步进电机在口服液灌装机上的应用

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1    口服液灌装机的应用和分类


口服液灌装机的机械结构


1.1  液体灌装机的应用及分类

液体灌装机，适用于食品、化工和制药等行业的小剂量的酊剂和水剂类的灌装和轧盖。可自动完成输瓶、灌装、理盖、戴盖、轧盖、出瓶等工序。

口服液灌装机，从结构原理上分类：

（1）           类型一：网带+绞龙理瓶+小节距往复式跟踪灌装+变大节距三刀轧盖；

（2）           类型二：网带+大拨轮理瓶+小节距往复式跟踪灌装+变中节距单刀轧盖；

（3）           类型三：圆盘+大拨轮理瓶+小节距往复式跟踪灌装+不变小节距轧盖才。

口服液的计量灌装可大体分三类：

（1）           机械控制单向阀式柱塞泵；

（2）           蠕动泵；

（3）           步进电机控制转阀式柱塞泵。

      涉及到高精度灌装场合应用，基本用伺服配置，一台设备需要用到8-30轴不等的伺服电机，例如注射液安瓿瓶的灌装。

                               
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1    口服液灌装机的控制架构

                               
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2    口服液灌装机的工艺要求

2.1     工艺要求

（1）           灌装部分（X轴）：驱动灌装喷嘴前后运动，过程分为加速区间、同步区间、返回区间。

（2）           灌装过程（X轴）：同步区间速度和主轴速度一致，脉冲命令信号由安装在主轴输送带上的主轴编码器提供。原点回归之后电子凸轮进入啮合状态。通过检测主轴信号，一个周期一个期循环执行。

                               
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（3）           灌装部分（Y轴）： Y轴驱动灌装喷嘴上下运动，灌装过程分为快速插入和慢速返回区间。灌装泵在慢速返回区间灌装。

                               
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（4）           灌装过程（Y轴）：灌装时，Y轴快速插入瓶内，速度和距离可通过参数调整，返回区间Y轴始终和主轴速度保持一致。脉冲命令信号由主轴编码器先给X轴，再从X轴给Y轴，实现一主多从的控制架构。Y轴的同步命令信号来自X轴输出信号DO。

                               
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3.2  工艺难点

（1）     喷嘴直径为3mm，瓶口直径为6mm。

（2）     要求步进电机在变化灌装速度下，定位精度在0.5mm内。

（3）     要求步进电机在主轴变频器0-50HZ任意运行时，电机都能保持完全同步，且偏移量不得大于0.5mm。

（4）     步进电机可以在变频器低频10HZ运行时，也能保持良好的同步效果。

（5）     要求步进电机与步进电机驱动器在断电或者任意非正常操作下，能够保证灌针的位置不变。

（6）     实现无瓶不灌装。

4  解决方案

                               
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（1）采用H2U1616MT PLC作为主控系统，所有工艺参数计算和逻辑控制在PLC内部完成，内部程序实现了无瓶不灌装的工艺要求。

（2）操作界面采用IT5100T HMI，界面友好、操作简单。

（3）X轴和Y轴采用IS500A控制，速度快、精度高，误差可以控制在0.02mm之内，步进电机内置的电子凸轮功能不需要规划曲线，通过几个简单的参数设置既可，让用户更容易上手和理解；伺服能记住主轴绝对位置，实现了灌针位置与瓶子位置保持对应，永不丢失。

（4）主轴编码器采用1024线增量式差分编码器。

（5）汉德保步进电动机提供全系列产品解决方案，系统配合更紧密、可靠。实现最高300瓶/分钟的灌装速度，通过机械机构的优化（类型三）可达到400瓶/分钟。完全超过普通机械凸轮的150瓶/分钟的最高纪录。