陈永亮,技术支持工程师,伦茨（上海）传动系统有限公司
摘要：一次性杯、碗、盘、碟等塑料包装制品正广泛应用于饮料、食品、蔬菜、水果以及工业制品领域。随着需求的不断增长，各种包装制品用量逐年增加，同时对其生产设备的需求日益提高，吸塑成型机市场前景看好。
关键字：热成型机 包装制品 曲柄摇杆机构 矩阵式加热 定位曲线 运动控制 力矩限幅
PackML 功能模板
1 前言
随着技术的革新，成型设备不断更新换代，传统的液压型吸塑机已经无法满足市场的需求，自动化程度更高的伺服系统正逐渐取而代之，热成型技术的不断发展使其应用领域日趋广泛，各个设备供应商针对客户一机多用、高灵活性等需要不断推出新产品。在激烈的市场竞争下，为帮助用户更加有效地利用资源从而降低成本提高效益，必须不断改进控制系统，使之能够出色地完成用户的各项需求，通过提升机械设备的自动化程度，充分利用原材料，降低生产成本，减少维护时间，进而帮助用户提升市场竞争力，共同赢得长久稳定的客户群体。Lenze 产品以优异的性能、高精确度、高运行可靠度，甚至可客户定制化等特点出色地满足了此类设备的各项要求。
2 多工位成型机的结构
目前，热成型机的控制系统一般采用日系和欧系品牌，日系主要为安川系统，欧系则有 Lenze 伦茨、B&R 贝加莱、SIEMENS 西门子。热成型设备的制造工艺不断提高，机械设备的生产速度逐渐加快；在片材加热温度、模具规格、压合时间等常规条件下均衡对比，国内生产的设备其稳定工作速度不超过 40 模/分钟，台湾设备基本超过国内，欧洲进口的设备可达 60 模/分钟甚至更高，如何提升设备产能已经成为竞争制胜的必要手段，目前采用 Lenze 控制系统的热成型机已达到进口设备的生产速度，其工作稳定、运行平稳的特点成功地帮助客户打开了海外市场。随着技术的不断进步，各项功能必将日臻完善。
生产工艺：
图 1 多工位成型机工艺流程
3 Lenze 产品简介
Lenze 是业界最具创新性的企业之一，以驱动和自动化为核心竞争力，设备采用3200C 运动控制器组态 i700 系列伺服驱动器构建多轴系统，标配 EtherCAT 运动总线，采用再生能量单元或者功率模块连接制动电阻的形式来处理能量回馈，保证了设备的安全可靠。模台定位功能采用 Lenze 8400motec 变频一体机，通过上位机的 CANOpen 接口建立通讯，控制各个站的工作运行，加热系统采用 PROFIBUS 接口通讯控制西门子 HCS716I温度控制器，优化的程序算法使温控系统更加快速、精确。
3.1 3200C 运动控制器
最小 1 毫秒的执行周期，支持 CANOpen、EtherCAT、Profibus 等标准通讯协议，组态分布式 IO 系统，多种模块组合控制设备的运行，最新的 PLC Designer3.8 版编程软件，完成了机器的模拟、组态、编程及监控等各项功能，标准 IEC61131-3 的编程规范降低了使用者的入门难度，只需熟悉常规编程技巧即可灵活应用，极大缩减了程序的开发周期。
3.2 i700 伺服驱动器
伺服本身提供 EtherCAT 标准总线接口，设备顺次连接后自动扫描即可检测到每一个工作站，无需繁琐的硬件拨码设置，有效地减少了硬件排错时间，提供旋转变压器和编码器两种伺服电机的反馈接口，用户可自行选择，充分体现了 Lenze 伺服灵活易用的特点。
3.3 MCA 异步伺服电机
此设备采用 Lenze 的 MCA 异步伺服电机，旋转变压器的反馈，配置 GKS、GFL 标准减速器使机电产品合理配合，充分发挥了系统性能，有效地降低了运行噪音并使之运行平稳，机械抱闸确保设备的正常工作或突发断电时工作台的安全可控。
4 Lenze i700 多轴系统解决方案
Lenze 可提供整套系统解决方案，以四工位高速成型机为例，系统以 3200C 运动控制器为核心，组态 8 台 i700 伺服控制器驱动 MCA 电机，完成片材的送料、成型、冲孔、裁剪及堆叠等功能。采用 Lenze 标准运动控制功能，完成各个轴的抱闸、回零、定位及运动曲线控制功能，减少了系统的开发周期并提高了重复利用率。
控制程序和设备的参数全部存储在 3200C 标配的存储卡内，即使发生了故障，只需备份卡内数据，待更换新的控制器后插卡上电，控制器即会自动装载数据并运行程序，通过状态指示灯即可判断 PLC 的运行状态，极大地提高了设备的升级及维护效率。高度集成的程序设计软件 PLC Designer 可完成整个项目的组态、调试工作，让各个轴的操作及运行数据变得一目了然，同时控制器也具备 Web 远程协议功能，只需搭建互联网远程访问终端即可实现对设备的实时监控，方便设备制造商随时掌握设备的运转情况。
成型机系统架构如下图所示：
图 2 多工位成型机系统架构
5 技术关键点
1. 运动控制器 3200C，搭载 Intel® Atom? 1.6G 高速处理器，集成逻辑、运动控制功能，分级存储区域用来装载人机界面程序，摒弃了传统的总线通讯方式，加快了交互处理速度，缩减了人机界面的响应时间。
2. 进线电源经过滤波确保了其稳定性，i700 轴模块的对称安装方式确保可更加有效地利用该母线电压，功率单元配置制动电阻，在负载频繁的往复运行中有效转化剩余能量，从而消除了对设备的回馈冲击，提升了使用寿命；通过提高扭矩限幅显著地提升了带载能力，使驱动单元的性能发挥到极致。优化的系统设计可最大限度地利用系统资源。
3. 通过分析机械结构，建立曲柄摇杆负载结构的几何模型，得到轴的运行角度与模台升降的位置对应关系，建立数学模型生成运行曲线，得到机械运行的参数最优值，更加充分地发挥了伺服的性能。
4. 在人机界面的前置接口，使用普通 U 盘即可备份系统数据，使维护变得极为简单。
6 发展趋势
随着人们环保意识的提高，可降解片材必将逐步取代传统的树脂材料，那么必须全面改进设备以适应新材的各项特性，在提升用户市场竞争力的同时也改善了我们的生存环境，目前可降解材料已经成功推向包装市场，不久即将得到广泛的应用，在可预期的未来纳米片材或将广泛应用于包装领域。
Lenze 3200C 控制器通过 DP 主站接口组态西门子 HCS716I 从站，设置温控标准时间基值，优化算法后提升了加热系统的前馈环节，在 15 分钟以内即可加热到预定温度，稳定后的温度波动在±0.5 度以内，满足用户的需求且在同类设备中处于领先水平。在后续的升级过程中用户可采用红外加热方式，片材的受热将更加均匀，产品品质将得到提升。随着系统的升级，Lenze 也在积极开发新的工程应用系统，在后续的调试中将采用新的运动控制 PackML 功能来实现，可极大缩短新设备的运动控制部分的开发周期，显著提高设计人员的工作效率。
