關于智能化磁懸浮制瓶機的實現探討

劉新璽

摘 要 當前，我國各行業對玻璃瓶罐的需求量迅速增加，僅憑傳統滯后的制瓶設備技術，難以實現大批量、自動化的生產，且難以保障生產質量和精度。為解決上述問題，制瓶機械技術得到了改進，同時促進了制瓶機械行業的迅速發展。發展制瓶機驅動技術，是實現大規模自動化生產的關鍵，對此，制瓶行業應加強對制瓶機驅動系統的研究。

關鍵詞 智能化 磁懸浮制瓶機 伺服電機

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0028-03

在食品、日化、醫藥和飲料等行業部門中，瓶罐玻璃制品得到了廣泛應用，將瓶罐玻璃制品作為配套用包裝瓶能降低成本，且能實現重復回收利用。當前，瓶罐玻璃制品的需求量與日俱增，對此，玻璃制瓶行業需要加快發展。制瓶機廠家相繼研發了磁場控制系統、電子定時控制、同步傳動等新技術，并推出了8組單滴行列機和8組雙滴行列機等產品，大幅度提高了生產水平。多數制瓶機已能實現計算機控制，但受技術限制，難以保障產品精度穩定性，無法實現更高要求，對此，有必要加強對智能化磁懸浮制瓶機的實現探討。

1 智能化磁懸浮制瓶機項目及其研發公司概述

智能化磁懸浮制瓶機項目，是通過創新制瓶機夾頭盤的驅動裝置，研發以磁懸浮技術為基礎的驅動裝置，實現對夾頭盤的直接驅動，既能防止多級機械傳動引發的能量損耗，還能分析驅動裝置控制，精準定位夾頭盤，實現對夾頭盤精度的大幅度提高，并避免齒輪間接傳動產生嚴重磨損[1]。智能化磁懸浮制瓶機的研發單位為河北陸源科技有限公司，該公司于2007年11月成立，宗旨是“以質量求生存，以創新求發展”。公司高度重視深入研發產品，并強調技術創新，技術產品均處于行業領先水平。近年來，公司在加工制作、裝配工藝以及檢測手段等方面實施了科技創新，有效保障了產品質量的大幅度提高。在目前國內的制瓶機行業中，河北陸源科技有限公司占據著龍頭地位，最近三年先后承擔了石家莊市科技計劃“32夾頭數控制瓶機”、“制瓶機精準插管設備研究”等項目，還承擔建設了“石家莊市制瓶機裝備工程技術中心”。公司的科研技術實力雄厚，技術儲備豐富，現已完成對智能化磁懸浮制瓶機研發項目的可行性分析，下一步即是對關鍵核心技術進行攻關。

2 智能化磁懸浮制瓶機發展現狀

2.1 國內發展現狀

制瓶機夾頭盤驅動裝置主要包括伺服電機、主軸套、齒輪分度盤以及齒輪變速器，伺服電機的輸出軸通過齒輪變速器和齒輪分度盤實現與主軸套的連接。通過該結構轉動驅動夾頭盤時，伺服電機先轉動內部減速機，帶動齒輪變速器，從而帶動齒輪分度盤實現嚙合傳動，再通過齒輪分度盤經由主軸套向夾頭盤傳遞動力[2]。通過控制伺服電機，并通過齒輪變速器機械裝換方式實現夾頭盤分度。

此類驅動裝置以及分度方法的缺陷如下：一是伺服電機中包含減速機，且伺服電機與齒輪變速器相連接，齒輪分度盤經過多級機械傳動才能驅動夾頭盤使之轉動，不僅具有復雜的結構，且磨合點保持長期運轉受力，會損傷局部部件，還會對夾頭盤轉動位置的實際精準度造成不良影響。二是在運轉過程中，齒輪變速器的受力磨合較大，產生的噪音較大，會在車間內形成噪音污染。三是未能將伺服電機動能直接轉化為驅動夾頭盤轉動的動能，在多級傳動下，會形成能量損耗，消耗的電能較多，還會產生較多維護費用，導致企業實際運營成本增加。四是車間設備經常保持24h不停運轉，在長時間運轉下，齒輪變速器以及減速機產生較大的磨損，對設備精度造成不良影響。需經常對設備實施檢查維護，并定期對齒輪間隙和齒輪精度進行調整，這就導致運轉費用增加;在使用過程中，齒輪變速器、齒輪分度盤以及零部件出現嚴重磨損后，將影響夾頭盤分度精度，因此必須對磨損零部件進行更換，這就導致運轉費用增加[3]。

2.2 國外發展現狀

國外制瓶機驅動裝置采用機械式驅動，由減速機實現夾頭盤分度，對減速機轉向和轉速進行控制，實現分度功能。當前，各行業對高質量玻璃瓶罐的需求量日益增多，促進了玻璃制瓶行業的智能化發展。

3 智能化磁懸浮制瓶機項目實施內容

3.1 智能化磁懸浮制瓶機項目實施方案

智能化磁懸浮制瓶機項目，以夾頭盤驅動裝置和夾頭盤分度方法為主要研究內容：智能化磁懸浮制瓶機分度式驅動裝置主要包括直聯式驅動電機和主軸套。直聯式驅動電機包括定子和轉子，主軸套頂端與夾頭盤固定連接，且穿過轉子輸出軸套并與之相緊固，主軸套穿過轉子輸出軸套，并通過其下端鎖母與主軸套相緊固，夾頭盤固定在主軸套上端。

智能化磁懸浮制瓶機直分度式分度方法，主要步驟如下。

3.1.1 設置初始參數

將單工位運行角度輸入PLC中，單工位運行角度β=（360°/工位數）。

3.1.2 基準點定位

將直聯式驅動電機的轉子定位到基準點位置，制瓶機零點定位。

3.1.3 轉子被定子分度控制

首先進行啟動，PLC將指令輸出至驅動器，驅動器將正向電流輸出，使定子形成旋轉磁場，轉子對旋轉磁場進行切割，產生正向力矩，由此帶動夾頭盤實現加速轉動。停止步驟如下：PLC將指令輸出至驅動器，驅動器將反向電流輸出，使定子形成旋轉磁場，轉子對旋轉磁場進行切割，產生反向力矩，由此帶動夾頭盤實現減速轉動。PLC將指令輸出至驅動器，驅動器將電流輸出，使直聯式驅動電機帶動夾頭盤轉動至下一工位或者多個工位。

3.1.4 維持制瓶時間

驅動器輸出使夾頭盤停留在該工位的穩態電流至直聯式驅動電機。

3.1.5 重復步驟3.1.3與步驟3.1.4

展開市場調研，以國內外相關領域的制瓶機夾頭盤相應的驅動裝置作為參考，深入了解并科學分析現有制瓶機夾頭盤的驅動裝置及分度方法，對現有結構進行剖析，探究現行分度方法的問題，初步制定解決方案。

構建智能化磁懸浮制瓶機夾頭盤驅動裝置及分度方法的整體設計方案，對方案進行論證，對驅動裝置及分度方法的整體方案進行最終確定，完成驅動裝置結構設計，分度方法硬件設計和軟件設計。

完成智能化磁懸浮制瓶機夾頭盤的驅動裝置后，實施樣機試制，對驅動裝置具備的驅動能力進行測試，將其存在的缺陷、問題進行分析，并提出解決問題的具體方案，對方案加以完善。完成制瓶機夾頭盤的分度方法后，開展在線測試，對夾頭盤的分度定位精度進行測試，對其存在的缺陷、問題進行分析，并提出解決問題的具體方案，對方案加以完善。

對項目產品實施總結驗收，對產片實施批量化生產，并在市場中加以推廣。

3.2 智能化磁懸浮制瓶機項目實施內容

3.2.1 創新點

本驅動裝置能避免機械摩擦導致磨損而對定位精度產生不良影響，且重復定位具有較高精度，能多次實現精準定位，將夾頭盤精準定位在制瓶時工作位置，能確保產品保持一致規格。

本驅動裝置能大幅度減少工作噪音，向夾頭盤直接傳遞動力，帶動夾頭盤轉動，產生的電能損耗少，能大幅度減少生產成本，有效避免直聯式驅動電機發生磨損，并延長其使用壽命，穩定性和可靠性較強。

智能化磁懸浮制瓶機將控制信號發出，由直聯式驅動電機定子對信號進行接收，在定子與轉子間形成磁場，使轉子與主軸套實現旋轉分度，分度運轉保持一致。轉子、定子等電子控制元件使用多年發生老化后，對之進行更換即可。

智能化磁懸浮制瓶機夾頭盤僅靠數據指令即能轉動，不受外部環境因素影響，無需定期實施人工維護，即能長期保持正常分度運轉，能促進生產效率實現大幅度提高，并減少勞動力。

智能化磁懸浮制瓶機對機械傳動分度進行創新，實現磁場分度，提高了分度準確度，且不會產生積累誤差，無需日常潤滑，能有效減少污染，且不存在摩擦點和觸合點，延長使用壽命。

3.2.2 關鍵技術

智能化磁懸浮制瓶機關鍵技術主要包括如下內容：一是夾頭盤直驅技術。直聯式驅動電機輸出軸套與固定連接夾頭盤的主軸套直接連接，電機啟動后，能驅動主軸套發生轉動，并帶動夾頭盤發生轉動，此類驅動方式無需減速機、齒輪等部件相連接，可使能量損耗減少。二是固定技術。支撐套固定連接在主軸套和機身之間，利用主軸套對夾頭盤進行間接支撐，能促進夾頭盤增強穩定性;直聯式驅動電機借助支撐座在機身下方固定，能從整體上增強驅動裝置穩定性。三是磁場分度技術。PLC向驅動器輸出指令，驅動器將正向電流輸出，使電子形成旋轉磁場，轉子對旋轉磁場進行切割，產生正向力矩，驅動夾頭盤使之形成加速轉動，對流向電子電流的方向大小進行控制，并對轉子轉向和轉速進行控制，對夾頭盤進行分度。

3.2.3 主要考核指標

1.技術指標。制頸等分盤每站自轉時徑向跳動不超過0.10mm;制底等分盤每站自轉時徑向跳動不超過0.10mm;制頸等分盤鋁盤夾頭過站時，夾頭與夾頭之間的等分位置偏差不超過0.04mm;制底等分盤運轉時，各站中心線對夾頭座中心線位置相對偏差不超過0.20mm。A部夾頭中心與B部夾頭中心位相對偏差[冷狀態]0.55mm～0.65mm。制頸等分盤各站中心對鉗子擴口套中心距離與徑向位置偏差，[冷狀態]時擴口中心位置與等分盤的中心向外偏差0.4mm～0.6mm，[熱狀態]時擴口中心位置與等分盤中心位置相對應。

2.經濟指標。完成本項目產品后，預計年產量為50臺，年銷售收入為3250萬元，年凈利潤為400萬元，年交稅金為320萬元。

3.社會效益指標。通過本項目，公司新增20位就業人員，實施該項目能提高制瓶機定位精度，具有較高的傳動效率，且損耗的電能較少，具有廣泛的適用范圍和較長的使用壽命。

4.成果指標。申請6項知識產權，發表3篇論文，建立2項企業標準，形成1項新產品，解決現有技術中驅動裝置動力損耗的問題。

4 智能化磁懸浮制瓶機項目實施機制和保障措施

4.1 智能化磁懸浮制瓶機項目實施機制

由研發部構建管理制度，并配套設置操作流程，形成清晰的崗位職責劃分，構建技術檔案和項目管理方法，設立績效考核機制，并輔之以必要的激勵措施，形成對員工的有效激勵，保障項目研發工作的高效開展和規范運轉。利用多種方式強化內外部合作機制建設，組建技術團隊，組織技術人員參與各種研發交流和技術合作。

4.2 智能化磁懸浮制瓶機項目保障措施

公司高度重視技術團隊建設和設備更新，將技術改造、技術創新、資金投入、銷售收入等作為重要的考核指標，不斷促進技術進步，為項目研發提供技術保障;建設研發技術中心，推動技術創新和產品研發，并對研發技術中心實施規范管理;加快設備更新，加強產品研發測試，提高產品加工水平;與高校加強戰略創新合作，針對技術創新組建項目研發小組，利用外部優質技術資源推動技術創新，實現對產品創新周期的有效縮短，加快新產品研發，對產業鏈進行拓展延伸，增強企業科研實力。

5 智能化磁懸浮制瓶機項目實施風險和應對措施

5.1 智能化磁懸浮制瓶機項目實施風險

5.1.1 資金風險

智能化磁懸浮制瓶機研發項目具有較大的資金投入量，前期投入資金較多，并且研發過程需要對資金進行持續投入，可能產生資金短缺風險。

5.1.2 技術風險

智能化磁懸浮制瓶機研發需要解決包括夾頭盤直接驅動、磁場分度以及夾頭盤控制等技術在內的多項核心技術難題，難度較高，在研發過程中極易產生技術風險。

5.1.3 市場、政策風險

智能化磁懸浮制瓶機項目屬于高端機械設計技術領域，面臨市場接受度風險。另外，國家對制瓶機制造企業提出較高的安全和準確度要求，企業對研發新技術持審慎態度。

5.2 智能化磁懸浮制瓶機項目風險應對措施

5.2.1 資金風險應對措施

加強制度管理，對研發資金管理辦法進行嚴格執行，從制度層面上保障對研發資金進行專款專用。公司為項目研發準備充足資金，避免出現資金短缺。

5.2.2 技術風險應對措施

由專家負責項目設計和研發，并與高校全面開展產學研合作，組織多樣化的技術交流和培訓，增強公司技術研發能力，有效解決項目研發涉及的技術難題。

5.2.3 市場、政策風險應對措施

研發公司與其他企業構建合作關系，開創示范工程模式，在小范圍內開展試驗驗證，再向大范圍推廣，有效消除目標客戶對新型技術存在的顧慮。

6 結語

綜上所述，研發智能化磁懸浮制瓶機技術，應基于對智能化磁懸浮制瓶機的國內外發展現狀的分析，科學制定智能化磁懸浮制瓶機項目實施方案，并明確智能化磁懸浮制瓶機的創新點和關鍵技術，構建智能化磁懸浮制瓶機項目的高效實施機制，并輔之以必要的保障措施。另外，要針對智能化磁懸浮制瓶機項目實施過程中存在的資金風險、技術風險以及市場、政策風險，采取行之有效的應對措施。

參考文獻：

[1] 張宇，侯榮國，陳雪松，等.行列式制瓶機鉗瓶機械手機構組成及運動學分析[J].山東理工大學學報（自然科學版），2020，34（05）：7-10.

[2] 朱志遠，錢振海.制瓶機壓縮空氣供氣系統優化改造分析[J].玻璃搪瓷與眼鏡，2020，48（01）：30-32，42.

[3] 韓欣榮.玻璃制瓶機諧波傳動柔輪壽命分析及參數優化[D].武漢：華中科技大學，2019.