行业聚焦:伺服系统实现快速而准确的生产变更

图1：使用伺服系统的优势在于：纸板竖起轴的电子凸轮线
可以精确控制产品位置，与传送带的速度同步。

　　传统的垂直纸板包装机依赖于机械动力轴和连杆将纸板箱直立起来并使之在机器上移动。在寻求改善机器有效运行时间的过程中，Ultra Packaging公司分析了机械纸板包装机的不足之处，包括机器维护和故障检修所需的时间，更重要的是随产品改变而转换包装机所需的时间。该公司想简化这些任务，减少执行这些任务所要做的工作。
　　
　　在其最新的机器设计中，Ultra Packaging公司采用了全伺服GEN III包装自动化方案，成功地将其垂直纸板包装机上面的机械控制运动转换成了来自于Bosch Rexroth公司电子驱动及控制技术小组的伺服马达及驱动系统。
　　
　　为了理解垂直纸板包装机上的伺服控制运动所带来的好处，我们来看看Ultra Packaging公司的Veronica纸板包装机的功能。伺服马达用来控制机器的关键部位，提供纸板箱、产品、纸板合页褶缝与粘接的精确同步。平的空白卡纸直立起来形成纸板箱，然后被放到穿过机器的传送带上。在这个过程中，纸板箱底部封闭，产品从纸板箱顶部的开口装进去。然后纸板箱上部封闭、胶合。整个过程必须由伺服系统紧密同步，以避免机器频繁卡住纸板箱。
　　
　　在这个过程中，使用了七个Bosch Rexroth EcoDriver Cs驱动器和MSC小型交流伺服马达提供机器的同步化、凸轮分配和粘接功能。伺服驱动器用业界标准的SERCOS数字光纤网络控制，为系统里的每个交流伺服系统提供32位的命令信号和诊断分析反馈。
　　
　　该机器没有使用传统的可编程控制器做运动控制，而是用Bosch Rexroth的高性能PPC（PowerPC）运动与运动控制器进行控制。这个紧凑的架式系统在所有轴向上都提供了全部同步化运动，以及对机器上的24伏直流I/O连接的逻辑编程。模拟I/O连接到以可调速度运行纸板匣子和出料传送带的两个交流驱动器上。Ultra Packaging选择这个控制系统是看中了其多轴向同步化能力及其堵塞或掉电后无需复位就可恢复生产的能力。

　　Veronica的伺服控制使我们的生产线开机时间更长而关机时间、故障检修和维护时间都更短。

　　对于Ultra Packaging公司来说，Veronica型号这种以伺服系统为中心的设计是第一次，而这种设计在业界也比较独特。Veronica提供每分钟20到120个的持续式或间歇式纸板包装速度，所支持的纸板箱规格范围很广，从小至2×0.75×4.5英寸，到大至10×4×12英寸。而其最主要的特点就是所说的快速而简单的生产模式切换能力。
　　
　　Ultra Packaging公司副总裁Bob Stockus表示，“对于需要频繁切换生产模式的合同包装商或其它涉及包装的企业来说，与常见的30到90分钟的机械改变所需时间相比，Veronica 10分钟的典型切换时间是一个颇具吸引力、可节省成本的特点。”
　　
　　据Stockus称，一个生产商从宽度（从左到右的尺度）为7.5英寸的谷类食品包装盒到宽度为1.75英寸的牙膏盒只需要3秒钟时间，而在机械式纸板包装机上做这种切换需要10到12分钟。与此类似，垂直方向上（深度）的尺度改变大约需要3秒钟，而机械式纸板包装机需要5分钟。
　　
　　Veronica的操作员可以通过人机接口面板修改多达50项的纸板箱大小设定值。Ultra Packaging还增加了一项特性，使每个产品在HMI屏幕上以图像方式显示，而不是以产品代码或编号的形式。这就使操作员能够更快地识别出产品，从而易于更方便地做出修改操作。
　　
　　Stockus表示，“Rexroth伺服系统和PPC的结合使用使Veronica的操作员简单的点击HMI屏幕上的图标就可修改产品尺寸。这使得合同包装商客户能显著地缩短关机时间，提高产品切换能力。而更强的能力意味着更高的利润。”
　　
　　Stockus说，运动控制的同步化是设计Veronica时的最大挑战。Ultra Packaging公司使用的第一个伺服系统由另外一家供应商提供，配置成五个独立的伺服驱动器，这样在实现精确度和同步化方面就有问题。公司于是评估了其它供应商的多种技术。他们考虑了技术、价格、在食品和包装业界的应用知识、以及预期能从供应商那里得到的技术支持水平。Stockus认为公司选择了Bosch Rexroth公司作为供应商是因为看重了后者在包装行业的经验，及其伺服系统/PPC包装技术的多轴向同步化能力。影响Ultra Packaging公司决定的另一个特点就是，Rexroth公司的伺服系统在堵塞或掉电后不需要复位。系统会记住马达传动轴的位置，这一特性将机器的恢复速度提高了80%之多。
　　
　　纸板包装机伺服控制的合页折叠功能是一个快速恢复的例子，在业界这是比较独特的功能，因为通常这是一个机械式的操作。Stockus表示，“将这种运动转为伺服控制方式的好处在于，机器的程序可以设置为纸板箱合页折叠失败而导致堵塞时停下来，避免导致损坏。此外，有警示灯向操作员发出堵塞警报。HMI的触摸屏上会显示出堵塞发生的位置，而机器会快速的复位到适当的位置。”

图2：Ultra Packaging 公司的伺服驱动的Veronica 垂直纸板包装机对
于需要在包装作业时快速改变生产模式的最终用户
及合作包装商来说是理想的机器。

图3：Veronica用Bosch Rexroth的PPC运动及逻辑控制器进行控制，
通过SERCOS光纤网络指挥其小巧的驱动器。

　　相反，机械式合页折叠机上发生堵塞将会损坏纸板箱（可能会损坏一连串），并需要使用扳手或其它工具重新调整机器的产品位置。Rexroth公司的伺服马达、驱动器和PPC配合工作，自动重新设定位置，记住原有位置并执行纠正动作，所以不会损失纸板箱。解决这种类型的堵塞所需花费的时间也显著缩短。平均说来，伺服系统解决一个堵塞问题需要的时间不到2分钟，而相应的机械式设备解决相同的问题需要长达10分钟的时间。
　　
　　伺服控制的另外一个好处就是间歇性运动曲线是自动计算的，可以在多种生产速度和相应的产品尺寸下保持装料时的适当停留。类似的，纸板竖起轴的电子凸轮线实现了精确的产品定位，与传送带的速度同步，而真空卸模杯的高速缩回避免了对运动的机器部件的干扰。
　　
　　Stockus认为伺服系统和机器的设计的亮点在于：

　　■使用预先设定的配置单进行快速切换，快速识别堵塞情况，即时解决问题恢复生产，显著缩短了关机时间；
　　■具有扭矩设置，在发生堵塞时向机器发出信号关机，避免损坏纸板箱，防止在罕见情况下操作员被挂住衣服而受到伤害；
　　■消除了对滚轴链的使用，转而采用定时皮带，与使用滚轴链的包装机相比，机器上需要润滑的点减少了75%。
　　
　　PDI公司是Ultra Package公司的第一批意图在生产线上添置Veronica垂直纸板包装机的客户之一。PDI公司的维护经理Rey Interian表示，公司购买包装机是为了扩大其54万平方英尺厂房的生产容量。PDI公司主要为需要对饼干或其它产品进行多种单位包装的零售和仓储企业提供服务，所以Interian将PDI公司面临的最大挑战定义为快速切换生产模式、快速启动以及总体的多样性产品处理能力也就不奇怪了。
　　
　　对于PDI公司来说，伺服驱动的主要优势在于消除了在切换生产模式时对纸板箱长度和深度的手工调节。Interian还列出了伺服驱动包装机的其它好处，包括生产速度、生产定位精确度、纸板箱大小多样性、以及减少维护工作量。Interian认为，“这种包装机使PDI提高了15%的生产率，当然具体的数字还与被包装的产品有关。典型的生产模式切换时间从相当的机械式包装机所需要的将近6小时缩减到了Veronica的30分钟。”
　　
　　Interian还指出，快速的故障点识别功能使操作员能够快速解决堵塞问题或其它问题，并将包装机恢复到生产状态，这种过程需要的时间是机械式包装机所需时间的几分之一。Interian还认为定时皮带的使用是关键因素，因为相对于运行于导轨上的滚轴链而言，定时皮带显著降低了噪音水平。他表示，“定时皮带对于操作人员来说更为安全，因为一旦发生意外，金属制成的滚轴链和突缘带来的伤害后果比Veronica的定时皮带所带来的要严重。”
　　
　　Interian说，“使包装机保持运转对于像我们这样的业务来说显然是至关重要的，因为我们要在更短的运行期内处理大量不同的产品尺寸和配置。Veronica的伺服控制使我们能够在维持生产状态的时间更多，而切换生产模式、故障检修和维护所需的关机时间更短。自然，这样就使得PDI公司拥有了更大的处理多种产品的能力，从而能为我们的客户提供更高效率的服务。”