（机械制造及其自动化专业论文）灌装机控制系统及关键技术研究.pdf

摘要 灌装是制药包装的重要组成部分，灌装机的发展在全球制药行业也越来越受 重视。国内灌装设备制造企业可以生产灌装线整套设备，能基本满足需求，但产 品规格不齐全、自动化水平和控制水平低、单击性能不稳定、先进技术应用较少。 而且灌装速度集中在中、低速两个层次。灌装机质量在稳定性和灌装精确性方面 与国外进口设备相比还有一定差距。在设计上，部分关键部件还处于模仿制造阶 段，特别是高速灌装的设计能力存在较大差距。 针对以上现状，本文结合企业实际需求，在自主开发设计的国产1 2 针拨块 直线灌装机进行研究的基础上，对1 2 针拨块直线灌装机采用全伺服控制设计， 并编制相应软件程序，完成进瓶、送瓶、灌装、半加塞、在线称量及换向出瓶等 动作，实现无瓶不灌装、无瓶不加塞及在线检测功能，并在5 0 0 瓶分钟的高速 灌装速度下的高效、稳定、精确灌装。并针对1 2 针拨块直线灌装机关键的跟踪 系统建立跟踪系统模型，提出跟踪算法理论，使得灌装机特别是跟踪机构在高速 灌装中能够高效稳定、精确的运行。 首先，本文明确系统硬件要求。主要包括确定灌装机的工艺要求，了解灌装 机的设备状况和统计系统i o 点数和种类。然后进行系统硬件配置，进行可编程 控制器选型、i o 点定义及主要元器件的选型与布置。 其次，本文在配置的硬件基础上，进行系统软件的实现。首先对控制过程进 行分析，对人机界面设计，最后编制相应的系统软件实现1 2 针拨块直线灌装机 的控制流程。 最后，本文对灌注跟踪控制技术进行研究。分析灌装机跟踪系统各工步中运 动部件的运动状态，建立灌装机全伺服跟踪模型，并以伺服定位模块及伺服系统 的控制要求为依据，确定跟踪系统中各伺服电机的协同工作方式及运动形式，建 立专门针对该1 2 针拨块直线灌装机的跟踪算法理论，绘制各伺服电机运动曲线， 实现灌装机自动跟踪系统的全伺服协同控制。 本系统达到了预定的设计要求，有望获得工业运行。 关键词：灌装机，p l c ，伺服运动控制，h m i ，跟踪系统 a b s t r a c t f i l l i n gi sa l li m p o r t a n tp a r to fp h a r m a c e u t i c a lp a c k a g i n g t h ed e v e l o p m e n to f f i l l i n gm a c h i n ei n t h eg l o b a lp h a r m a c e u t i c a li n d u s t r yh a sg a i n e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n d o m e s t i cf i l l i n g e q u i p m e n to fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sm a ys e to f e q u i p m e n t ，p r o d u c t i o nl i n e sc a ns a t i s f yd e m a n d ，b u tt h ep r o d u c ts p e c i f i c a t i o ni sn o t c o m p l e t e ，t h ec o n t r o la n da u t o m a t i o nl e v e li sl o w , s i n g l ep e r f o r m a n c ei su n s t a b l e ，t h e a d v a n c e dt e c h n o l o g yi ss e l d o mu s e d a n dt h ef i l l i n gs p e e df o c u s e so nm e d i u ma n d l o wl e v e l s t h eq u a l i t yo f f i l l i n gm a c h i n ei nf i l l i n ga c c u r a c ya n ds t a b i l i t yh a sac e r t a i n g a pw i t hi m p o r t e de q u i p m e n t i nt h ed e s i g n ，s o m eo ft h ek e yc o m p o n e n t sa l es t i l li n t h ei m i t a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gs t a g e ；e s p e c i a l l yt h ed e s i g nc a p a c i t yo f h i g h s p e e d f i l l i n gh a sab i gg a p i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a ld e m a n d ，i nt h e e n t e r p r i s ed e v e l o p m e n td e s i g no fd o m e s t i c12n e e d l e sb l o c kl i n ef i l l i n gm a c h i n e ，o n t h eb a s i so ft h es t u d yo f12b l o c k ss t r a i g h tn e e d l ed i a lf i l l i n gm a c h i n ea d o p t st h es e r v o c o n t r o ld e s i g n ，a n dw o r ko u tr e l e v a n ts o f t w a r ep r o g r a m ，c o m p l e t et h eb o t t l e ，b o t t l e ， f i l l i n ga n dp a r t i a l l ys t o p p e r e d ，o n l i n ew e i g h i n ga n dr e v e r s i n go u tb o t t l e ，s u c ha c t i o n w i t h o u tb o t t l ef i l l i n g , n o tw i t h o u tb o t t l ed o n tj u m pt h eq u e u ea n do n - l i n ed e t e c t i o n f u n c t i o n ，a n di nf i v eb o t t l e s m i n u t e su n d e rh i g h s p e e df i l l i n gs p e e d ，e f f i c i e n t , s t a b l e p r e c i s ef i l l i n g a i m i n ga t12b l o c k ss t r a i g h tn e e d l ed i a lf i l lt h ek e yt r a c k i n gs y s t e m ， e s t a b l i s ht r a c k i n gs y s t e m m o d e l ，t r a c k i n ga l g o r i t h mt h e o r yi n f i l l i n gm a c h i n e e s p e c i a l l yt r a c k i n gs p e e df i l l i n gi nt h eh i g hs t a b i l i t ya n dp r e c i s i o nc a nb er u n f i r s t l y , c l e a rt h es y s t e mh a r d w a r er e q u i r e m e n t s i n c l u d ed e t e r m i n i n gf i l l i n g m a c h i n ep r o c e s sr e q u i r e m e n t ，f i l l i n gm a c h i n ee q u i p m e n ts t a t u sa n ds t a t i s t i c a ls y s t e m i op o i n t sa n ds p e c i e s t h e n ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , i o p o i n td e f i n i t i o na n dm a i nc o m p o n e n ts e l e c t i o na n da r r a n g e m e n t s e c o n d l y , w i t ht h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，s o f t w a r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d f i r s t l y , t h ec o n t r o lp r o c e s sa n a l y s i so fm a n m a c h i n ei n t e r f a c e d e s i g n ，f i n a l l yc o m p i l e dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e12b l o c k ss t r a i g h tn e e d l ed i a l f i l l i n gm a c h i n ec o n t r o lp r o c e s s f i n a l l y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h et r a c k i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yp e r f u s i o n t h ef i l l i n g m a c h i n et r a c k i n gs y s t e m ，a n a l y z e dt h es t a t eo fm o t i o ni nm o v i n gp a r t s ，f i l l i n g m a c h i n e ，a n dt h es e r v ot r a c k i n gm o d e lw i t hs e r v op o s i t i o n i n gm o d u l ea n ds e r v o s y s t e mc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t h et r a c k i n gs y s t e md e t e r m i n et h e s e r v om o t o r c o o p e r a t i v ew o r ka n df o r m so fe x e r c i s e ，e s t a b l i s hs p e c i a lf o rt h e12b l o c k ss t r a i g h t n e e d l ed i a lf i l l i n gm a c h i n e ，r e n d e r i n gt h et r a c k i n ga l g o r i t h mt h e o r y , s g i v om o t o r s p o r t sc u r v er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e mo ff i l l i n gm a c h i n ec o m p l e t e l y c o n t r o ls l 朗w o t h i ss y s t e mi sa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，i se x p e c t e dt oo b t a i ni n d u s t r i a l o p e r a t i o n k e yw o r d s ：f i l l i n gm a c h i n e ，s e r v om o t o rc o n t r o l ，p l c ，h m i ，t r a c k i n gs y s t e m i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：j d p j 。可 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：彦水导师( 签名)期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 据相关研究统计分析，全球包装机械需求正在高速增长【l 】。全球包装机械的 生产商们在巨大的包装机械市场中拥有广阔的发展空间。 包装机械经历了数千年的发展与进步，其发展是从公元1 0 5 年造纸技术为 纸包装的产生提供技术条件开始。包装机械的发展为食品、药品的现代化加工 和大批量生产提供了必要的保证【2 】。但由于药品生产的特殊性，制药包装从环境 要求到标识处理，从包装材料到包装方式等都比食品包装更为严格，限制条件 更为苛刻。这也使得制药包装机械从广义的包装机械中发展成为一个独立的机 械行业。 我国的制药包装机械从无到有，从小到大，从仿制国外产品到自主研发设 计，经过多年的发展，如今制药机械行业在我国已初具规模。国家“九五”、“十 五”的十年国家开始对制药企业实行强制性g m p ( g o o dm a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e ) 药品生产质量管理规范认证制度，中国制药工业在这十年中得到迅速发展，而 制药包装机械是药品生产质量管理的重要部分，制药包装机械生产商们因此纷 纷加速对制药机械的技术改造，使制药机械行业获得了长足的发展【3 】。随着国内 制药机械新产品同益增多，技术水平有了很大提高，但我国制药机械的总体水 平与国外仍然存在着较大的差距。近5 0 的产品达不到发达国家2 0 世纪9 0 年 代的水平，先进的大型设备基本依赖进口，而只有不足5 的产品出口，进口额 与国内制药机械总产值相当，与发达国家差距较大【4 j 。 药品灌装是制药包装的重要部分，灌装机的发展在制药行业也越来越受重 视。我国灌装线设备由七十年代初的单纯依靠从国外进口，逐步发展到今天国 产灌装机在食品生产行业已经能够完全满足国内需要，但由于受g m p 限制灌装 机在制药行业仍然部分需要依赖从发达国家进口。国内灌装机械的发展走的是 一条“引进技术、消化吸收、自主创新、逐步国产化的道路。 与国外先进技术相比，我国灌装生产在设计及加工制造水平等方面均存在 较大差距。在设计方面上，我国灌装机的一些关键零部件还处于仿制阶段，特 别是高速灌装的设计能力与国外先进技术存在较大差距。在加工制造方面，国 内灌装设备制造企业可生产整套灌装线设备，基本能满足需求，但产品规格不 武汉理工大学硕士学位论文 齐全，灌装速度主要集中在中、低两个层次，而且自动化水平和控制水平低、 单机性能不稳定、先进技术应用较少【5 1 。设备质量在稳定性和灌装精确性等方面 与国外进口设备相比还存在一定距离。 目前，国内制药包装领域的小容量液体灌装机发展缓慢，尤其是在大产量 分装作业中基本依靠进口。国外稳定在3 0 0 瓶分钟的有很多家，主要集中为德 国、意大利、美国等国的生产厂家，在4 0 0 瓶分钟的厂家也为数不少，最高稳 定速度已经达到6 0 0 瓶分钟，极限速度可达7 5 0 瓶分钟。国产小容量液体灌装 机的最高稳定速度一般为2 0 0 瓶分钟，能达到3 0 0 ： l 瓦分钟的厂家很少，单机在 5 0 0 瓶分钟以上的厂家基本上没有。目前，国内从事小容量液体灌装的企业都 起步较晚，各个生产企业技术参差不齐，但都不太高。从长远来看，自主开发 设计制造5 0 0 瓶分钟以上的灌装机，提高灌装机效率是国内灌装设备发展的趋 势所在。 灌装机的稳定性和灌装精确性体现在长时间运转时设备故障发生率低，灌 装瓶破损率低，瓶子加塞成功率高，灌装量精确稳定，设备运转噪声小，控制 系统反应灵敏，易于检修。灌装机的送瓶、灌装、送塞、加塞等机构同步精度 高，运转平稳。 而在灌装过程中灌注跟踪系统的灌注针头与西林瓶灌注跟踪精确性稳定性 对整机的整机性能尤为重要，灌注跟踪系统跟踪准确，在高速灌装中运行平稳 为目前业内衡量灌装机性能的标准之一。 本课题的研究目的就是针对一种具体的小容量灌装机1 2 针拨块直线灌 装机采用全伺服控制技术进行控制系统设计，实现对西林瓶每分钟5 0 0 瓶的灌 装速度、自动上塞率高于9 9 5 且装量误差小于1 的高速稳定精确灌装，并 对其关键的自动跟踪系统进行研究。 由于目前国内灌装机西林瓶的灌装极限稳定速度为3 0 0 瓶m i n 左右的低速 灌装水平，5 0 0 瓶m i n 的高速高效灌装主要靠进口来满足设备要求。而目自，j 进口 一台全自动液体灌装机包括高速灌装、半加塞、在线检测等功能需近千万元人 民币。因此自主丌发设计国产1 2 针拨块直线灌装机，实现对2 m l 西林瓶每分钟 灌装5 0 0 瓶的高速高效灌装尤为必要。根据测算，价格远低于进口同类产品， 且完全能够代替进口同类产品，具有良好的价格性能比。所以开发国产化的， 价格适中高速高效灌装设备取代进口设备，不仅仅在医药业，而且在保健品业、 酒类等其他灌装行业都具有非常深远的意义和广阔的市场前景。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本课题有关的国内外研究现状 灌装机控制系统作为灌装机的核心，其产生及发展与灌装机的产生及发展 息息相关。从目前查阅的国内外所有资料来看，国外灌装机发展日趋成熟，而 我国灌装机设计及制造水平、设备性能与国外相比存在较大差距，多年来国内 灌装机制造企业仍然主要依靠引进国外设备再在国内加以仿制，或消化吸收国 外先进技术，从而开发国内灌装设备。 从产品结构看，我国灌装机与国外灌装机产品质量差距表现在产品性能低， 稳定性和可靠性差，外观造型不美观。国外灌装机电气元件选用较为优良，控 制系统p l c 一般以s i e m e n s 、m i t s u b i s h i 、h o n e y w e l l 等著名大公司的为主，低压 电气常选西门子、a b b 、施耐德、富士、默勒等国际知名品牌的产品。气动、 真空等其他元器件一般也是f e s t o ，b o r c h ，小金井等品牌产品。国内灌装机 选用的元器件中较多质量差，寿命短，可靠性低，从而整体产品的质量也受到 影响；国产灌装机机械性能较为落后，大多速度慢、稳定性差、灌装精度低； 另外很大一部分国内灌装机的控制水平低、自动性差、故障率较高。另外国外 机器表面处理很细腻，国内机器则很粗糙，外观造型不美观，给人感觉死板没 有活力。主要是设备表面的加工工艺存在较大差别，且造价不同。国外机器表 面的不锈钢多数采取阳极钝化处理，使得产品外观柔和，反光不刺眼，而围内 一般使用磨砂亚光处理，外观较为粗糙。从企业状况看，国内制药包装机械行 业生产大规模、产品高档次的企业少，缺少行业龙头；从产品丌发看，国内产 品基本还停留在仿制阶段，缺少研发基地，科研经费投入不到销售额的1 ，而 国外高达1 0 。 国内灌装机在设计时考虑不充分，没有为进一步的改造留出足够的空i 日j ， 致使设计的灌装机械只能适应几种简单的灌装容器，不适应灌装机械材料或模 版尺寸的变化。另外许多设计人员对伺服传动控制技术、电机拖动同步技术不 了解，可用简单的电气设备解决的问题却用复杂的机械装置来实现。 目前，美国、德国、意大利等国的灌装机设备设计制造水平相对较高，其 产品也呈现出如下几个方面的发展新动向1 6 】。 第一，灌装机械设备趋向大型化。为获取规模经济利益，适应包装机械工 业的大生产，灌装机械向高生产率、高速产品发展。灌装机的灌装速度最高达 2 0 0 0 瓶分钟，灌装阀数高达1 7 8 头。 第二，灌装机械结构设计简单合理。囤内外灌装机械制造商都力求产品结 武汉理工大学硕士学位论文 构简单化，因而灌装机零部件数量在减少，设备可靠性在提高，制造成本在降 低，设备的操作及维修更方便。例如，德国贴标机的转换部件大大减少，使用 维护更加方便；某进口“冲灌封一体机的输送装置省去了传统的输 瓶导板、导轨、底板等转换部件，全部采用瓶颈夹持输送，及时更换包装容器 规格，也不需要调整灌装机和封口机的高度，在不同的生产时速和各种灌装方 式中都能够平稳地输送包装容器。 第三，灌装设备向多功能化发展。产品的适应性更广，市场的竞争力更强。 同一台灌装设备，可进行多种液体的灌装，也可进行不同瓶型的灌装。零部件 更换也能够适应封口形式的变化。 第四，灌装机械向光、机、电、气、磁一体化方向发展。灌装机控制系统 中p l c 的普遍应用，大型灌装设备甚至采用计算机控制，人机界面实现操作交 互，故障自我诊断，实现设备运行的高效智能。现代灌装技术的目标是精确、 高效、自动化。电子技术的应用使得精确的灌装量、灌装过程的高速、尽量减 少液损、生产线的最优化控制都成为可能。现在，灌装机生产线的自动控制水 平和全线效率都得到较大提高，计量装置与在线检测装置配套完备，能自动检 测各项参数并进行精确计量。 综上所述，尽管我国灌装机械行业起步晚，基础薄弱，但发展二十多年来 不断引进国外先进技术、积极进行工艺装备的技术改造、计算机辅助设计在国 产灌装机械中的普遍应用，产品质量整体得到较快提高。但与国外先进技术仍 存在差距，主要表现在研究开发滞后，试验手段欠缺。国内药品制造业的集约 型发展也将造成灌装机械行业的优胜劣汰，必将促进这一行业的进步和发展。 综合分析灌装机控制系统的研究现状，发现以下几点问题：在灌装机中普 遍选用以气动回路实现简单的往复运动，但工作中压缩空气中含有水分、灰尘、 油污等杂志及输出压力波动对气动系统的正常工作会造成不良的影响；使用同 一脉冲信号驱动灌装泵的步进电机组，不能实现各个灌装泵灌装量的单独调节， 而实际生产中，各计量泵的磨损等原因导致的灌装误差各不相同，一个泵 j 现 误差，将无法得到单独调节；使用接近开关接入p l c 实现射灌装关键位置的定 位控制，忽视了控制的准确性。因此，本课题采用了伺服电机为运动执行机构， 利用伺服速度快，集成度高，可靠性好的优势，解决系统高速运行中不稳定、精确 度不高等问题。各伺服电机由单独脉冲序列控制，不仅能够实现灌装量的单独 调节，而且能使灌装过程更为流畅、精确。并对灌装中的关键技术自动跟 踪建立数学模型，提出相应跟踪算法，得出跟踪各电机的运动控制曲线，使得 4 武汉理工大学硕士学位论文 跟踪系统定位准确、各伺服运动协调性高、灌装更精确。 除了查阅相关研究资料，通过对国内灌装机制造厂家上海华东制药机械有 限公司的调研发现，该公司设计制造的药液灌装机在每分钟3 0 0 瓶的低速下运 行比较稳定，一旦灌装速度提高，灌装稳定性便比较差，灌装效率大大下降， 而且跟踪机构运动冲击较大的问题暴露的非常明显。因此本课题针对1 2 针拨块 直线灌装机采用全伺服控制进行设计，实现高速灌装工况下高效稳定、精确的 运行非常必要。另外，在国内灌装机使用厂商武汉中联药业股份有限公司的进 行调研发现，该公司液体药物的灌装设备为国产机器，功能单一，设备噪声大， 灌装跟踪错位时常发生，因而减少跟踪错位，对自动跟踪系统的研究非常必要。 1 3 灌装机概述 灌装机是用于向包装容器中灌装液体，使其达到由可截断该液体的空气排 出孔高度所规定的液面。由于包装容器形状，材质、制成方法等不同，以及灌 装液体不同，灌装机的性能、结构也千差万别【7 1 。 表1 1 灌装机分类表 序 分类方法型式、技术特性、灌装原理 号 按自动化半自动灌装 全自动灌灌装压盖 l手工灌装机 程度分机装机 联合机 直线式灌装旋转式灌装 2 按结构分 机机 按定量装容杯式灌装液面式灌装转子式灌柱塞式灌 3 置分机机装机装机 按灌装阀 4单头灌装机 多头灌装机 头数分 按灌装原反瓜灌装负压灌装 加压灌装 5真空灌装机 常压灌装机 理分机机机 按供料缸单室供料灌多室供料灌 6 结构分装机装机 按包装容 滑道气动 7 器升降结 滑道式升降气动式升降 组合升降 灌装机灌装机 构分灌装机 5 武收理工大学硕士学位论文 不同的装填物料( 含气液体、不含气液体、膏状体等) 和不同的包装容器 ( 瓶、罐、盒、桶、袋等) ，使用灌装机的品种也不尽相同，通常灌装机的分类 方法如表l 一1 所示。 其中，常压灌装机是在大气压力下靠液体自重进行灌装。如图i - i 所示这 类灌装机又分为定时灌装和定容灌装两种，只适用于灌装低粘度不含气体的液 体如牛奶、葡萄酒等。 图1 - 2 一种压力灌装机 真空灌装机是在瓶中的压力低于大气压力下进行灌装的机械，采用连续的 真空吸力，将产品抽入容器，其连续吸力由一个与真守腌审和特殊的灌装阀相 连的真空泵产生。灌装阀由一灌装套组成，套筒内有一真空管用于将多余的药 武汉理工大学硕士学位论文 液引回真空腔室，这样能够有效地防止溢流。灌装头插入容器的深度决定灌装 量，因而，无论瓶子容积是否一致，灌装液面将保持相同，如图1 。3 所示。 14 g m p 标准 图1 - 3 一种真空灌装机 药品生产质量管理规范( g o o dm a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e ，g m p ) 是药品生产 和质量管理的标准守则，适用于医疗药剂牛产的全过程和药品原料生产中影响 产品质量的关键_ ：= 序，大力推行g m p ，就是为了尽量降低药品生p 过程中的污 染和变叉污染，避免各种不良情况的发生，是提高药品质量的重要手段。 g m p 对药品包装要求【9 j ： l 防止包装作业中发生标志混淆； 2 在包装工序中防止交叉污染； 3 药品包装及直接接触容器的材料符合相关标准； 4防止直接接触药物的容器及栓塞带柬杂物与微生物： 自1 9 8 2 年我国医药工业公司制订了相应的药品生产管理规范以柬，中国的 制药业和医药包装业就进入了实施g m p 的阶段。 15 本课题的来源及主要研究内容 本课题柬源：横向课题“灌装机设计”。 本课题是与企业的实际需要紧密联系的。厂家拟丌发一款圆形瓶液体半加 塞高速灌装机，但由于其国内灌装机在高速工况r 小能进行稳定灌装，虽然厂 家在参照国外成熟产品德基础上，仿制出样品，但效果不理想离批量生产还有 较大差距。本文在对自主开发设计国产1 2 针拨块直线灌装机进行研究的基础上， 对1 2 针拨块直线灌装机采用了全伺服控制设计，并编制相应软件程序，完成进 武汉理工大学硕士学位论文 、 瓶、送瓶、灌装、半加塞、在线称量及换向出瓶等动作，实现无瓶不灌装、无 瓶不加塞及在线检测功能，并在5 0 0 瓶分钟的高速灌装速度下的高效、稳定、 精确灌装。并针对1 2 针拨块直线灌装机关键的跟踪系统建立跟踪系统模型，提 出跟踪算法理论，使得灌装机特别是跟踪机构在高速灌装中能够高效稳定、精 确的运行。 本文采用的研究方法：本文首先对1 2 针拨块直线灌装机的进行灌装流程设 计，确定系统方案。提出1 2 针拨块直线灌装机全伺服控制系统的总体方案设计， 包括灌装机控制系统类型及系统运行方式。 在此基础上，明确系统硬件要求。主要包括确定灌装机的工艺要求，了解 灌装机的设备状况和统计系统i o 点数和种类。然后进行系统硬件配置，进行可 编程控制器选型、i o 点定义及主要元器件的选型与布置。 在配置的硬件基础上，进行系统软件的实现。首先对控制过程进行分析， 对人机界面设计，最后编制相应的系统软件实现1 2 针拨块直线灌装机的控制流 程。 本文最后对灌注跟踪控制技术进行研究。分析灌装机跟踪系统各工步中运 动部件的运动状态，建立灌装机全伺服跟踪模型，并以伺服定位模块及伺服系 统的控制要求为依据，确定跟踪系统中各伺服电机的协同工作方式及运动形式， 建立专门针对该1 2 针拨块直线灌装机的跟踪算法理论，绘制各伺服电机运动曲 线，实现灌装机自动跟踪系统的全伺服协同控制。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章灌装机设备及工艺要求 所研究的灌装机为新型1 2 针拨块直线灌装机，完成进瓶、送瓶、灌装、加 塞、在线称量及换向出瓶等动作，实现无瓶不灌装、无瓶不加塞及在线质量检 测功能，并在5 0 0 瓶m i n 的高速灌装下实现高效、稳定、精确灌装。 2 1 灌装机主要技术指标 本文所研究的新型1 2 针拨块直线灌装机主要技术指标如下： 1 灌装速度：5 0 0 ： f 瓦分钟； 2 灌装容量：2 a f t 2 0 m l ，3 0 1 0 0 m l ； 3 灌装方式：采用十二针，旋转陶瓷泵或不锈钢泵； 4 装量误差：1 ； 5 自动上塞率：9 9 5 。 2 2 灌装机主要组成及其作用 2 2 1 灌装机的整体结构介绍 ( 1 ) 灌装机的组成 所研究的1 2 针拨块直线灌装机主要由机械系统以及电控系统两大部分组 成【1 们。其整体结构如图2 1 所示。 9 武汉理上大学硕学位论文 图2 一l 灌装机整体结构引 1网带进瓶机构；2 导瓶机构：3 传送机构；4 灌装跟踪机构； 5 一灌装机构：6 一加鏖机构：7 出瓶机构：8 一震荡理塞机构： 9 一在线称量机构：l o 一机座 机械系统主要由刚带进瓶目l 构、导瓶机车 j 、传送机构、灌装跟踪装置、灌 装机构、加塞机构、出瓶机构、震荡理鏖机构、在线称量机构和机庸等组成j 。 l 网带进瓶机构。凸林瓶通过山调遮电机驱动的传送网带相推挤向前 井嵌入由一台伺服电机驸动的进瓶绞庀叫槽，并在进瓶绞龙r 与条由 调速电机驱动的小传送带l 的辅助传送作川f 前进，从而进入f 一工位 的导瓶机构中。 2 导瓶机构。西林瓶由进瓶机构送入导瓶机构的拨瓶盘( 山台伺服乜机 驱动) 均布乍槽中，升随着拨瓶盘旋 进入下一工位灌装机但送机构。 3 传送机构。传送机构i h 一式传送带投j # r 对圆形瓶定位的拨块构成，传 送带山一台伺服电机骀动两林艋鲐吐导瓶机构的拨瓶盘进入拨块，经 过传送带继续传送。 4 灌装跟踪机构。由灌装针绀、水平跟踪机构、垂商跟踪机构等构成。垂 直跟踪机构的垂直陵珠始杠存一台伺服乜机的驱动作用f 旋转，垂 导 杆沿垂直方向上下运动，从而实现准皱引r 下运动，保征灌装针的插入 深度。水平跟踪机构的水下滚珠丝杠证台伺服电机的驱动件用卜旋 转，带动固定在水平同定鹰r 的灌装引组沿水平方向往复运动实现灌 装过程中跟踪主传送带的位置，做灌装跟踪同步运动，把灌装引对准灌 武汉理工大学硕士学位论文 、 装瓶口，从而保证灌装针可以正确的插入瓶口。 5 灌装机构。灌装机构由1 2 个灌装泵组成，配合灌装跟踪机构进行灌装， 每个灌装泵都由一台伺服电机单独驱动。通过调节伺服电机的位移量进 行各个灌装泵的装量的调整。1 2 个灌装泵吸液及输液的状态由灌装阀 统一切换，通过控制一台伺服电机的正反转控制阀门的切换【1 2 】。 6 加塞机构。利用圆柱凸轮机构实现灌装机跟踪加塞功能以及动态密封技 术完成灌装机加塞工艺，保证自动加塞率，实现无瓶止塞等功能。加塞 盘由一台伺服电机驱动，胶塞由送塞盘送入加塞盘中，通过吸爪跟踪加 至瓶口上方，完成加塞功能。 7 出瓶机构。加塞完成的西林瓶由加塞盘送出至由一台伺服电机驱动的导 瓶盘，经调速电机驱动的小传送带2 传送至转向盘，通过控制换向盘调 速电机转动可以将灌装加塞完成的西林瓶分别装入两个工作的出瓶装 盘中。 8 震荡理塞机构。震荡理塞机构主要由震荡塞及其支座组成。震荡理塞机 构工作时，胶塞在震荡塞内按特定的秩序通过胶塞压板进入加塞机构， 实现连续送塞。当接到无瓶信号时，机构上的止塞电磁体弹片弹出，阻 止胶塞进入加塞机构，不对加塞机构供塞，从而实现无瓶止塞功能。当 无瓶信号消失时，止塞电磁体弹片吸合，恢复对加塞机构的供塞。 9 在线称量机构。在灌装机的灌装机构前后分别设置有两套相同的在线称 量机构，其一对传送机构上灌装前的西林瓶进行抓取称重后放回，其二 对灌装后的西林瓶进行抓取称重后放回。经过在线称量系统计算分析， 并将灌装误差反馈至灌装机构，进行装量在线调整。每套在线称量机构 均由三台伺服电机驱动，分别完成夹钳夹取灌装瓶、将灌装瓶在传送带 上方及成两台上的回转及央钳升降运动。 1 0 机座。机座用于固定和支撑所有： 作执行件、传动件以及控制系统等， 保证它们相对位置的j 下确性和稳定性【1 3 】。 电控系统的设计必须考虑2 5 台伺服电机、4 台调速电机与止塞电磁体之间 的连锁、相互配合，协调一致，使传送、灌装及加塞作能够满足灌装工艺要求 和灌装机的使用功能，这些主要靠p l c 程序编写来完成。 ( 2 ) 灌装机的工艺流程 工艺流程是系统设计的主要依据，也是控制系统所要实现的最终目的，所 以在进行系统研究设计之前，必须了解清楚控制对象的工艺流程。不同的控制 武汉理工大学硕士学位论文 对象，其工艺流程也不相刚1 4 1 。 图2 2 灌装机工艺流程图 灌装机的工艺流程如图2 2 所示，在工艺的初始阶段，该流程是由三条工 艺分支同时分别进行工作。西林瓶输送，包括了西林瓶的进瓶、传送、灌装和 出瓶。其作用是将连续输送的西林瓶通过十二瓶为一组进行灌装，并为后面的 加塞流程做准备，再由出瓶机构输送到出瓶装盘中。第二条工艺分支是在线称 量，两套相同的在线称量机构，其一对传送机构上灌装前的西林瓶进行抓取称 重后放回，其二对灌装后的西林瓶进行抓取称重后放回。经过在线称量系统计 算分析，并将灌装误差反馈至灌装机构，进行装量的在线调整。第三条工艺分 支就是胶塞的输送，胶塞从震荡理塞机构的震荡塞中按秩序通过胶塞压板进入 加塞机构，加塞机构利用圆柱凸轮机构实现灌装机跟踪加塞功能以及动态密封 技术完成灌装机加塞工艺。 2 2 2 灌装机控制系统方案 该控制系统的主要目的是要有效地控制上一节提到的各个部分，以及要解决 好2 5 台伺服电机之i 日j 的协同性问题。选择用p l c 作为控制用的中央处理单元， 这也是工业控制中最常见的控制方式，利用p l c 与人机界面( h m i ) 控制灌装机 机械系统【l s 】。控制系统框图如图2 3 所示。 厂一、 二j 两 ，一一、 j 。 ? 删l 眦 = 、进瓶信号检测 x 0 2 a在线称量2 央紧限位检测 x 0 2 b 在线称量2 上位检测 x 0 2 c 在线称量2 下位检测 x 0 2 d 在线称量2 左位检测 x 0 2 e在线称量2 右位检测 x 0 2 f 空瓶信号枪测 x 0 3 0装瓶盘1 装满信号检测 x 0 3 1 装瓶盘2 装满信号检测 x 0 3 2进瓶绞龙伺服报警信号 x 0 3 3进瓶盘伺服报警信号 x 0 3 4 传送带伺服报警信号 x 0 3 5加塞伺服报警信号 x 0 3 6 灌装泵1f h j 服报警信号 x 0 3 7 灌装泵2 伺服报警信号 x 0 3 8灌装泵3 伺服报警信号 x 0 3 9灌装泵4 伺服报警信号 x 0 3 a灌装泵5 伺服报警信号 x 0 3 b 灌装泵6 伺服报警信号 武汉理工大学硕士学位论文 x 0 3 c 灌装泵7 伺服报警信号 x 0 3 d 灌装泵8 伺服报警信号 x 0 3 e 灌装泵9 伺服报警信号 x 0 3 f灌装泵1 0 伺服报警信号 x 0 4 0 灌装泵1 1 伺服报警信号 x 0 4 1 灌装泵1 2 伺服报警信号 x 0 4 2 垂直跟踪伺服报警信号 x 0 4 3 水平跟踪伺服报警信号 x 0 4 4 在线称量1 抓取伺服报警信号 x 0 4 5 在线称量l 升降伺服报警信号 x 0 4 6 在线称量l 转动伺服报警信号 x 0 4 7 在线称量2 抓取伺服报警信号 x 0 4 8 在线称量2 升降伺服报警信号 x 0 4 9 在线称量2 转动伺服报警信号 x 0 4 a 灌装阀转换伺服报警信号 x 0 4 b进瓶绞龙伺服r d 信号 x 0 4 c进瓶盘伺服r d 信号 x 0 4 d加塞伺服r d 信号 x 0 4 e 换向盘出瓶口至装瓶盘l 位置检测 x 0 4 f 换向盘出瓶门至装瓶盘2 位置检测 y 0 8 0 接k m l 线圈，控制进瓶绞龙伺服电机启动 y 0 8 l 接k m 2 线圈，控制进瓶盘伺服电机启动 y 0 8 2 接k m 3 线圈，控制传送带伺服电机启动 y 0 8 3 接k m 4 线圈，控制加塞伺服电机启动 y 0 8 4接k m 5 线圈，控制灌装泵1 伺服电机启动 y 0 8 5接k m 6 线圈，控制灌装泵2 伺服电机启动 y 0 8 6接k m 7 线圈，控制灌装泵3 伺服电机启动 y 0 8 7接k m 8 线圈，控制灌装泵4 伺服电机启动 y 0 8 8接k m 9 线圈，控制灌装泵5 伺服电机启动 y 0 8 9接k m l 0 线圈，控制灌装泵6 伺服电机启动 y 0 8 a接k m l l 线圈，控制灌装泵7 伺服电机启动 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 y 0 8 b 接k m l 2 线圈，控制灌装泵8 伺服电机启动 y 0 8 c接k m l 3 线圈，控制灌装泵9 伺服电机启动 y 0 8 d接k m l 4 线圈，控制灌装泵l o 伺服电机启动 y 0 8 e接k m l 5 线圈，控制灌装泵1 1 伺服电机启动 y 0 8 f接k m l 6 线圈，控制灌装泵1 2 伺服电机启动 y 0 9 0接k m l 7 线圈，控制垂直跟踪伺服电机启动 y 0 9 1 接k m l 8 线圈，控制水平跟踪伺服电机启动 y 0 9 2接k m l 9 线圈，控制在线称量l 抓取伺服电机启动 y 0 9 3 接k m 2 0 线圈，控制在线称量l 升降伺服电机启动 y 0 9 4 接k m 2 1 线圈，控制在线称量l 转动伺服电机启动 y 0 9 5接k m 2 2 线圈，控制在线称量2 抓取伺服电机启动 y 0 9 6 接k m 2 3 线圈，控制在线称量2 升降伺服电机启动 y 0 9 7 接k m 2 4 线圈，控制在线称量2 转动伺服电机启动 y 0 9 8 接k m 2 5 线圈，控制灌装阀转换伺服电机启动 y 0 9 9 接k m 2 6 线圈，控制进瓶网带电机启动 y 0 9 a接k m 2 7 线圈，控n 4 , 传送带l 电机启动 y 0 9 b接k m 2 8 线圈，控n 4 , 传送带2 电机启动 y 0 9 c 接k m 2 9 线圈，控制换向盘电机启动 y o b 9 控制面板指示灯 y o b a 控制报警灯 y o b b接k a l 线圈，控制进瓶网带电机的s w 2 、s w 6 开断路 y o b c接k a 2 线圈，控制小传送带l 电机的s w 2 、s w 6 丌断路 y o b d接k a 3 线圈，控制小传送带2 电机的s w 2 、s w 6 丌断路 y o b e接k a 4 线圈，控制换向盘电机的s w 2 、s w 6 开断路 y o b f 接k a 7 线圈，止塞电磁铁中继 3 3 单元模块设计 3 3 1 主控部分 q c p u 为三菱c p u 模块中的基本型，是以小规模系统为对象的，最适合于 武汉理工大学硕士学位论文 、 简单而又紧凑的控制系统。支持最多1 0 2 4 个i o 点，约1 9 k 字软元件的存储 器，且允许软元件在1 6 k 字范围内任意分配，q 0 1 c p u 文件寄存器还可将3 2 k 字存入内置的标准r a m 中。基本型q c p u 可以使用梯形图、语句表、s t ( 结 构化文本，类高级语言) 、s f c 、f b 等5 种语言进行编程。基本型q c p u 内部含 有闪存r o m ，所以能在不使用存储卡的情况下对r o m 进行操作。除了q 0 0 j 为c p u 、电源和主基板( 可带3 2 点输入输出) 一体的以外，q 0 0 q 0 1 都为独立 的c p u 模块。q o o q 0 1 c p u 内置串行通讯功能，c p u 的r s 2 3 2 接口能与使用 m c 通讯协议的外部设备进行通讯。 1 q o lc p u 的基本特点 ( 1 ) 可以控制多点输入输出 q 0 1c p u 支持1 0 2 4 点x y 0 3 f f 用于m e l s e c n e t h 网络链接i o ( l x ， l y ) 的刷新及c c l i n k 远程i o 的刷新最多支持2 0 4 8 点( x y 0 7 f f ) i o 软 元件。 ( 2 ) 根据程序容量的调节 q o lc p u 具有1 4 k 步的程序容量。 ( 3 ) 实现高速处理 l d 指令的处理速度为如表3 4 所示的数值 表3 4 基本型q c p u 的处理速度 c p u 模块类型l d 指令处理速度 q 0 0