1 引言
口服液药瓶是一种用途较广的长圆柱体玻璃瓶。瓶子从玻璃厂制造出来后，必须按照国家相关标准进行严格的清洗、干燥和消毒，才能灌装各种口服营养液和药液。因此，口服液药瓶的清洗是一项极为重要的工序，因而也产生了各种不同类型的自动清洗机械。作者采用三菱变频器、三菱PLC及kinco步进系统，成功地应用在一种结构简单、清洗效率高的超声波洗瓶机械上，大大地提高了设备的自动化程度。
2 超声波洗瓶机的工作原理
洗瓶机的主要动力源是一台750w的减速电动机，它通过链轮链条和伞型齿轮等机械装置驱动输送瓶子的金属网输送带和10瓶一排组成的清洗架，电动机的速度由变频调速器控制。当清洗架运动到螺旋推进辊送瓶的位置稍作停顿时，机械凸轮感应接近开关发出指令，步进电机立即驱动螺旋推进辊快速旋转10圈，将密密麻麻、相互簇拥的待洗瓶子中的10只推入空清洗架，若清洗架上已有10只清洗完毕的瓶子，则被10只未清洗的瓶子“挤”出清洗架……如此周而复始、程序井然地将十只十只待洗的瓶子送入超声波水箱中清洗，然后十只十只的被“挤”出到干净瓶的支架里。若有联动生产线，清洗后的瓶子将转入干燥、灌装、压盖、贴标等工序，完成整个口服液灌装生产全过程，参见图1。
图1 超声波洗瓶机的额工作原理(俯视图)
由于螺旋推进辊的初始位置要求十分准确，否则推进时就不能确保是10个整数瓶子，有可能出现半个瓶子卡在清洗架边上的异常情况，这时开动机器就会将那半个瓶子挤碎，既不合理也不安全;加之步进电机在断电后没有锁紧能力，螺旋推进辊可以自由运动，自然无法保证在每次起动时在同一位置。因此，系统为螺旋推进辊设置了“机械原点”并编写“原点回归”的plc程序。每次正式开机之前，启动“原点回归”，由步进电机、plc和接近开关自动寻找机械原点并且准确地停下来。
3 超声波洗瓶机自控系统主要配置
(1) 三菱变频调速器:fr-s540-0.75k-ch(外接1kω /2w电位器) 1台;
(2) 三菱可编程控制器(plc):fx1n-10mt-001(晶体管输出型、i/o点=6/4点) 1台;
(3) 深圳kinco 86系列两相步进电机:2s86q-051f6(相电流6a、保持转矩12.8nm) 1台;
(4) 深圳kinco步进驱动器:2m1060(最大驱动电流6.5a、256/250细分功能) 1台;
(5) 350va单相交流变压器:220vac/100vac(步进驱动器电源) 1台;
(6) 图尔克接近开关:NI4-m12-an6x(10～30vdc供电、npn型、感应距离4mm) 2只;
(7) 步进驱动器信号输入端限流电阻:2kω/1w 2只。
4 超声波洗瓶机主要自控器件选型
4.1 变频调速器和plc的选型
根据负载的情况，选用三菱fr-s540-0.75k-ch变频调速器。它虽然属于简单易用型，但它具有自动转矩提升功能，能实现6hz时150%转矩输出。为便于操作，外接1kω/2w的调速电位器到控制柜面板上。
步进电机的定位运动需要指令脉冲，选用三菱小型plc中最简单的机型—fx1n-10mt。它是晶体管输出型，其y0、y1两个输出点能输出两路100khz的脉冲信号，可以控制两路步进电机或两路交流伺服电机。同时，三菱fx系列plc具有非常丰富的定位指令，如原点回归、可变速脉冲输出、相对位置控制、绝对位置控制等等，可以完成除直线插补、圆弧插补以外的简易定位控制。此外，plc在工业现场的稳定性和抗干扰能力优于其它如运动控制卡等脉冲发生器件。
4.2 步进电机和步进驱动器的选型
步进电机和交流伺服电机都是将离散的电脉冲信号转化为相应角位移或线位移的电磁机械装置，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比;输出的转速与输入的脉冲频率成正比。它具有转矩大、惯性小、频率响应快等优点，在工业上得到越来越广泛的应用。洗瓶机的螺旋推进辊就其定位精度、旋转速度和负载转矩而言，采用步进系统技术上合理，经济上也合算。
步进电机分为两相电机和五相电机两个大类。两相电机步距角大，高速性能好，但存在低速振动区和精度略低的缺点;五相电机步距角小，运行精度高，低速运行平稳，具有交流伺服电机的某些优良特性，但同功率的电机，五相电机的造价比两相高。比较其技术/经济指标后，选用两相电机，低速振动区的问题采用细分驱动器的办法解决。
步进电机的步距角的大小只有两种:即整步1.8°和半步0.9°。为了解决步进电机的低速振动区和谐振问题，对驱动器采取细分驱动的办法，即将一个步距角细分成若干个步，即2、4、5、8、16………直至250、256步。例如，标准的脉冲当量是一个脉冲驱动1.8°，若采用5细分，编写plc程序时的脉冲数则要按照5个脉冲驱动1.8°计算;若采用16细分，脉冲数则要按照16个脉冲驱动1.8°计算;……由此类推。脉冲频率即每秒的脉冲数也同理计算。洗瓶机的步进驱动器选用了具有最高256细分功能的 2m1060驱动器，通过现场调整细分设置，使步进电机在各种速度下都能平稳运行，低速区的噪音和振荡减至最小。
步进系统选型的最重要依据是“步进电机2s86q-051f6/步进驱动器2m1060矩频曲线图”(参见图2)。洗瓶机要求步进电机的转速在300～360r/min，并且没有机械变速装置。查图2可知，在此转速范围内，步进电机的转矩在5～6nm之间，符合负载转矩要求。
图2 步进电机2s86q-051f6/步进驱动器2m1060
5 变频器参数设置及步进定位控制的plc编程
因变频器的频率调整和正转启动开关都设置在机壳的外部，参数pr.79“操作模式选择”设定为“2”，即:执行外部操作。经过反复调试，变频器下限频率参数pr.2设置为“0”，上限频率参数pr.1设定为45hz，即4极鼠笼式电机转速限制在1330r/min左右，这样能使电机驱动清洗架时，其最短停顿时间稍大于步进电机旋转10圈所需要的时间，有效防止控制系统内部发生冲突。
通过试验，步进驱动器的设置定为16细分，这时步进电机处于最佳运行状态，并依据这个数据编写plc程序。(参见图3)
图3 超声波洗瓶机步进系统电路图
(1) 定位控制中脉冲数的计算
标准的脉冲当量是一个脉冲驱动1.8°，旋转1圈360°需要200个脉冲，螺旋推进辊旋转10圈需要2000个脉冲。因为16细分的原因，实际需要脉冲数32000个。
(2) 定位控制中脉冲频率的计算
通过调试，步进电机的额定转速定为360r/min，即每分钟旋转360圈需要的脉冲数为3200×360=1152000，化为每秒钟的脉冲数即频率:1152000/60=19200hz。步进电机最高转速设定为400r/min，即频率为21333hz。
(3) 定位控制基本设定的plc程序
图4 定位控制基本设定的plc程序
图4程序中，m8002为“初始化脉冲”特殊辅助继电器; d8146为“最高速度设定”特殊寄存器，k21333表示脉冲频率为21333hz; d8148为“加减速时间设定”特殊寄存器，k100即表示100ms; dmov为32位传送指令; mov为16位传送指令。这段程序的含义是:步进电机限速400r/min; 加减速时间均为100ms。
(4) “原点回归”的plc程序:
图5程序中，m8000和m8140都是特殊辅助继电器，它的含义分别是“运行监视接点”和“带清零信号输出的原点回归有效”; x001为“原点回归”点动按钮;dzrn为32位“原点回归”指令;k1000为“原点回归”速度(频率); k100为爬行速度(频率); x004为机械原点接近开关，或称为“近点开关”，其感应金属件利用了紧固轴的m6六角螺钉; y000为plc脉冲输出点; m8029是“执行完成标志”的特殊辅助继电器，取其上升沿接通m100，继而打开“原点回归”指令的自锁。
图5 “机械原点回归”的plc程序
这段程序的含义是:当x001启动后，步进电机以1000hz的运行频率寻找机械原点;当六角螺钉感应x004接近开关on后，电机以100hz的运行频率爬行;当x004由on转变为off的瞬间，即六角螺钉刚好脱离接近开关的感应区时，步进电机立即停止，这个位置就是所谓“机械原点”。plc程序已将m8140置于on状态，能够在原点回归后自动向步进电机输出清零信号，不至于影响电机的后续运行。经实际测定，该系统机械原点的位置非常精确。
(5) 螺旋推进辊推瓶动作的的plc程序
图6程序中，x000为推瓶启动接近开关;ddrvi为32位的“相对位置控制”指令;k-32000为反转10圈的脉冲数;k19200为脉冲频率;y000为plc脉冲输出点;y001为plc输出的脉冲方向信号。m8029是“执行完成标志”，取其上升沿接通m200，继而打开x000启动指令的自锁，等待再次启动的信号。
图6 螺旋推进锟推瓶动作的的plc程序
步进电机(包括交流伺服电机和其它电动机)约定的正转反转方向如图7所示;其二，螺旋推进辊不允许反转，但原点回归指令中又没有方向信号。为了服从原点回归指令，将步进电机的a+a-、b+b-两个绕组的接线互换位置来改变旋转方向(参见图8)，同时将螺旋推进辊动作程序中的脉冲数改为负值。这样就使plc程序与实际控制要求得到了统一。
图7 步进电机旋转方向规定
图8 两相步进电机绕组布置
6 试制经验总结及结束语
在洗瓶机自控系统的试制过程中，遇到的最大难题是负载转矩准确数值的确认:若完全按理论公式计算，公式本身就含有一些不便于检测的参数，结果只可能是近似值。只有理论计算与实验相结合，才能得到正确合理的选型。驱动器选型时曾过多地考虑经济性，选择了出力略小的2m860型，而厂家的样本并没有提供所选电机与 2m860的矩频曲线图，选型有些盲目，导致试车时电机出现严重失步—电机定位和转速均出现较大偏差，直到更换成2m1080才解决问题。其间，还曾考虑过采用价格稍低、与2m1080矩频曲线相同的2h1080型驱动器，但它只有整步/半步调整，而没有细分功能，担心调试时出现机械振动问题而无法解决，也放弃了选用。
其二，2m1060驱动器的供电电压在产品样本上规定为“交流60～100v”。在实践中体会到:图2的矩频曲线图是在驱动器电压为交流100v时即电机最大出力时描绘的。若电源变压器的次级电压小于交流100v，其步进电机的转矩要打折扣。制作之初，曾选用了一只交流220v/60v的变压器，空载时实测还不足60v，结果电机转矩明显不足，出现失步现象。后来更换了一只交流220v/100v的变压器(输出侧空载106v)，步进系统的转矩完全达到要求。
