每一台用于生产制造用途的机器,实际上,都可以被理解为一个个的局部单元构建起来的机电系统。通过状态协作起来的—这就是机器的模块化设计思想。而对于消费品包装(CPG)类设备,我们可以看到,他们其实都是由材料放卷、成型、裁切等动作完成的。
电子凸轮就在消费品包装设备如VFFS/HFFS的热封动作、贴标机、纸包装类的横切、模切,也像一些水平灌装的灌装头连续动作…这些都是电子凸轮技术的应用场景。
电子凸轮其实就是把机械凸轮的运动轨迹转化为数字信号,由PLC来构造曲线,模拟机械凸轮的动作。电子凸轮之所以有“电子”二字,就是因为齿轮与齿轮间不产生机械的摩擦,不靠传统的传动装置进行力的传导,所以设备的寿命会长,同时控制精度也大幅提升。工程师可以通过软件方便快捷地调整参数优化参数—这就提高了机器的灵活性。并且,它还可以远程监控和诊断故障,有效提高生产效率。这些优点使得它在机械领域越来越广泛的被使用。
贝加莱电子凸轮优势
机器自动化领域常常提到三个字“稳、准、快”。
对于设备机台来说,“稳”常常表现为机械振动小,噪音小等等,振动和噪音通常都来自电机,那对于电子凸轮来说,运动曲线越光滑,振动和噪音肯定就越小。贝加莱的自动化控制系统不仅能自动生成凸轮曲线,还可以对速度、加速度甚至加加速度等参数进行优化配置,使加速度曲线更加平滑,这样电流就不会过冲,机器运行地就会很稳定。
图1-更为灵活光滑的运动曲线
“准”,也就是准确性。上面我们提到,电子凸轮相较于机械凸轮省略了传动环节,所以更加准确。那如果我们把检测到的外部偏差也接入到伺服里,用伺服自带的偏差执行接口还可以实现动态补偿偏差的功能,这样设备就能切得更准、贴得更准、动得更准。
“快”,就是快速性,这也是贝加莱电子凸轮技术的核心之一!贝加莱的伺服驱动器循环周期可以低至50μs,开关频率可以达到40kHz,因此,在自动化控制系统中,我们可以把原本需要PLC完成的计算交给伺服驱动器,让它去计算、绘制凸轮曲线,同时伺服驱动器还能够去响应电机参数的实时变化,满足用户对于设备高动态、高可靠性、高精度的工艺要求。
这里需要说明一点,与传统PLC加驱动器实现电子凸轮裁切不同。采用贝加莱的ACOPOS系列伺服驱动器,进行电子凸轮裁切时,由于外接编码器可以被直接接入到伺服驱动器的第二个编码器接口,这使得跟随关系可以在驱动器内完成。而其它的PLC则将需要将这个外接编码器接入到I/O模块上被PLC的任务扫描。这带来的直接优势在于它可以获得更快的响应速度,而这意味着可以更高的精度裁切闭环。
图2-贝加莱电子凸轮裁切与传统PLC加外接编码器架构差别
易用性
贝加莱的Automation Studio开发机器的应用项目,就像搭乐高积木是一样的,这其中一块积木就叫mapp Motion。在mapp Motion中,贝加莱的凸轮状态跳转可以直接通过填写表格的形式实现,不需要工程师一行一行地写代码,即使是初学者也可以在短时间内上手。当然了,如果想实现复杂度非常高的凸轮工艺,还是要使用自定义凸轮曲线,实现更为精准的控制。
灵活性
贝加莱“站在巨人的肩膀上”:基于标准的PLCopen功能块开发了各种各样能实现各种功能的独占功能块,并且都封装成库。工程师可以像搭乐高积木一样灵活组装出自己的“作品”。
图3-PLCopen的CAM与贝加莱CAM模块
如图3所示,PLCopen的CAM模块MC_CamIn之上,贝加莱封装了自己的MC_BR_CamIn是对PLCopen的CAM模块的扩展封装,提供了更为强大的功能性输出能力。ReStart、Running、Standby、InCam等状态,符合PLCopen Motion中的状态机操作,更为灵活应用配置。
在CPG中的几个场景
在消费品包装领域,贝加莱的ACOPOS系列伺服系统的电子凸轮裁切在很多场景都被用到:
电子凸轮裁切
在立式食品包装(VFFS)、水平包装(HFFS)、生活用纸的塑料薄膜包装等领域,拉料和热封动作是一组需要根据袋子的长度进行热封动作的领域。这类也包括对于纸张/纸盒等的裁切动作。
图4-电子凸轮裁切
如图4,在这电子凸轮的裁切/热封中,纸张与刀尖在同步区内相同的线速度,以获得裁切的稳定性。而在其它时间里,则会进行加减速,以进行下一个周期。它可以根据需要配置这个裁切尺寸的长度,而在非裁切时需要确保机械的最为光滑的过渡,以降低机械冲击。它可以实现的动作包括:
· 切割过程同步误差小
· SPF自动同步技术
· 无冲击切换仿型曲线
· 支持非对称同步角切割(多于一把切刀)
· 切割参数在线调整
· 惯量切刀系统可采用电流环前馈控制
· 切割批次控制
除此之外,也满足定长裁切、带色标切、累积误差处理等,以更符合裁切的场景应用。
回转式贴标
在饮料灌装旋盖后,贴标机将会发挥作用,回转式贴标机可以达到1200-1800个/分钟的贴标速度,才能匹配72,000~108,000/小时的饮料灌装线速度。
图5-贴标的电子凸轮过程
有一些标签会需要贴在固定的位置,或者对于一些瓶型并非圆形的,那么它的贴标位置必须和射标紧密的匹配位置—才能确保最合适的贴标。这个时候,电子凸轮就有发挥之地。如图5所示,在一个电子旋转周期里,电子凸轮被划分为贴标区,回零、拍照起点等多个段。
与这种贴标类似的也包括套标机的动作。
电子凸轮技术是机器最为常用的一种运动控制功能,它需要非常灵活的根据各种场景来进行配置,以获得更为快速、灵活的加工,让机器变得“又快又准”。
文章来源:贝加莱工业自动化
图片来源:贝加莱工业自动化
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责任编辑:朱晓裔
审 核 人:李峥
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