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在自動包裝流水線中,裝箱機是整線系統運行的核心。包裝機械雖不是產品直接生產機械,但它卻是實現生產自動化所必需的。將一個或多個產品包裝到一個個紙箱中,或與透明膜三維包裝機等機械配套聯動生產,以便產品的運輸和存放。當前,國內已有越來越多的廠家使用自動裝箱設備對產品進行裝箱,已廣泛應用于煙草、制藥、糧油、食品加工、飲料、果品等的包裝生產線上。

目前,大部分的裝箱機都采用普通異步機和變頻器或步進電機的作為傳動,但是它們在響應速度和定位精度上與伺服相比有不小的差距,因此設備的性能方面也相差很大,在客戶在設計新型裝箱機時主動找到了北京和利時電機技術有限公司,希望公司能夠提供與之相配套的“森創”交流伺服系統。

1. 挑戰

裝箱通常是包裝線的最后一個關鍵環節,結構緊湊、操作簡便、自動化程度高的裝箱機,能大大提高裝箱的質量及速度。評判一個裝箱機的性能主要參考以下三個方面:

1 機械結構:產品的收集、整理、集束排列是裝箱機的關鍵,需要設備合理的布局、連接,易于維護。

2 自動控制:控制系統是所有功能正常運行的保證,也是對故障和出現意外時的自動保護。

3 生產速度:能否達到生產要求。

而作為裝箱機設備各裝置傳動的電機,就是設備能否精確、高效、穩定的運行的關鍵。雖然不同裝置的電機傳動是由同一個上位機(通常是進口PLC)進行協調控制,但是而它們之間的速度和位置精度使用要求大不相同,并且希望能夠用相對簡單的方式實現對電機速度和位置的控制,要求具有及時全面的故障報警功能。這就要求伺服系統除具有相應故障報警信號輸出外,還需要滿足高速響應、高精度定位的要求。

2. 方案

一臺自動裝箱機,包括:皮帶輸送裝置、分離裝置、整列裝置、間隙輸送填充裝置、成箱打包裝置,各裝置都安裝在同一主機架上。

皮帶輸送裝置一端與上道工序相連,依次是分離裝置、整列裝置、間隙輸送填充裝置、成箱打包裝置,每一部件均單獨動力驅動,能單獨運轉、調試。皮帶輸送裝置速度恒定,成箱打包裝置速度位置要求不高因此可以用變頻器控制；分離裝置要求高速響應起停控制,沒有位置要求,因此考慮用伺服的速度控制方式運行；整列裝置速度要求不是很高,但要求位置精確,受負載擾動小,綜合成本等原因考慮用三項步進電機控制；間隙輸送裝置對位置要求精度高,速度也相應要高,因此必須用伺服電機。再輔以HMI、PLC、各種光電傳感器、氣缸、電磁閥等元器件,裝箱機控制部分的架構基本完成。

3. 難點

對于分離裝置而言,需要通過皮帶傳送速度的快慢變化達到分離待包裝物的目的。單純追求起停的加速度,會使設備工作在不穩定狀態,因此需要伺服在克服負載的剛性和慣性變化的同時,仍然保持優良的高速響應特性。

間隙輸送填充裝置的位置精度、速度要求也比較高,但是當采用位置方式控制時,發現間隙輸送填充裝置的重復定位精度不高,即使從將伺服電機的編碼器信號引入 PLC從而形成全閉環系統仍然無法提高重復定位精度,這是因為定位精度主要取決于間隙輸送填充裝置的機械加工精度。

上述兩個裝置的控制方式基本相同。得益于“森創”交流伺服系統多樣、獨特的內部速度控制方式,選擇其中“單段起停控制方式”,輔以傳感器作為位置檢測開關,當傳感器產生信號時,伺服按照設定的參數減速至“0”,而啟動時由PLC給出信號,伺服按照設定的參數加速至設定值。電機轉速等相關參數均可通過驅動器面板的按鈕以數字方式寫入,設備一次調試完成后不需要再次輸入。采用“單段起停控制方式”,既避免了間隙的標志間隔不同導致系統定位的差別,又避免了驅動器的輸入信號的干擾隱患,大大提高了設備的精確性和穩定性。通過外部簡單的兩點I/O控制就實現了電機的定位與調速,滿足了設備的使用要求。具有運轉時間保護功能并且時間可調,也就是如果收到啟動指令后在設定的時間內收不到傳感器或PLC發來的停止信號,驅動就報警保護,這種保護可以復位。一旦待包裝物檢測故障,或者是傳感器壞了等原因,驅動本身就會保護報警。這些功能使客戶感到非常方便。雖然該設備對伺服的使用比較簡單,但是對伺服的性能要求較高,公司的技術人員可根據設備的不同規格和需要,對伺服系統進行相應的調整,這也反映出了北京和利時電機技術有限公司作為擁有自己核心開發技術的公司的一種優勢所在。

4. 效益

經過與客戶的不懈的努力和積極配合,新設計的裝箱機可以完成物品的輸送積累、分離、整齊排列、自動成箱等一系列全自動的動作。新型裝箱機結構合理,性能可靠,裝箱質量好,操作簡便,能準確高效地進行塊狀物料的裝箱作業。我們有理由相信,在生產設備的自動化程度及生產效率提高就可使產品生產贏得時間贏得市場的今天,采用伺服系統作為主要傳動手段的高性能全自動裝箱機有著更為廣闊的舞臺。