在自动包装流水线中,装箱机是整线系统运行的核心。包装机械虽不是产品直接生产机械,但它却是实现生产自动化所必需的。将一个或多个产品包装到一个个纸箱中,或与透明膜三维包装机等机械配套联动生产,以便产品的运输和存放。当前,国内已有越来越多的厂家使用自动装箱设备对产品进行装箱,已广泛应用于烟草、制药、粮油、食品加工、饮料、果品等的包装生产线上。

目前,大部分的装箱机都采用普通异步机和变频器或步进电机的作为传动,但是它们在响应速度和定位精度上与伺服相比有不小的差距,因此设备的性能方面也相差很大,在客户在设计新型装箱机时主动找到了北京和利时电机技术有限公司,希望公司能够提供与之相配套的“森创”交流伺服系统。

1. 挑战

装箱通常是包装线的最后一个关键环节,结构紧凑、操作简便、自动化程度高的装箱机,能大大提高装箱的质量及速度。评判一个装箱机的性能主要参考以下三个方面:

1 机械结构:产品的收集、整理、集束排列是装箱机的关键,需要设备合理的布局、连接,易于维护。

2 自动控制:控制系统是所有功能正常运行的保证,也是对故障和出现意外时的自动保护。

3 生产速度:能否达到生产要求。

而作为装箱机设备各装置传动的电机,就是设备能否精确、高效、稳定的运行的关键。虽然不同装置的电机传动是由同一个上位机(通常是进口PLC)进行协调控制,但是而它们之间的速度和位置精度使用要求大不相同,并且希望能够用相对简单的方式实现对电机速度和位置的控制,要求具有及时全面的故障报警功能。这就要求伺服系统除具有相应故障报警信号输出外,还需要满足高速响应、高精度定位的要求。

2. 方案

一台自动装箱机,包括:皮带输送装置、分离装置、整列装置、间隙输送填充装置、成箱打包装置,各装置都安装在同一主机架上。

皮带输送装置一端与上道工序相连,依次是分离装置、整列装置、间隙输送填充装置、成箱打包装置,每一部件均单独动力驱动,能单独运转、调试。皮带输送装置速度恒定,成箱打包装置速度位置要求不高因此可以用变频器控制；分离装置要求高速响应起停控制,没有位置要求,因此考虑用伺服的速度控制方式运行；整列装置速度要求不是很高,但要求位置精确,受负载扰动小,综合成本等原因考虑用三项步进电机控制；间隙输送装置对位置要求精度高,速度也相应要高,因此必须用伺服电机。再辅以HMI、PLC、各种光电传感器、气缸、电磁阀等元器件,装箱机控制部分的架构基本完成。

3. 难点

对于分离装置而言,需要通过皮带传送速度的快慢变化达到分离待包装物的目的。单纯追求起停的加速度,会使设备工作在不稳定状态,因此需要伺服在克服负载的刚性和惯性变化的同时,仍然保持优良的高速响应特性。

间隙输送填充装置的位置精度、速度要求也比较高,但是当采用位置方式控制时,发现间隙输送填充装置的重复定位精度不高,即使从将伺服电机的编码器信号引入 PLC从而形成全闭环系统仍然无法提高重复定位精度,这是因为定位精度主要取决于间隙输送填充装置的机械加工精度。

上述两个装置的控制方式基本相同。得益于“森创”交流伺服系统多样、独特的内部速度控制方式,选择其中“单段起停控制方式”,辅以传感器作为位置检测开关,当传感器产生信号时,伺服按照设定的参数减速至“0”,而启动时由PLC给出信号,伺服按照设定的参数加速至设定值。电机转速等相关参数均可通过驱动器面板的按钮以数字方式写入,设备一次调试完成后不需要再次输入。采用“单段起停控制方式”,既避免了间隙的标志间隔不同导致系统定位的差别,又避免了驱动器的输入信号的干扰隐患,大大提高了设备的精确性和稳定性。通过外部简单的两点I/O控制就实现了电机的定位与调速,满足了设备的使用要求。具有运转时间保护功能并且时间可调,也就是如果收到启动指令后在设定的时间内收不到传感器或PLC发来的停止信号,驱动就报警保护,这种保护可以复位。一旦待包装物检测故障,或者是传感器坏了等原因,驱动本身就会保护报警。这些功能使客户感到非常方便。虽然该设备对伺服的使用比较简单,但是对伺服的性能要求较高,公司的技术人员可根据设备的不同规格和需要,对伺服系统进行相应的调整,这也反映出了北京和利时电机技术有限公司作为拥有自己核心开发技术的公司的一种优势所在。

4. 效益

经过与客户的不懈的努力和积极配合,新设计的装箱机可以完成物品的输送积累、分离、整齐排列、自动成箱等一系列全自动的动作。新型装箱机结构合理,性能可靠,装箱质量好,操作简便,能准确高效地进行块状物料的装箱作业。我们有理由相信,在生产设备的自动化程度及生产效率提高就可使产品生产赢得时间赢得市场的今天,采用伺服系统作为主要传动手段的高性能全自动装箱机有着更为广阔的舞台。