多轴伺服制瓶机智能系统.pdf

多轴伺服制瓶机智能系统，属玻璃瓶罐机械控制领域。包括上位计算机PC，与上位计算机PC相连的控制中心PN，其特征在于：控制中心PN又包括下位计算机控制单元CPUS和伺服驱动单元，伺服驱动单元又包括多组双轴拨瓶器机构、多组伺服钳瓶机构、多组伺服翻转机构和多组伺服开模机构的驱动器，多组双轴拨瓶器机构、多组伺服钳瓶机构、多组伺服翻转机构和多组伺服开模机构通过电缆线与控制中心PN相连。结构简单、集系统数据处理、通讯、I/O，可实现制瓶机每组的双轴拨瓶，伺服钳瓶，伺服翻转，伺服开模等多达80个伺服轴的定时定位定曲线的协调同步定位运行。

1、  多轴伺服制瓶机智能系统，包括上位计算机PC，与上位计算机PC相连的控制中心PN，其特征在于：控制中心PN又包括下位计算机控制单元CPUS和伺服驱动单元，伺服驱动单元又包括多组双轴拨瓶器机构、多组伺服钳瓶机构、多组伺服翻转机构和多组伺服开模机构的驱动器，多组双轴拨瓶器机构、多组伺服钳瓶机构、多组伺服翻转机构和多组伺服开模机构通过电缆线与控制中心PN相连。

2、  根据权利要求1所述的多轴伺服制瓶机智能系统，其特征在于：多组双轴拨瓶器机构包括步进电机驱动器SDP1～SDPi，驱动拨瓶步进电机PM1～PMi，步进电机驱动器SDR1～SDRi，驱动拨爪缩回步进电机RM1～RMi；多组伺服钳瓶机构包括伺服电机驱动器SDT1～SDTi，驱动伺服钳瓶电机TKM1～TKMi；多组伺服翻转机构包括伺服电机驱动器SDI1～SDIi，驱动伺服翻转电机IVM1～IVMi；多组伺服开模机构包括伺服电机驱动器SDOB1～SDOBi，SDOP1～SDOPi，开模电机OPBM1～OPBMi，OPPM1～OPPMi，(其中i为1、2、3……12)。

3、  根据权利要求1所述的多轴伺服制瓶机智能系统，其特征在于：下位计算机控制单元CPUS又包括CPU多轴伺服控制板CB1～CBi和母板MB，母板MB通过插槽与CPU多轴伺服控制板CB1～CBi相连，每块CPU多轴伺服控制板可以连接1～7轴的伺服驱动器或者步进电机驱动器，(其中i为1、2、3……12)。

4、  根据权利要求3所述的多轴伺服制瓶机智能系统，其特征在于：多轴伺服控制板为CB1～CB12块，每块伺服控制板CB通过伺服驱动器SDT与伺服钳瓶电动机TKM相连，通过伺服驱动器SDI与伺服翻转电动机IVM相连，通过伺服驱动器SDOB与伺服初模开电动机OPBM相连，通过伺服驱动器SDOP与伺服成模开电动机OPPM相连；伺服控制板CB通过步进电动机驱动器SDP与现场的双轴拨瓶器步进电动机PM相连，通过步进电动机驱动器SDR与双轴拨瓶器步进电动机RM相连，伺服控制板CB与拨瓶到位感应开关PSW、缩回到位感应开关RSW相连，拨瓶到位感应开关PSW和缩回到位感应开关RSW安装在双轴拨瓶器上。

5、  根据权利要求3所述的多轴伺服制瓶机智能系统，其特征在于：安装在下位计算机单元CPUS内的每块伺服控制板的程序包括主程序和中断程序，主程序用于接收上位机的数据并进行数据处理、运算、保存，按钮开关信号的采集分析，执行按钮开关命令，运行过程中的故障检测处理等，主要包括伺服机构初始化模块、伺服机构点动模块、双轴拨瓶器初始化模块和伺服机构启动/停止模块，其中伺服机构初始化模块通过检测向原点运行的过程中机构的负载情况，确定机构的原点，再运行偏移量，初始化定位完成；伺服机构点动模块包括自动状态下的点动命令和手动状态下的点动命令，自动状态下的点动命令，在启动之前的点动，能单步循环运行各个位置，检测运行情况，在启动之后的运行过程中，通过点动按纽修正定位数据，根据需要每个循环可以处理一次点动命令，修正一次定位数据，手动状态下的点动命令用于控制机构慢慢运行到合适的位置，记录该位置对应的数据，并且自动初始化；双轴拨瓶器初始化模块是在启动时初始化双轴步进电机到原位，然后根据定时进入运行，停机时立即使双轴拨瓶机构回原位，运行过程中检测伺服驱动器的报警情况，负载情况，进行故障处理；伺服机构启动/停止模块用于检测启动信号以及数据和硬件是否满足启动条件，满足时置启动标记，系统在定时中断中检测到启动标记才正式启动运行，启动信号消失后置停机标记，系统在定时中断中检测到停机标记，要运行到规定停机位置才正式停机；
中断程序包括2ms中断程序和1度中断程序，其中2ms中断程序中使用多个计时器计时，并定时采样主系统来的外同步信号和双轴拨瓶的感应开关的信号，取外同步信号的每周期的信号标定成3600度，计算出1度的定时值用于1度的定时中断，采样双轴拨瓶器的定位感应开关信号，确认双轴拨瓶器的到位并置标记，进行相应的处理；1度中断程序进行周期计数，检测各伺服轴的定时运行、停机、停顿和变换曲线。

多轴伺服制瓶机智能系统
技术领域
多轴伺服制瓶机智能系统，属玻璃瓶罐机械控制领域。
背景技术
目前玻璃瓶罐机械领域的行列式制瓶机，是多组数多机构的气动机器，机器的动作主要是靠控制电磁阀的开和关，控制气路的通断从而控制机构的动作，这种控制方式能耗高，动作稳定性差，结构复杂，运行机速低。近几年，国外推出了制瓶机上的伺服钳瓶，伺服翻转机构，这些伺服机构运行稳定，能耗低，机速高，深受用户欢迎。但是国外的伺服机构控制系统一般采用通用式标准伺服运动控制器，每组一个计算机总线单元，计算机单元连接了I/O板，通讯板，多块运动伺服控制板的复杂结构，制瓶机的多轴控制需要庞大的计算机控制系统和多个控制柜组成，现场伺服机构带位置检测装置，现场调整定位需用现场终端，控制系统结构复杂，调整麻烦，造价高。为系统的长期、连续、可靠运行埋下隐患，给日常维护带来极大不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服国内外现有技术存在的问题，针对行列式制瓶机的特殊要求，设计一种结构简单、集系统数据处理、通讯、I/O、几十轴定时定位运动控制于一体的多轴伺服制瓶机智能系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该多轴伺服制瓶机智能系统，包括上位计算机PC，与上位计算机PC相连的控制中心PN，其特征在于：控制中心PN又包括下位计算机控制单元CPUS和伺服驱动单元，伺服驱动单元又包括多组双轴拨瓶器机构、多组伺服钳瓶机构、多组伺服翻转机构和多组伺服开模机构的驱动器，多组双轴拨瓶器机构、多组伺服钳瓶机构、多组伺服翻转机构和多组伺服开模机构通过电缆线与控制中心PN相连。
多组双轴拨瓶器机构包括步进电机驱动器SDP1～SDPi，驱动拨瓶步进电机PM1～PMi，步进电机驱动器SDR1～SDRi，驱动拨爪缩回步进电机RM1～RMi；多组伺服钳瓶机构包括伺服电机驱动器SDT1～SDTi，驱动伺服钳瓶电机TKM1～TKMi；多组伺服翻转机构包括伺服电机驱动器SDI1～SDIi，驱动伺服翻转电机IVM1～IVMi；多组伺服开模机构包括伺服电机驱动器SDOB1～SDOBi，SDOP1～SDOPi，开模电机OPBM1～OPBMi，OPPM1～OPPMi，(其中i为1、2、3……12)。
下位计算机控制单元CPUS又包括CPU多轴伺服控制板CB1～CBi和母板MB，母板MB通过插槽与CPU多轴伺服控制板CB1～CBi相连，每块CPU多轴伺服控制板可以连接1～7轴的伺服驱动器或者步进电机驱动器，(其中i为1、2、3……12)。
多轴伺服控制板为CB1～CB12块，每块伺服控制板CB通过伺服驱动器SDT与伺服钳瓶电动机TKM相连，通过伺服驱动器SDI与伺服翻转电动机IVM相连，通过伺服驱动器SDOB与伺服初模开电动机OPBM相连，通过伺服驱动器SDOP与伺服成模开电动机OPPM相连；伺服控制板CB通过步进电动机驱动器SDP与现场的双轴拨瓶器步进电动机PM相连，通过步进电动机驱动器SDR与双轴拨瓶器步进电动机RM相连，伺服控制板CB与拨瓶到位感应开关PSW、缩回到位感应开关RSW相连，拨瓶到位感应开关PSW和缩回到位感应开关RSW安装在双轴拨瓶器上。
安装在下位计算机单元CPUS内的每块伺服控制板的程序包括主程序和中断程序，主程序用于接收上位机的数据并进行数据处理、运算、保存，按纽开关信号的采集分析，执行按纽开关命令，运行过程中的故障处理等相关处理，主要包括伺服机构初始化模块、伺服机构点动模块、双轴拨瓶器初始化模块和伺服机构启动/停止模块，其中伺服机构初始化模块通过检测向原点运行的过程中机构的负载情况，确定机构的原点，再运行偏移量，定位完成，实现一键定位；伺服机构点动模块包括自动状态下的点动命令和手动状态下的点动命令，自动状态下的点动命令，在启动之前的点动，能单步循环运行各个位置，检测运行情况，在启动之后的运行过程中，通过点动按纽修正定位数据，每个循环可以处理一次点动命令，修正一次定位数据，手动状态下的点动命令用于调整机构运行到合适的位置，记录该位置对应的数据，并且自动初始化；双轴拨瓶器初始化模块启动时初始化双轴步进电机到原位，然后根据定时进入运行，停机时立即使双轴拨瓶机构回原位，运行过程中检测伺服驱动器的报警情况，负载情况，进行故障处理；伺服机构启动/停止模块用于检测数据和硬件是否满足启动条件，满足时置启动标记，系统在定时中断中检测到启动标记才正式启动运行，启动信号消失后置停机标记，系统在定时中断中检测到停机标记，要运行到规定停机位置才正式停机；
中断程序包括2ms中断程序和1度中断程序，其中2ms中断程序中使用多个计时器计时并定时通过同步信号采样处理模块采样感应开关的信号，采样主系统的同步信号BT，取同步信号的每周期的信号标定成3600度，计算出1度的定时值，采样双轴拨瓶器的定位感应开关信号，确认双轴拨瓶器的到位并置标记，进行相应的处理；1度中断程序进行周期计数，检测各伺服轴的定时运行、停机、停顿和变换曲线。
下位计算机控制单元CPUS，是多个CPU多伺服控制板的集合。包括母板MB和12个段控CPU多轴伺服控制板，每个段控CPU多轴伺服控制板具有通讯，I/O，1～7轴的伺服定位控制功能，系统可控制多达80轴的伺服机构，实现多轴的定时定位定曲线协调同步运行。
本发明的多轴伺服制瓶机智能系统：是针对行列式制瓶机的特殊要求，设计的一种集系统数据处理、通讯、I/O、几十轴运动控制于一体的单板智能运动控制器，制瓶机的一段1～7个伺服轴用一块CPU多轴伺服板控制，多段制瓶机用多块这样的CPU多轴伺服控制板同插到母板上，实现同步信号，通讯信号共享，实现一台制瓶机多达80轴的定时、定位、定曲线协调同步运行的简洁集中控制。以极为简单的结构方式，达到最佳可靠的多轴运动控制，本发明的CPU多轴伺服控制板安装的程序，与现场的几个开关按钮结合，实现启动一键定位，手动状态下用按钮调整行程的大小，运行中用按钮修正行程数据，节省了现场终端调数据、调定位的复杂结构，给用户操作带来了极大方便。
与国内外现有技术相比，本发明的多轴伺服制瓶机智能系统的有益效果是：仅用一个由12块CPU多轴伺服控制板和一个母板组成的计算机单元，就可以实现达80个伺服轴的定时定位定曲线运行，并且各伺服轴同步协调，定时定位准确。在制瓶机上用伺服机构取代气动机构，制瓶机上的每段1～7轴的伺服运动控制用一块CPU多轴伺服控制板取代国外同类产品的复杂计算机单元组织。本发明专用的CPU伺服控制板及上位计算机控制程序，可以实现随意制作各种凸轮机构曲线并准确定时定位按曲线运行。与国外同类产品相比，具有结构简单，性价比高，运行可靠，操作方便，定位准确，技术先进等优点。
附图说明
图1是本发明多轴伺服制瓶机控制系统结构示意图；
图2是本发明多轴伺服制瓶机控制系统电路原理示意图；
图3是本发明多轴伺服制瓶机控制系统每段的现场控制盘示意图；
图4是本发明多轴伺服制瓶机伺服控制板的主程序流程图；
图5是本发明多轴伺服制瓶机伺服控制板的2mS中断程序流程图；
图6是本发明多轴伺服制瓶机伺服控制板的1度中断程序流程图；
图7是本发明多轴伺服制瓶机多轴伺服控制板的伺服机构点动模块流程图；
图8是本发明多轴伺服制瓶机多轴伺服控制板的双轴拨瓶器初始化模块流程图；
图9是本发明多轴伺服制瓶机多轴伺服控制板的伺服机构初始化模块流程图；
图10是本发明多轴伺服制瓶机多轴伺服控制板的伺服机构启动/停止模块流程图；
图11是本发明多轴伺服制瓶机伺服控制板同步信号采样模块流程图。
图1-2中：PC上位计算机，CPUS下位计算机单元，MB下位机计算机母板  PN控制中心单元  CB1～CB12下位CPU伺服控制板  SDP1～SDP12双轴拨瓶的拨瓶步进电机驱动器  SDR1～SDR12双轴拨瓶的缩回步进电机驱动器  PM1～PM12双轴拨瓶的拨瓶步进电机  RM1～RM12双轴拨瓶的缩回步进电机  PSW1～PSW12拨瓶到位感应开关RSW1～RSW12缩回到位感应开关  SDT1～SDT12伺服钳瓶电机驱动器  TKM1～TKM12伺服钳瓶电机  SDI1～SDI12伺服翻转电机驱动器  IVM1～IVM12伺服翻转电机SDOB1～SDOB12初型模开/关伺服电机驱动器  OPBM1～OPBM12初型模开/关伺服电机SDOP1～SDOP12成型模开/关伺服电机驱动器  OPPM1～OPPM12成型模开/关伺服电机LCPN现场控制盘；
图3中：BTPi双轴拨瓶启动按钮  SWTi伺服钳瓶的手动/自动初始化开关  Tjog+伺服钳瓶点动+和单步运行调试按钮  Tjog-伺服钳瓶点动和单步运行调试按钮  SWi伺服翻转的手动/自动初始化开关  Ijog+伺服翻转点动+和单步运行调试按钮Ijog-伺服翻转点动-和单步运行调试按钮  SWOBi伺服初模开的手动/自动初始化开关Bjog+伺服初模开点动+和单步运行调试按钮  Bjog-伺服初模开点动-和单步运行调试按钮  SWOPi伺服成模开的手动自动初始化开关  Pjog+伺服成模开点动+和单步运行调试按钮  Pjog-伺服成模开点动-和单步运行调试按钮  X1进线端口  X2出线端口。
具体实施方式
图1～11是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～11对本发明做进一步说明：
参照图1：
多轴伺服制瓶机智能系统，主要包括控制中心PN，上位计算机PC，双轴拨瓶步进电动机PM1～PM2，双轴拨瓶缩回电机RM1～RM2，钳瓶伺服电机TKM1～TKM12，翻转伺服电机IVM1～IVM12，初型模开/关伺服电机OPBM1～OPBM12，成型模开/关伺服电机OPPM1～OPPM12，拨瓶到位感应开关PSW1～PSW2，拨爪返回感应开关RSW1～RSW12组成，上位计算机PC的COM口与控制中心PN中的母板MB相连，控制中心PN通过信号线与生产线主控制系统KC、现场控制盘LCPN、双轴拨瓶器的步进电机驱动器SDP1～SDP12，驱动拨瓶步进电机PM1～PM12，步进电机驱动器SDR1～SDR12，驱动拨爪缩回步进电机RM1～RM12；多组伺服钳瓶机构的伺服电机驱动器SDT1～SDT12，驱动伺服钳瓶电机TKM1～TKM12；多组伺服翻转机构的伺服电机驱动器SDI1～SDI12，驱动伺服翻转电机IVM1～IVM12；多组伺服开模机构的伺服电机驱动器SDOB1～SDOB12，SDOP1～SDOP12，开模电机OPBM1～OPBM12，OPPM1～OPPM12相连。
参照图2：
中心控制单元PN由下位计算机单元CPUS组成，CPUS由12块CPU多轴伺服控制板CB1～CB12和母板MB组成。母板MB通过插槽与12块CPU多轴伺服控制板相连。下位计算机单元CPUS与步进电机驱动器SDP1～SDP12，SDR1～SDR12相连，与伺服电机驱动器SDT1～SDT12，SDI1～SDI12，SDOB1～SDOB12，SDOP1～SDOP12相连，与拨瓶到位感应开关PSW1～PSW12、缩回到位感应开关RSW1～RSW12相连，与现场控制盘LCPN相连。上位计算机PC的COM口与网络分配板FPB相连，网络分配板FPB与中心控制单元PN中的母板MB相连。母板MB接受的Start启动信号和WTB外同步信号与生产线主控制系统KC相连.
参照图3：
是制瓶机一段的伺服控制按钮和开关。
BTPi是双轴拨瓶启动按钮，SWTi是伺服钳瓶的手动/自动初始化开关，Tjog+伺服钳瓶点动“+”和单步运行调试按钮开关，Tjog-伺服钳瓶点动“-”和单步运行调试按钮，SWi是伺服翻转的手动/自动初始化开关，Ijog+伺服翻转点动“+”和单步运行调试按钮，Ijog-是伺服翻转点动“-”和单步运行调试按钮，SWOBi是伺服初模开的手动/自动初始化开关，Bjog+伺服初模开点动“+”和单步运行调试按钮，Bjog-是伺服初模开点动“-”和单步运行调试按钮，SWOPi是伺服成模开的手动自动初始化开关，Pjog+伺服成模开点动“+”和单步运行调试按钮，Pjog-伺服成模开点动“-”和单步运行调试按钮，X1进线端口  X2出线端口。
参照图4：是多轴伺服控制板的主程序流程图.
首先是初始化部分，对I/O端口、寄存器、存储器、定时器、控制寄存器等进行初始化。主程序部分：检测是否有接收的上位机的数据，若有，进行数据处理，保存；检测是否有按钮开关命令，若有，分析在什么状态下的哪一个开关按钮命令，进行相应的处理：若是某伺服机构的手动开关信号，进行初始化定位后置手动标记；若是某伺服机构的自动开关信号，进行初始化定位后置自动标记；如果是双轴拨瓶的按钮命令，处理双轴拨瓶的初始化及启动和停止；如果是主系统发来的Start启动信号，对各个伺服轴进行启动停止处理；检测内/外同步控制方式，在内同步方式下，系统自动产生周期信号；检测系统报警并进行处理。
参照图5：是多轴伺服控制板的2ms中断程序流程图：
在2mS中断中，对多个计时器进行记时，采样从生产线主控制系统发来的外同步信号WTB并分析处理，用同步信号的周期时间产生1度对应的时间用于1度的定时中断。采样双轴拨瓶的到位感应开关信号PSWi和RSWi信号，进行处理后控制双轴拨瓶的运行；中断返回。
参照图6：是多轴伺服控制板的1度中断程序流程图：
该中断中对周期时间计时，检测各轴的启动情况，根据启动状态，适时输出各伺服轴的运动控制信号。如果有双轴拨瓶的启动标记，就定时按点读出运动曲线数据，输出双轴拨瓶运行曲线脉冲；如果是某伺服机构的启动标记，定时输出某伺服机构的运行曲线脉冲；如果是某伺服机构的停机过程标记，检测是否到达停机位置，未到达就继续运行，到达就清停机标记，该伺服轴停机；中断返回。
参照图7：是多轴伺服控制板的伺服机构点动模块流程图。
处理在各种状态下，按下点动按纽的处理过程：有点动按纽命令并且在手动状态下，按着点动“+”和点动“-”按纽，机构慢运行，且记录运行位置对应的数据，到达要求位置后，同时按下点动“+”和点动“-”按纽，读出并记录位置数据，机构自动初始化回原位。如果有点动按纽命令并且在自动的停机状态下，按一下点动“+”或者点动“-”按纽，机构运行一个位置，反复点动，循环运行，用于检测机构的定位运行情况，便于维修。如果有点动按纽命令并且在自动状态的运行过程中，按一下点动“+”按纽，机构运行的行程增加一点，按一下点动“-”按纽，机构运行的行程减少一点，达到运行中调整行程的及数据的目的。返回。
参照图8：是多轴伺服控制板的双轴拨瓶器初始化模块流程图。
首先检测拨出轴是否在原位，若不再原位，启动拨出轴运行到原位；检测返回轴是否在原位，若不再原位，启动返回轴运行到原位；检测到拨出轴和返回轴都回原位后，置双轴拨瓶启动标记。返回。
参照图9：是多轴伺服控制板的伺服机构初始化模块流程图：
5个伺服机构的初始化程序流程相似。初始化过程是先控制机构向原点方向运行，同时检测负载电流，若达到设定负载，就是找到原位，再向相反方向运行偏移量，初始化结束。返回。
参照图10：是多轴伺服控制板的伺服机构启动/停止模块流程图：
所有伺服机构的启动停止是受主系统发来的同步信号和启动信号的控制，若有主系统发来Start启动信号时，若已启动就继续运行；若未启动并且已经初始化，若硬件和数据满足启动条件，置启动标记；若未启动并且也未初始化，就首先进行初始化，再置启动标记；若同步信号消失，置停机标记。返回。
参照图11：多轴伺服控制板的同步信号采样模块流程图：
主系统每周期发来一个外同步脉冲信号WTB，该程序采样外同步信号WTB，若是上升沿，进行上升沿滤波后，取周期时间，根据周期时间计算计算1度的时间定时，并且设置外同步信号标记。如果是下降沿，进行下降沿滤波，下降沿结束，置信号结束标记。返回。
按照图1～11设计制作的多轴伺服制瓶机智能系统的工作原理和工作过程如下：
首先通过上位计算机单元PC的串行口COM对下位计算机单元CPUS的各多轴伺服控制板进行参数和曲线设置，以便符合制瓶机各伺服轴的运动定位要求。初次使用，可将各伺服轴的三位开关SWXi拨到手动上，初始化后用jog键调整定位和行程。各伺服轴的三位开关SWXi拨到自动位置上，自动初始化后，等待主系统发来Start启动信号和WTB同步信号，伺服轴便按照设定曲线开始执行“动-停-动”的循环运动，主系统启动信号停止或同步信号停，各伺服轴便停在设定位置。在运行过程中按点动按纽，可以修正运行的行程。在自动状态下运行之前，按点动按纽，可以单步运行到各个定位。对于双轴拨瓶，没有初始化开关，只有启动/停止按钮，在主系统同步信号正常的情况下，按下双轴拨瓶启动按钮，双轴拨瓶器首先初始化到原始位置，然后按照外同步信号的周期，每周期完成1次拨瓶动作，再按一次拨瓶启动/停止按钮，双轴拨瓶器停止在原始位置，当同步信号WTB停止后，双轴拨瓶器也自动停在原始位置。