回转式数控自动制瓶机的智能制造

胡 伟，杨家军，邓家辉，汪 雷，黄 圣

(1 华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074； 2 荆门市楚大机电有限公司，湖北 荆门 448000)

设计与机电产品动态设计

回转式数控自动制瓶机的智能制造

胡 伟1，杨家军1，邓家辉1，汪 雷2，黄 圣2

(1 华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074； 2 荆门市楚大机电有限公司，湖北 荆门 448000)

针对国内回转式制瓶机现状，以“工业4.0”的概念为指导，将计算机技术、信息技术、网络技术和软件等在回转式制瓶机上深度融合，形成全新的智能控制系统。该系统不仅延续原有的全自动化控制，并且构建了人机交互平台，具有实时监控、在线调整和故障诊断等功能，显著提升其柔性制造能力，实现回转式制瓶机产品全生命周期和生产流程的数字化、信息化，促进制瓶产业转型升级。

回转式制瓶机； 智能制造； 人机交互； 实时监控； 故障诊断

当前正是国家大力推动制造业转型升级的关键时刻，德国提出的“工业4.0”战略与我国的“两化”(信息化、工业化)有类似之处。所以，借鉴德国的成功战略对我国制瓶行业的发展有重大意义。德国所谓的工业4.0是利用物联信息系统将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，达到快速、有效、个人化的产品供应。目前国内的制瓶工业仍存在不足，回转式制瓶机的控制系统存在地区性差异，大部分地区已达到全自动化水平，其他则处于半自动化阶段[1]。控制系统多采用单片机或PLC控制，只能实现对设备的单向、封闭式控制，无复杂信息的反馈，生产系统的设备监控、在线控制、故障诊断等仍处于空白。玻璃制品的需求和制瓶设备技术的差异，迫使智能化程度更高的生产系统产品的出现。本文将“智能工厂”的理念引入回转式制瓶机控制系统，以人机交互的方式将信息空间与人们生活的物理空间相互融合，基于运动控制卡构建人机交互平台，实现远程在线监控、调整、诊断等，为制瓶行业步入“工业4.0”时代建立基础。

1 回转式制瓶机系统

1.1 回转式制瓶机制瓶工艺流程

玻璃原材料在熔料盆中经过高温熔化，通过供料机构供料，伺服减料机构剪下料滴；料滴经过分料机构运输到达初成型模，在初成型模中完成初成型，再通过翻转机构将初成型料滴翻转至成型模；成型后经过冷却再由钳瓶机构将瓶子运送到输送带上(图1)。

图 1 制瓶工艺流程图

一条生产线通常由3至4台回转式制瓶机及一个高温熔炉构成，各制瓶设备之间也有紧密联系，形成一个有序运转的整体。其系统结构见图2。

图 2 系统结构图

传统的单片机或PLC控制系统只有少部分信息在控制系统中进行交互，系统闭塞，难以与用户形成高效、自然的信息交互，给操作、维护和生产带来了极大的不便；此外，制瓶系统的工艺环节联系紧密，故障的发生会严重影响生产质量与效率，而封闭的控制系统对故障诊断与排除不利。

1.2 人机交互内容

制瓶设备中需要控制的单元众多。要对生产线上的控制节点进行全面有效监控，就必须明确其控制节点种类、数量和各节点的控制要求及控制参数等。从而更好确定人机交互的信息内容，避免漏控等问题。

要确定交互的信息内容，就需要先分类统计控制对象，其主要的分类原则有：1)将相互独立的控制对象按照所属的子系统进行分类，在子系统中对其数量和运行参数等要求进行统计。2)将子系统中的控制对象按照模拟量、数字量、数据等控制类型进行分类，有助于确定控制方式和精度等信息。工作台人机交互内容如表1所示。

表1 工作台人机交互内容

2 智能制造技术难点与突破

2.1 技术难点分析

以回转式制瓶机工作台的人机交互控制为例。制瓶机工作台的结构如图3所示，工作台上一共有4个工位：初成型胚料入模工位、冷却工位、成型瓶出模工位和过渡工位。每个工位对应有一个成型模具。在这4个工位中，对模具定位要求最高的是初成型胚料入模工位，因为在初成型料滴经过伺服翻转机构进入该工位的过程中，翻转机构夹具的中心与模具的中心的同心度直接影响了瓶罐外形尺寸精度。4个模具会循环进入该工位，必须保证4个模具在运行到该工位时都具有良好的定位精度。而工作台的质量较大，且需要频繁的启停，其传动系统采用的是涡轮蜗杆和齿轮减速，在长期启停运转后传动系统精度会受到较大影响，蜗杆涡轮传动容易磨损而出现间隙。所以工作台可靠精准的定位是其主要技术难点。

图 3 工作台结构图

为了让工作台具有较高的定位精度，首先将原方案中使用的涡轮蜗杆齿轮减速改为谐波齿轮减速，尽量减少传动环节，且谐波齿轮减速器具有高稳定性、高可靠性和高精度的特点。另外，为补偿其传动系统中出现的传动间隙，需要利用伺服编码器及定位传感器对其程序进行误差修正，并实时监测与显示修正情况。为了提高可靠性，预防故障的发生，需要对减速器的状态进行监测。利用振动传感器实时监测减速器的运转振动情况，处理信号，当减速器振动异常时就会向交互系统发出警报以提醒用户。

2.2 智能化控制方式

回转式制瓶机的人机交互平台搭建是基于PC机且利用运动控制卡来实现设备的控制的。用户可以通过人性化人机交互软件对生产设备中的控制信息进行实时监控与调整，软件可以捕捉传感器信号，显示生产线状态及故障情况。

以回转工作台的人机交互控制为例来简单阐述其运动控制过程及信号反馈和信号处理方式(图4)。

图 4 工作台人机交互控制

通过上位机中的人机交互软件控制下位机运动控制卡，再通过传动系统驱动工作台转动。由于工作台的质量较重，且频繁启动，对减速器的要求较高，减速器常存在寿命短、精度下降快的问题，传统的控制方式很难检测和显示这类问题。加速度传感器可以检测减速器的振动异常，分析出减速器的故障情况，最终将减速器的故障情况显示给用户，并提供解决方案。另外传动误差可以通过伺服编码器及工作台定位传感器的反馈得出传动系统的误差值，并将误差实时显示，当误差超差时发出警报。

工作台的人机交互系统是通过PC机与机械系统的信息交互实现机器间的交互，再将信息通过文字图表等方式在PC机中显示出来，实现机器与用户的交互。操作人员也可以通过PC机的输入设备对控制系统的信息进行设置，从而形成人机信息交互。

3 制瓶设备的智能制造

制瓶设备的智能生产步骤如下：第一步，客户提出制瓶要求，系统分析要求的可行性，并储存客户信息和产品要求信息，建立“产品个人身份”；第二步，系统根据制瓶要求自动更换模具，调整玻璃料滴大小及制瓶工艺；第三步，制瓶的各个工艺环节可以利用图像识别等技术检测产品是否满足制瓶要求，并将加工进度实时反馈给客户；第四步，对瓶子进行质量检测，确保产品符合客户要求，最后将产品发送给客户。

制瓶设备的智能生产除了设备内部的信息交互和人机交互外，生产线的柔性化和模块化也是非常关键的。生产线上有着不同性能的组件模块，各个模块符合不同客户的需求，实际生产过程中根据客户的需求进行自动更换，并随时对产品进行调整。

设备的远程监控主要通过联网的交互平台进行信息传递，客户端的交互平台通过设备的控制系统、输入输出设备采集其信息，再将信息通过交互平台发送至企业端(图5)。

图 5 远程控制结构图

制瓶设备的监控方式主要是保持型的远程监控方式。这需要各地客户端的制瓶设备具有较高的智能化水平，设备本身具有完整的控制能力和对突发事件的应对能力。远程监控系统仅仅是监控制瓶设备的生产情况，并在必要时对远程制瓶设备进行干预。制瓶设备会不断地通过互联网向远程控制系统发送运行信息，在远程制瓶设备发生故障时，系统会及时处理或暂停任务，等待现场人员确定或远程监控系统来解决。这种控制模式可以实现制瓶设备的无人控制[2]。

4 制瓶设备的转型升级

虽然回转式制瓶设备的智能生产正处于发展初期，但其生产模式必将随着信息化、工业化的浪潮迅猛发展。其发展方向主要有以下几个方面。

1)全球化发展趋势

在互联网十分普及的今天，全球化的信息交互已经不再是新鲜的事，但在制瓶设备领域，信息化还未完全普及。目前，国内生产的制瓶设备基本都是能完成生产任务并能处理简单故障的独立个体，各个体之间并没有信息交互与联系，对设备的监控维修也只能通过现场勘查来完成。这种现状终将被新的趋势取代。所以制瓶设备的全球化发展，制瓶设备的网络化是其主要发展趋势。各地的制瓶设备通过网络连接成为一个生产制造的整体，这对设备中的故障排除与故障应对起到了至关重要的作用。

2)多媒体与超媒体的交互方式

多媒体展示技术是在智能用户界面和自然交互技术取得突破之前的一种过渡技术。在多媒体用户界面出现之前，用户界面经过了从文本向图形的过渡，特别是引入了音频和视频媒体，大大丰富了计算机表现信息的形式，提高了用户接受信息的效率。目前，制瓶设备中的人机交互平台界面主要应用的是文本和图形的信息形式。在不远的未来，制瓶设备势必将引入音频视频等媒体手段对产品进行显示和检测[3]。

超媒体技术即计算机的输出形式不再限于单一的文本，而是文本、图形、图像、声音、动画或影视等多种媒体的集成。超媒体打破了传统的单一媒体界限和传统思维，将平面媒体、电波媒体、网络媒体整合形成能够左右一个区域乃至整个社会的超级力量。

人机交互技术中的声控技术应用得越来越广泛。制瓶设备中也可以采取类似的交互技术，操作人员和设计者可以直接与机器交谈，大大提高了交互的直观程度和效率。

三维成像技术是近期兴起的交互技术。在制瓶设备中，可以通过三维成像技术将生产的模型直观展示给制造者和设备设计者。

[1] 姜丰英.多轴伺服制瓶机控制系统[J].玻璃与搪瓷,2010,38(05):17-21.

[2] 朱志浩，樊留群.设备远程监控的研究[J].2001,23(01):47-50.

[3] 周 波，杨京玲.人机交互技术在现代展示设计中的应用[J].2011,32(20):46-49.

[责任编校： 张 众]

Intelligent Manufacturing of Rotary CNC Automatic Bottle-making Machine

HU Wei1,YANG Jiajun1, DENG Jiahui1, WANG Lei2, HUANG Sheng2

(1SchoolofMechanicalSci.andEngin.,HuazhongUniv.ofSci.andTech.,Wuhan430074,China;2JingmenChudamechanical&electricalCO.,LTD,Jingmen448000,China)

This paper established a new intelligent control system of rotary CNC automatic bottle-making machine on the basis of “Industry 4.0”. Computer technology and information technology and network technology were included in this system, which is an automatic system as before, but with the interactive platform. The new system has the function of online monitoring and online adjustment and fault diagnosis and so on. These functions greatly improve the flexible manufacturing ability of bottle-making machine. This system digitalizes and informatizes he life cycle and production process of bottle-making machine, and promotes the upgrading of bottle-making industry.

rotary CNC automatic bottle-making machine; intelligent manufacturing; interactive platform; online monitoring; fault diagnosis

2015-04-20

胡 伟(1990-)，男，湖北黄冈人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为智能机械与计算机仿真，机电创新

1003-4684(2015)04-0092-04

TP23

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