì)模擬量進(jìn)行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。閉環(huán)過(guò)程控制現(xiàn)己廣泛應(yīng)用到中、大型 PLC 控制中，過(guò)程控制廣泛應(yīng)用于熱處理爐、壓力灌裝機(jī)械、塑料成型設(shè)備等。此外， PLC 如一般計(jì)算機(jī)一樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取? 第 2 章 XG24128 型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) XG24128 型灌裝機(jī)的工藝要求 課題研究的是伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機(jī)，為 24 頭旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)，主要灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料。 課題研究的 24頭旋轉(zhuǎn)型伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機(jī)型號(hào)為 XG24128，下述中均以 XG24128 代表此灌裝機(jī)，它的主要技術(shù)要求為： (1) 灌裝速度從 12021 瓶 /h 提高到 18000 瓶 /h 以上； (2) 灌裝對(duì)象為 500ml 的 PET 瓶，灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料 ； (3) 灌裝的容量誤差《 3%。 XG24128 型灌裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu) 論文所研究的 XG24128 型灌裝機(jī)三維示意圖（灌裝組件隱藏了防塵罩）如 圖 21所示，結(jié)構(gòu)部分主要分為風(fēng)道進(jìn)瓶組件、清洗組件、灌裝組件、加蓋組件、 出瓶組件等部分組成，結(jié)構(gòu)圖如閣 22所示，各組件及其作用如下： 11 圖 21灌裝機(jī)三維示意圖江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 22灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1— 機(jī)箱組件； 2— 風(fēng)道進(jìn)瓶組件； 3— 過(guò)渡 盤(pán) Ⅰ ； 4一洗瓶組件； 5— 過(guò)渡盤(pán) Ⅱ ； 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 6— 灌裝組件； 7— 過(guò)渡盤(pán) Ⅲ ； 8— 供蓋組件； 9 一加蓋組件； 10— 出瓶組件 機(jī)箱組件 機(jī)箱組件的主要作用是固定和支撐其他組件、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)，保證其具有正確的相對(duì)位置及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，從而使整個(gè)灌裝系統(tǒng)正常工作 [11]。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺旋位置，使其在風(fēng)力作用下沿刮瓶板向下一組件移動(dòng)。 過(guò)渡盤(pán) I 空瓶由風(fēng)道進(jìn)瓶組件進(jìn)入洗瓶組件的過(guò)渡盤(pán)?？掌繌倪^(guò)渡盤(pán) I 進(jìn)入洗瓶組件后沿空間曲線導(dǎo)軌先旋轉(zhuǎn)180 度垂直倒置瓶口向下，清潔水由分水 盤(pán)流經(jīng)管道，經(jīng)過(guò)噴頭高速噴出沖洗瓶子內(nèi)壁后沿內(nèi)壁流出；同時(shí)，清洗區(qū)的外噴頭噴水清潔瓶子外壁。 過(guò)渡盤(pán) II 空瓶由清洗組件進(jìn)入灌裝組件的過(guò)渡盤(pán)。灌裝采用跟蹤灌裝模式，灌裝頭與液面始終保持一定距離，既可提高灌裝速度，又可減少氣泡和飛濺。灌裝組件的 24個(gè)灌裝頭山 12 套伺服泵控制，每套伺服泵控制沿 180 度直線分布的兩個(gè)灌裝頭，每套伺服泵都配備有一套由 步 進(jìn)電機(jī)控制的換向機(jī)構(gòu)，用于控制陶瓷泵在三個(gè)液口之間轉(zhuǎn)換。灌裝組件安裝有灌裝主電機(jī)，同時(shí)也是整個(gè)灌裝機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)其他組件旋轉(zhuǎn)，使瓶子從進(jìn)瓶組件完成整個(gè)灌裝流程由出瓶組件出瓶。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 供蓋機(jī)構(gòu) 供蓋機(jī)構(gòu)的作 用是向加蓋系統(tǒng)提供瓶蓋，并且保證在供蓋機(jī)構(gòu)的作用下，瓶蓋進(jìn)入旋蓋頭時(shí)開(kāi)口向下，以便于旋蓋。 加蓋組件 灌滿液體的瓶子經(jīng)由過(guò)渡盤(pán) III 進(jìn)入加蓋組件，在旋蓋頭的作用下將瓶蓋旋緊，完成加蓋。 出瓶組件 灌滿并加蓋完成以后的瓶子在導(dǎo)瓶盤(pán)作用下進(jìn)入出瓶組件，由 3 個(gè)后 輸送電機(jī)帶動(dòng)，在出瓶口出瓶，完成整個(gè)灌裝流程。圖 23為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖。常用的輸入元件有主令電 器（按鈕開(kāi) 關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等）、各類傳感器（位置傳感器、壓力傳感器等）、編碼器（反映物體的相對(duì)或絕對(duì)運(yùn)動(dòng)距離）等。常用的控制中心部件有可編程控制器 (PLC)和繼電器。 XG24128 型灌裝機(jī)的工藝流程 工藝流程是控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)依托機(jī)械部分要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，不同的工藝流程，其控制方案也不同?？掌吭陲L(fēng)力作用下進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)瓶組件后，經(jīng)由過(guò)渡盤(pán) I進(jìn)入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內(nèi)外壁的清潔后進(jìn)入灌裝組件進(jìn)行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過(guò)渡盤(pán) III 帶動(dòng)下進(jìn)入加蓋組件；與此同時(shí)，瓶蓋在供蓋機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)入加蓋組件，對(duì)灌滿后的瓶子完成加蓋動(dòng)作后，在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下出瓶，完成整個(gè)灌裝流程。 XG24128 型灌裝機(jī)的控制方案 根據(jù) XG24128 型灌裝機(jī)的工藝要求，對(duì)照其灌裝的工藝流程，依據(jù)一般電氣系統(tǒng)的組成確定控制系統(tǒng)各部分如下： 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 輸入元件：按鈕開(kāi) 關(guān)（控制復(fù)位、啟動(dòng)、停止、清洗、急停）、傳感器（有瓶灌裝檢測(cè)、有瓶放蓋檢測(cè)、缺蓋檢測(cè)、無(wú)蓋檢測(cè)、極限位置檢測(cè)、出瓶堵瓶檢測(cè)、灌裝完成檢測(cè)等）、變頻器、編碼器。 執(zhí)行元件：伺服電機(jī)：共有 20 套伺服系統(tǒng)（伺服馬達(dá) +伺服驅(qū)動(dòng)器），其中 12 臺(tái)伺服電 機(jī)與 12套陶瓷泵相連，在 PLC 系統(tǒng)的控制下帶動(dòng)陶瓷泵準(zhǔn)確完成吸液及灌液動(dòng)作；其余 8臺(tái)伺服電機(jī)與 8套旋蓋頭相接，為旋蓋頭完成旋蓋動(dòng)作提供動(dòng)力。 電動(dòng)機(jī)：共有 13 套，分別是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)主電機(jī)即灌裝主電機(jī)（ 1套）、出瓶輸送電機(jī)（ 1套）、上蓋風(fēng)機(jī)（ 1套 ）、后輸送電機(jī)（ 4 套）、沖冼泵電機(jī)（ 1