摘要：一次性杯、碗、盤(pán)、碟等塑料包裝制品正廣泛應(yīng)用于飲料、食品、蔬菜、水果以及工業(yè)制品領(lǐng)域。隨著需求的不斷增長(zhǎng)，各種包裝制品用量逐年增加，同時(shí)對(duì)其生產(chǎn)設(shè)備的需求日益提高，吸塑成型機(jī)市場(chǎng)前景看好。

　　關(guān)鍵字：熱成型機(jī) 包裝制品 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 矩陣式加熱 定位曲線 運(yùn)動(dòng)控制 力矩限幅 PackML 功能模板

　　1 前言

　　隨著技術(shù)的革新，成型設(shè)備不斷更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的液壓型吸塑機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，自動(dòng)化程度更高的伺服系統(tǒng)正逐漸取而代之，熱成型技術(shù)的不斷發(fā)展使其應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，各個(gè)設(shè)備供應(yīng)商針對(duì)客戶(hù)一機(jī)多用、高靈活性等需要不斷推出新產(chǎn)品。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，為幫助用戶(hù)更加有效地利用資源從而降低成本提高效益，必須不斷改進(jìn)控制系統(tǒng)，使之能夠出色地完成用戶(hù)的各項(xiàng)需求，通過(guò)提升機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化程度，充分利用原材料，降低生產(chǎn)成本，減少維護(hù)時(shí)間，進(jìn)而幫助用戶(hù)提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，共同贏得長(zhǎng)久穩(wěn)定的客戶(hù)群體。Lenze 產(chǎn)品以?xún)?yōu)異的性能、高精確度、高運(yùn)行可靠度，甚至可客戶(hù)定制化等特點(diǎn)出色地滿(mǎn)足了此類(lèi)設(shè)備的各項(xiàng)要求。

　　2 多工位成型機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　目前，熱成型機(jī)的控制系統(tǒng)一般采用日系和歐系品牌，日系主要為安川系統(tǒng)，歐系則有 Lenze 倫茨、B&R 貝加萊、SIEMENS 西門(mén)子。熱成型設(shè)備的制造工藝不斷提高，機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)速度逐漸加快;在片材加熱溫度、模具規(guī)格、壓合時(shí)間等常規(guī)條件下均衡對(duì)比，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備其穩(wěn)定工作速度不超過(guò) 40 模/分鐘，臺(tái)灣設(shè)備基本超過(guò)國(guó)內(nèi)，歐洲進(jìn)口的設(shè)備可達(dá) 60 模/分鐘甚至更高，如何提升設(shè)備產(chǎn)能已經(jīng)成為競(jìng)爭(zhēng)制勝的必要手段，目前采用 Lenze 控制系統(tǒng)的熱成型機(jī)已達(dá)到進(jìn)口設(shè)備的生產(chǎn)速度，其工作穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)成功地幫助客戶(hù)打開(kāi)了海外市場(chǎng)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各項(xiàng)功能必將日臻完善。

　　生產(chǎn)工藝：

　　圖 1 多工位成型機(jī)工藝流程

　　3 Lenze 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

　　Lenze 是業(yè)界最具創(chuàng)新性的企業(yè)之一，以驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)化為核心競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)備采用3200C 運(yùn)動(dòng)控制器組態(tài) i700 系列伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建多軸系統(tǒng)，標(biāo)配 EtherCAT 運(yùn)動(dòng)總線，采用再生能量單元或者功率模塊連接制動(dòng)電阻的形式來(lái)處理能量回饋，保證了設(shè)備的安全可靠。模臺(tái)定位功能采用 Lenze 8400motec 變頻一體機(jī)，通過(guò)上位機(jī)的 CANOpen 接口建立通訊，控制各個(gè)站的工作運(yùn)行，加熱系統(tǒng)采用 PROFIBUS 接口通訊控制西門(mén)子 HCS716I溫度控制器，優(yōu)化的程序算法使溫控系統(tǒng)更加快速、精確。

　　3.1 3200C 運(yùn)動(dòng)控制器

　　最小 1 毫秒的執(zhí)行周期，支持 CANOpen、EtherCAT、Profibus 等標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，組態(tài)分布式 IO 系統(tǒng)，多種模塊組合控制設(shè)備的運(yùn)行，最新的 PLC Designer3.8 版編程軟件，完成了機(jī)器的模擬、組態(tài)、編程及監(jiān)控等各項(xiàng)功能，標(biāo)準(zhǔn) IEC61131-3 的編程規(guī)范降低了使用者的入門(mén)難度，只需熟悉常規(guī)編程技巧即可靈活應(yīng)用，極大縮減了程序的開(kāi)發(fā)周期。

　　3.2 i700 伺服驅(qū)動(dòng)器

　　伺服本身提供 EtherCAT 標(biāo)準(zhǔn)總線接口，設(shè)備順次連接后自動(dòng)掃描即可檢測(cè)到每一個(gè)工作站，無(wú)需繁瑣的硬件撥碼設(shè)置，有效地減少了硬件排錯(cuò)時(shí)間，提供旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器兩種伺服電機(jī)的反饋接口，用戶(hù)可自行選擇，充分體現(xiàn)了 Lenze 伺服靈活易用的特點(diǎn)。

　　3.3 MCA 異步伺服電機(jī)

　　此設(shè)備采用 Lenze 的 MCA 異步伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋，配置 GKS、GFL 標(biāo)準(zhǔn)減速器使機(jī)電產(chǎn)品合理配合，充分發(fā)揮了系統(tǒng)性能，有效地降低了運(yùn)行噪音并使之運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械抱閘確保設(shè)備的正常工作或突發(fā)斷電時(shí)工作臺(tái)的安全可控。

　　4 Lenze i700 多軸系統(tǒng)解決方案

　　Lenze 可提供整套系統(tǒng)解決方案，以四工位高速成型機(jī)為例，系統(tǒng)以 3200C 運(yùn)動(dòng)控制器為核心，組態(tài) 8 臺(tái) i700 伺服控制器驅(qū)動(dòng) MCA 電機(jī)，完成片材的送料、成型、沖孔、裁剪及堆疊等功能。采用 Lenze 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制功能，完成各個(gè)軸的抱閘、回零、定位及運(yùn)動(dòng)曲線控制功能，減少了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期并提高了重復(fù)利用率。

　　控制程序和設(shè)備的參數(shù)全部存儲(chǔ)在 3200C 標(biāo)配的存儲(chǔ)卡內(nèi)，即使發(fā)生了故障，只需備份卡內(nèi)數(shù)據(jù)，待更換新的控制器后插卡上電，控制器即會(huì)自動(dòng)裝載數(shù)據(jù)并運(yùn)行程序，通過(guò)狀態(tài)指示燈即可判斷 PLC 的運(yùn)行狀態(tài)，極大地提高了設(shè)備的升級(jí)及維護(hù)效率。高度集成的程序設(shè)計(jì)軟件 PLC Designer 可完成整個(gè)項(xiàng)目的組態(tài)、調(diào)試工作，讓各個(gè)軸的操作及運(yùn)行數(shù)據(jù)變得一目了然，同時(shí)控制器也具備 Web 遠(yuǎn)程協(xié)議功能，只需搭建互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)終端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便設(shè)備制造商隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。成型機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

　　圖 2 多工位成型機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

　　5 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

　　1. 運(yùn)動(dòng)控制器 3200C，搭載 Intel? Atom? 1.6G 高速處理器，集成邏輯、運(yùn)動(dòng)控制功能，分級(jí)存儲(chǔ)區(qū)域用來(lái)裝載人機(jī)界面程序，摒棄了傳統(tǒng)的總線通訊方式，加快了交互處理速度，縮減了人機(jī)界面的響應(yīng)時(shí)間。

　　2. 進(jìn)線電源經(jīng)過(guò)濾波確保了其穩(wěn)定性，i700 軸模塊的對(duì)稱(chēng)安裝方式確?？筛佑行У乩迷撃妇€電壓，功率單元配置制動(dòng)電阻，在負(fù)載頻繁的往復(fù)運(yùn)行中有效轉(zhuǎn)化剩余能量，從而消除了對(duì)設(shè)備的回饋沖擊，提升了使用壽命;通過(guò)提高扭矩限幅顯著地提升了帶載能力，使驅(qū)動(dòng)單元的性能發(fā)揮到極致。優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可最大限度地利用系統(tǒng)資源。

　　3. 通過(guò)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立曲柄搖桿負(fù)載結(jié)構(gòu)的幾何模型，得到軸的運(yùn)行角度與模臺(tái)升降的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型生成運(yùn)行曲線，得到機(jī)械運(yùn)行的參數(shù)最優(yōu)值，更加充分地發(fā)揮了伺服的性能。

　　4. 在人機(jī)界面的前置接口，使用普通 U 盤(pán)即可備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使維護(hù)變得極為簡(jiǎn)單。

　　6 發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，可降解片材必將逐步取代傳統(tǒng)的樹(shù)脂材料，那么必須全面改進(jìn)設(shè)備以適應(yīng)新材的各項(xiàng)特性，在提升用戶(hù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)也改善了我們的生存環(huán)境，目前可降解材料已經(jīng)成功推向包裝市場(chǎng)，不久即將得到廣泛的應(yīng)用，在可預(yù)期的未來(lái)納米片材或?qū)V泛應(yīng)用于包裝領(lǐng)域。

　　Lenze 3200C 控制器通過(guò) DP 主站接口組態(tài)西門(mén)子 HCS716I 從站，設(shè)置溫控標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基值，優(yōu)化算法后提升了加熱系統(tǒng)的前饋環(huán)節(jié)，在 15 分鐘以?xún)?nèi)即可加熱到預(yù)定溫度，穩(wěn)定后的溫度波動(dòng)在±0.5 度以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足用戶(hù)的需求且在同類(lèi)設(shè)備中處于領(lǐng)先水平。在后續(xù)的升級(jí)過(guò)程中用戶(hù)可采用紅外加熱方式，片材的受熱將更加均勻，產(chǎn)品品質(zhì)將得到提升。隨著系統(tǒng)的升級(jí)，Lenze 也在積極開(kāi)發(fā)新的工程應(yīng)用系統(tǒng)，在后續(xù)的調(diào)試中將采用新的運(yùn)動(dòng)控制 PackML 功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，可極大縮短新設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制部分的開(kāi)發(fā)周期，顯著提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

（轉(zhuǎn)載）