1 引言
熱收縮膜包裝形式有經濟、安全可靠、便于區域運輸銷售等優勢，被國內飲料行業普遍采用。但由于啤酒生產使用的玻璃瓶及瓶身碰撞易損，熱收縮膜包裝形式的局限性不能完全解決啤酒及其他玻璃瓶包裝行業的需求。因此，紙箱包裝是啤酒、飲料的高規格、高檔次的包裝，解決了長途運輸的問題，彌補了熱收縮膜包裝的缺陷，兩者互補，是啤酒、飲料包裝不可缺的兩種包裝形式之一。我國紙箱包裝機長時間處于35箱／min的包裝能力，僅能滿足2萬瓶／h啤酒、飲料包裝生產線的需求。通過市場調研，在現有裝箱機技術的基礎上，進行技術改進，吸收國內外裝箱機的優點，成功地開發出60箱／min全自動紙箱包裝機，解決了啤酒、飲料4萬瓶裝箱的需要。
2 紙包裝機的技術結構和工作原理
2.1控制系統的組成
科時敏e-STARR60紙箱包機采用B&R(貝加萊)控制系統，PLC為CP476通過CAN現場總線與所有伺服驅動通訊，面板采用PP451，并通過CAN連接EX470進行遠程IO擴展?！ ?/p>
上位界面PP451的以太網地址號為01；3IF771.9通訊卡的CAN現在總線地址號為09；推瓶伺服驅動器的CAN現場總線地址號為01；分瓶1伺服驅動器的CAN現場總線地址號為02；分瓶2伺服驅動器的CAN現場總線地址號為03；出口伺服驅動器的CAN現場總線地址號為04；吸紙板服驅動器的CAN現場總線地址號為05；EX470總線控制器CAN現場總線地址號為C6；
各設備所對應CAN現場總線號必須絕對正確，否則系統不能正常運行。正常情況下，系統在上電后，IF771的CAN通訊指示燈會快速閃爍，各伺服驅動器的AC110通訊卡上的兩個通訊指示燈保持常亮，否則通訊不正常。
2.2全自動高速紙箱包裝機的組成及工作原理
全自動高速紙箱包裝機主要由紙板供給、瓶輸送、取紙箱板、分瓶、紙箱板傳送、推瓶、紙箱折疊成型、噴膠、封箱粘合等組成。紙箱板供給由紙箱板儲存庫、紙箱板等待工位、紙箱板水平輸送、紙箱板供給主托叉、紙箱板供給副托叉、檢測開關等組成。主要完成對包裝機的紙箱板供應，適應于高速包裝機紙箱板供應不能間斷的需求，使得紙箱板供應更加暢順。瓶輸送分兩部分，一部分是由變頻調速控制電機運行速度，將包裝線上的瓶按照要求有規律的進行輸送，缺瓶檢測保證瓶的連續供給，提供給包裝機；一部分是由主驅動通過機械傳送．按照主機運行節奏進行輸瓶。取紙板是由伺服電機驅動，以從動的方式與主驅動同步運行，帶有兩組吸盤，兩組吸盤交替取紙板，達到了高速取紙板的功效，可以實現60箱／min的紙板供給。分瓶由1號分瓶伺服電機和2號分瓶伺服電機及主驅動電機完成控制，將瓶子有規律的分成3×4一組。紙板傳送是將取到的紙板通過若干個工位傳送到上瓶處，動力由主驅動提供，缺紙板和雙層紙板的檢測用以保證紙板的正常供給。推瓶機構的作用是分瓶后的整理，通過推瓶桿進行推瓶，瓶通過無動力過度板時，將瓶排列緊密，提高包裝質量。紙箱折疊成型、噴膠、封箱粘合完成啤酒、飲料的包裝，根據紙箱的結構，確定噴膠的位置，封箱粘合的適度調整，確保封箱的質量。紙包機工作流程見圖2。
3 紙包裝機的控制系統
3.1主控制器
主要包括模擬量控制、光源控制、傳感器控制、定位控制、傳動控制、氣動控制、工藝過程、工藝參數、運行故障、安全防護、產品質量等控制。采用可編程邏輯控制器及輔助系統來實現控制的準確性和實時性。
3.2多電機拖動的同步技術與伺服傳動技術
包裝物品由主傳動系統傳送，各種包裝輔助材料由供送系統傳送，它們之間的動作必須協調配合，控制上嚴格保持一致。采用多電機拖動的同步技術利用伺服傳動技術代替常規傳動部件，使包裝機具有執行、反饋、自適應等功能。多電機伺服系統采用PLC控制，機器各工位的檢測由外圍各工位的接近開關來完成，實現無觸點信號輸入和系統的光、機、電和氣動裝置的協調動作。通過調整分瓶器及調整噴膠、封箱、整型氣缸位置，可以改變包裝規格。
3.3操作系統設計
變頻控制技術與人機界面技術的聯合應用，使包裝機械在自動、手動、調試等工作方式時，控制設備在不同的速度下運行。變頻器配備通信模塊，通過RS-485接口可在操作站的人機界面上顯示和設定主驅動參數。操作屏作為PLC的接口，能進行與檢測有關參數的設置，能顯示常用數據，操作方便，界面簡潔。
4 控制系統方案
高速紙箱包裝機的控制系統主要由運動控制器EX470、PP451人機界面、檢測元件、執行元件、伺服驅動器、伺服電機等組成。運動控制器EX470通過CANbus總線控制伺服驅動器，對伺服電機實施控制。通過CAN總線對運行參數進行設置和控制。
機器運行位置的檢測和包裝周期設定在伺服控制中。伺服電機裝有旋轉編碼器，根據旋轉編碼器的反饋信號，伺服控制器對伺服電機進行閉環控制。旋轉編碼器選擇是增量型編碼器，它產生頻率與電機轉速成正比的電脈沖信號，伺服控制器對脈沖計數，依此對伺服電機進行控制。通過編碼器的專用接口。將數據傳送到EX470，其數據數值表明機器的運行位置。在包裝過程中，推瓶桿推出一組瓶完成一個包裝，在推瓶桿經過處安裝一個檢測開關，利用它對EX470記錄的編碼器數據進行復位。此數據的周期性變化，EX470中的數據表明包裝周期內的位置數據。在每一個包裝周期內，取紙板、放紙板、分瓶等動作數據與EX470中的數據有一一對應的關系，根據一一對應的數據對機器的每一個動作進行控制。
4.1分瓶電機的控制
分瓶驅動是分瓶電機驅動兩組擋瓶爪。在紙箱包裝機中，包裝段的瓶傳送通過主驅動電機實現。分瓶是將排列緊密的瓶分成3×4或其它組合的瓶組。兩個分瓶電機的傳送鏈上，分別裝有等距離的兩組擋瓶爪，兩個電機快慢交替運行。將排列整齊的瓶分成3×4瓶組。通過主驅電機傳送到下一個工位。
分瓶電機的控制。兩分瓶電機有規律的交替快慢運行。特點是以主驅動電機脈沖數作為同步信號(X方向)，分瓶電機自身的脈沖數(Y方向)，按照設定的運動曲線進行運行，即只有在主電機運行的情況下，分瓶電機作為從電機按照特定的曲線同步運行。
分瓶電機同步位參數的設定決定了分瓶電機按照一定的規律運行，運行的起始位和停止位就要有一個參考位，此設定可在人機界面PP451上設定。相對于某一個參考點的位置，產品不同，包裝形式不同，其參考位不同，電機切換點不同。
4.2紙箱板供給系統
紙箱板供給系統主要由紙箱板水平供給和紙箱板垂直供給兩部分組成。
紙箱板水平供給。水平紙箱板供給由水平供給電機驅動，通過檢測供箱板輸送鏈的狀態，控制電機。將箱板從初始堆放處，輸送到箱板等待工位。當副托叉托住紙箱板，主托叉下降到初始位，控制電機將等待工位的紙箱板輸送到垂直工位，完成一個水平供紙箱板的過程。
紙箱板垂直供給。垂直紙箱板供給由垂直供給電機驅動，一臺電機驅動主托叉，另一臺電機驅動副托叉。垂直紙箱板供給主要由電機驅動主托叉供給紙箱板．當紙箱板供應減少到一定的數量時，由副托叉托住剩余紙箱板，主托叉下降等待紙箱板，當紙箱板托起到位后。抽出副托叉由主托叉正常供給，完成一組紙箱板的補充。如此可保持紙箱板的供給不間斷，達到高速度包裝的紙箱板供給。
4.3取紙箱板系統的組成和控制
取紙箱板系統的組成。取紙箱板系統由驅動軸、同步齒型帶、被動軸組成。同步齒型帶安裝兩組吸盤，伺服電機與主驅動電機同步往返運行，以達到高速取紙箱板的效果。
取紙箱板系統的控制核心是對伺服電機的控制。伺服電機驅動同步齒型帶，同步齒型帶上安裝兩組吸盤，進行取紙板。伺服電機正轉運行，第l組吸盤到達放紙板位置時，釋放紙箱板，同時第2組吸盤動作，當到達吸紙箱板位置時吸紙箱板，取紙箱板完成了一個取紙箱板周期。伺服電機反轉，第2組吸盤到達放紙板位置時，釋放紙箱板，同時第1組吸盤到達吸紙箱板位置吸紙箱板，取紙箱板完成了下一個取紙箱板周期。
5 結語
伺服控制系統的應用使控制更加精準；系統更加完善、靈活、穩定可靠。使用伺服電機不僅減少了機械沖擊對設備的損害，而且大大降低了使用傳統控制方式的設備故障率。
此項目已在科時敏包裝設備有限公司生產的紙包裝機廣泛應用，生產的紙箱包裝機出口歐美及東南亞等地區和國家。
參考文獻
