1 前言

隨著飲料消費市場的日益擴(kuò)大，其對PET材料的需求也必然水漲船高。面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，如何節(jié)能也是灌裝飲料設(shè)備的首要問題，傳統(tǒng)的灌裝設(shè)備，由于吹瓶機(jī)與灌裝機(jī)之間通過撥輪輸送空瓶，這種方式容易造成瓶子之間的擠壓而變形，因此，目前吹灌旋一體機(jī)可直接進(jìn)行瓶子的成形、灌裝和旋蓋工作，這樣可以避免瓶子之間的擠壓，這樣采用輕量化瓶子即可滿足工藝要求，每個瓶子可以節(jié)省大約4克。如果按此計算一臺36000瓶/小時吹灌旋一體機(jī)，每天工作10個小時，那么每年可節(jié)省PET材料大約526噸。因此發(fā)展吹灌旋一體機(jī)將是國際市場上的主要趨勢，目前對于大多數(shù)吹灌旋一體機(jī)，吹瓶機(jī)部分主要采用變頻器進(jìn)行驅(qū)動，灌裝和旋蓋機(jī)采用伺服進(jìn)行驅(qū)動并跟隨吹瓶機(jī)編碼器進(jìn)行同步運行。Lenze除了此機(jī)型的成熟解決方案，同時目前也開發(fā)出了全套伺服解決方案，既吹瓶機(jī)、灌裝機(jī)、旋蓋機(jī)和加熱系統(tǒng)全部采用伺服進(jìn)行驅(qū)動。對吹瓶機(jī)快速制動，相位同步及整機(jī)的邏輯控制積累了大量的經(jīng)驗。其設(shè)備示意圖如圖：圖1 吹灌旋一體機(jī)。

2 吹灌旋一體機(jī)的構(gòu)成

吹灌旋一體機(jī)主要由吹瓶機(jī)、灌裝機(jī)、旋蓋機(jī)和加熱系統(tǒng)組成。吹瓶機(jī)主要負(fù)責(zé)將加熱好的瓶坯，通過拉伸機(jī)構(gòu)的作用，使瓶坯拉伸，然后向瓶中吹氣，最后瓶子在壓力和溫度的條件下最終形成合格的瓶子，由機(jī)械手取出，其工藝流程為：瓶坯→加熱→機(jī)械手→轉(zhuǎn)盤模具→拉伸預(yù)吹→吹瓶→排氣→成品瓶→過渡撥輪→灌裝→旋蓋→產(chǎn)品。灌裝機(jī)：灌裝機(jī)是將原料注入瓶子的一種設(shè)備，灌裝機(jī)根據(jù)設(shè)備產(chǎn)量的不同，其灌裝頭數(shù)也不相同，其原理是將吹制的瓶子由過渡撥輪傳送至灌裝機(jī)。瓶子由提升氣缸上的瓶夾，卡住瓶口并在凸輪作用下實現(xiàn)上升與下降。灌裝機(jī)采用重力灌裝方式，瓶口上升頂開灌裝閥，開始灌裝，當(dāng)原料上升到堵住回氣孔位置時灌裝結(jié)束。旋蓋機(jī)：旋蓋機(jī)是將瓶蓋旋緊在瓶子上，將瓶子密封的一種設(shè)備。瓶子由過渡撥輪進(jìn)入旋蓋機(jī)。旋蓋機(jī)上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉(zhuǎn)。旋蓋頭在旋蓋機(jī)上保持公轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，在凸輪作用下實現(xiàn)抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋等動作，完成整個封蓋過程。加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)是吹瓶質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，其整個過程采用多段紅外加熱燈管進(jìn)行加熱，溫度采用控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。瓶坯在公轉(zhuǎn)鏈條的帶動下，并自轉(zhuǎn)通過加熱燈管，使瓶坯獲得最佳溫度并傳送到吹瓶機(jī)系統(tǒng)。詳見圖2 吹灌旋一體機(jī)示意圖。

3 Lenze解決方案

Lenze在吹灌旋一體機(jī)上主要有三種應(yīng)用方案，第一種為單軸伺服驅(qū)動方案，此方案主要針對于吹瓶機(jī)采用變頻器驅(qū)動，灌裝機(jī)和旋蓋機(jī)兩個一起由一個伺服電機(jī)驅(qū)運，伺服跟隨吹瓶機(jī)單圈絕對值編碼器同步運行。第二種為雙軸伺服驅(qū)動方案，此方案和第一種相同，只是將灌裝機(jī)和旋蓋機(jī)分別各用一臺伺服電機(jī)驅(qū)動。第三種為全伺服解決方案，本文將以此案例進(jìn)行分析，前兩種方案采用Lenze基于驅(qū)動器的系統(tǒng)解決方案，后者則采用Lenze基于控制器的系統(tǒng)解決方案。此方案為集中式控制方案，所有的運動控制程序均由運動控制器完成，并通過EtherCAT總線控制各伺服軸模塊。

3.1 Lenze主要產(chǎn)品

（1）面板控制器p500：該系列產(chǎn)品為Lenze推出的一款基于PC技術(shù)的工控機(jī)產(chǎn)品，其軟件采用Windows CE 6.0 操作系統(tǒng)，內(nèi)置Codesys 控制軟件和VisiWinNET Com-pact CE 界面監(jiān)控軟件。其控制器功能集成邏輯控制和運動控制兩種功能，編程方式符合IEC 61131-3 (IL、LD、FDB、ST、SFC and CFC Editor)和PLCopen Part 1 + 2編程環(huán)境，同時支持CNC 的Graphic DIN 66025 Editor (G-Code) 的編程，支持Cam 曲線的編程及設(shè)計。在硬件方面，該控制器標(biāo)配有兩路以太網(wǎng)口，兩個USB接口，1個EtherCAT接口，同時支持一路擴(kuò)展通信接口，可安裝Can和Profibus-DP 通訊。 

（2）伺服驅(qū)動器i700 ：i700是Lenze推出的為控制器配套的一款簡易式伺服產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用Lenze最高端伺服的硬件配置。該伺服驅(qū)動器無PLC及運動編程能力，其所有的程序、版本信息和電機(jī)參數(shù)需均由運動控制器完成。

（3）GKS 系列異步伺服減速電機(jī)：該產(chǎn)品由Lenze 的MCA減速電機(jī)結(jié)合G系列減速機(jī)組成，具有精度高，耐沖擊，壽命長等優(yōu)點。此系列采用直交軸輸出方式，支持實心軸和空心軸兩種安裝方式。異步伺服和同步伺服可應(yīng)用于不同的應(yīng)用場合。由于灌裝設(shè)備具有慣量大和連續(xù)運行的工作方式，異步伺服的高慣量匹配度的功能非常適合該設(shè)備的運行。在相同功率下，異步伺服在相位同步精度方面也是最為出色的。此系列伺服在無論低速或高速運行條件下均能滿足設(shè)備的控制精度要求（大約2mm），還可有效避免低速運行下的抖動問題。

3.2 Lenze解決方案

系統(tǒng)軟件上采用共虛軸工作模式，各實軸同步于虛軸，實現(xiàn)了各軸之間的相位同步、自動回歸同步位、尋零和起停等功能。硬件上位機(jī)采用LenzeP500產(chǎn)品通過EtherCAT總線與Lenze伺服控制器I700和IO系統(tǒng)相連，用于運動控制和邏輯控制功能。伺服供電采用集中方式，既各伺服模塊之間通過直流母線相連進(jìn)行供電，從而簡化了接線工作，同時也能實現(xiàn)各軸之間的能源共享，從而達(dá)到節(jié)能的目的。電機(jī)采用LenzeGKS異步伺服減速電機(jī)組成。具體參見圖3吹灌旋系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

3.3 實現(xiàn)的主要功能

Lenze結(jié)合客戶工藝要求和產(chǎn)品特點主要實現(xiàn)的功能有：

（1）虛軸控制：采用虛軸作為主軸，可使各實軸完全同步于虛軸，有效避免級聯(lián)系統(tǒng)引起的累積誤差；

（2）斷電同步停車：斷電同步停車功能可用于生產(chǎn)線意外斷電。各不同慣量的實軸可以同步停車。其主要原理是將機(jī)械的慣性動能轉(zhuǎn)化為伺服的電能，再給電機(jī)制動。此功能必須要求伺服的控制回路一直有24V控制電源和伺服之間的直流電源并聯(lián)。

（3）自動回歸同步：設(shè)備要求在運行過程中各從軸之間一定要相位同步運行，避免各瓶夾之間錯位運行，從而損害瓶夾。因此在設(shè)備運行前，伺服會自動檢測各伺服之間的位置。如不在同步位，啟動時伺服會按最短瓶夾距回歸同步位，然后再同步運行。當(dāng)然通過觀察監(jiān)控系統(tǒng)的同步狀態(tài)指示燈，如不在同步位，也可一鍵回歸回步位。

（4）零點設(shè)定：設(shè)備的零點設(shè)定采用手動設(shè)定零點方式。由于未安裝零點開關(guān)，設(shè)備設(shè)定零點需由操作工通過人眼觀察逐個設(shè)定零點。伺服本身具備零點自動保存功能，因此在完成零點設(shè)定后，只要在不人為拆卸伺服電機(jī)或者在伺服斷電的情況下，手動盤車伺服均可自動記憶零點。

（5）實時誤差檢測：同步精度是設(shè)備正常運行的一個重要指標(biāo)。每臺伺服程序均設(shè)有實時的誤差監(jiān)控程序，伺服可通過伺服編碼器的位置和伺服控制器中虛軸的位置進(jìn)行比較。比較指令每毫秒進(jìn)行一次，這樣設(shè)備運行中如發(fā)現(xiàn)每毫秒出差位置誤差，設(shè)備即可立刻進(jìn)入停車程序。

3.4 Lenze亮點

經(jīng)過多年在灌裝行業(yè)的投入及技術(shù)經(jīng)驗的積累，Lenze如今已具備了眾多的成熟技術(shù)亮點。其主要技術(shù)亮點如下：

（1）引入伺服技術(shù)，采用電子軸同步方式取代傳統(tǒng)的機(jī)械軸同步方式。引入伺服技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備各單元單獨運行，方便了設(shè)備的調(diào)試、故障處理、機(jī)器清潔、日常維護(hù)等操作，突破了機(jī)械軸同步方式速度的制約，使得設(shè)備安裝更加緊湊和靈活。

（2）斷電同步停車功能及相位保持。伺服具有機(jī)械能量回饋功能，配合智能伺服的控制和集中供電模塊可能實現(xiàn)回饋能量的共享，在斷電情況下實現(xiàn)同步停車。伺服本身具有位置保存的功能，配合制動器可以實現(xiàn)相位保持功能。

（3）零點保持及自動回歸同步位。伺服具有零點保持功能，自動尋零后，如果沒有機(jī)械上的改動可不必尋零，設(shè)備在一個瓶位內(nèi)按最短距離,可自動回歸到同步位，從而減小起動時間。同時系統(tǒng)在每周內(nèi)自動采集零點信號，用于驗證機(jī)械磨損和打滑誤差，如果達(dá)到設(shè)定誤差，則立刻停止運行，并在起動時設(shè)備可自動重新尋找零點，然后重新運行。

（4）采用共虛軸工作方式，避免累積誤差產(chǎn)生。伺服采用32位操作系統(tǒng)，并采用余數(shù)補(bǔ)償機(jī)制，避免計算誤差的產(chǎn)生。

（5） Lenze一體化減速機(jī)，避免機(jī)械誤差產(chǎn)生。Lenze采用一級小齒輪直接驅(qū)動減速箱齒輪，并且采用小齒輪過盈配合方式連接，因此具有高精度，低噪音等優(yōu)良的性能。 

4 展望

無菌冷灌裝工藝因其可有效保護(hù)營養(yǎng)的完整性，確保飲料的原汁原味而備受青睞。目前無菌冷灌裝生產(chǎn)線在國內(nèi)仍處于起步階段，面向未來巨大的消費市場發(fā)展?jié)摿Γ瑹o菌冷灌裝生產(chǎn)線必將向高速、安全方向發(fā)展。

高速的生產(chǎn)線意味著在同等的生產(chǎn)級及工作車間投入條件下能夠帶來更大的生產(chǎn)能力。目前國內(nèi)無菌生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度平均為42000瓶/小時，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)軸式生產(chǎn)線由于其機(jī)械磨損及精度的原因，速度已不能滿足工藝要求。因此，采用分離式伺服傳動系統(tǒng)是目前可實現(xiàn)高速生產(chǎn)線的一個重要因素。隨著日新月異的工藝要求，無菌冷灌裝生產(chǎn)線未來將進(jìn)一步向更加分離式及更多的伺服系統(tǒng)投入方向發(fā)展，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)速度。

安全的生產(chǎn)線是人們喝到健康飲料的前提。由于沒有高溫殺菌的環(huán)節(jié)，這就要求無菌冷灌裝生產(chǎn)線必須從機(jī)械設(shè)計角度實現(xiàn)無菌環(huán)境，如灌裝凈化室必須達(dá)到100級以上的空氣凈化要求，灌裝閥門結(jié)構(gòu)還必須簡單，易于清洗，并確保閥內(nèi)無夾縫等衛(wèi)生死角。無菌冷灌裝生產(chǎn)線必須著重于優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝方法，向無菌、安全方向發(fā)展。

總之，在未來的飲料行業(yè)，無菌冷灌裝生產(chǎn)線憑借其多種優(yōu)勢，必將引領(lǐng)灌裝生產(chǎn)線的技術(shù)潮流，成為一種重要的飲料生產(chǎn)方式。