棉花打包过程的运动控制系统分析

         大部分人，特别是那些身处重工业，如汽车行业的人，很难立即把“制造自动化”这个词与棉花的采摘、打包及存储联系到一起。然而，和任何其他制造业一样，棉花加工业也在与成本及效率带来的压力进行抗争。出于这个考虑，位于佐治亚州Kennesaw的一家公司开发了一种独特的棉花打包系统，能在改善整体连贯性的同时降低打包过程的时间和费用。

　　由Factory Solution（Interstate Electrical Supply的一个子公司）开发的Ultra－Twist系统，使轧棉机能够更高效地生成外形整齐的棉包。该公司声称，Ultra－Twist系统采用Schneider Electric公司的具有运动控制能力的一体化组件，包括运动控制器、网络及可编程逻辑控制器，从而能使打包过程完全自动化。

　　Ultra－Twist系统是为International Fiber Packaging（轧棉机供应商Leggett&Platt的一个分公司）开发的，正应用在德克萨斯州和佐治亚州的大约15台轧棉机上。Interstate Electric公司的副总裁Steve Phillips表示，通过最近完成的为期3年的测试，该系统已经能够全面投入使用。

　　图1：6接头机器使用打包机上的13个伺服电机和控制面板上的13个增强器（每轴一个）来控制打包过程的13个轴。

　　复杂的功能

　　Factory Solution公司部门经理James Dutton指出，为了打包需要进行许多复杂的运动。首先，一个带有三到六个打包接头的工作箱被移动到位，由卷筒提供的打包丝穿过一条环绕棉花包的导槽后折回接头处，打包丝停在预定的位置。接下来打包丝被拉紧，从卷筒上切断并缠绕到Ultra－Twist上以预定的次数打好结。位置误差精确到1‰英寸（1英寸＝2.54厘米），从而保证棉花被捆得既结实又不会被打包丝损伤。

　　“运动控制系统被优化以便最大限度地提供各种功能，”Dutton说，“这非常重要，因为这种方案需要控制多达13个独立的转轴。”

　　棉花处理甚至在收获的农产品还未离开耕地之前就开始了。棉花在采摘后，被人们熟知的棉模成形机压成一个长达21.3米（70英尺）的棉块儿。棉块儿被装上拖车运输到附近的轧棉机处，这些轧棉机在收获季节通常是一天24小时地工作，以帮助农民快速转运他们的农产品。

　　“棉块儿”在轧棉机那被拆成独立的棉桃。然后被输送到许多不同的机器，而这些机器把棉花除籽、抽出棉纤维、清洁以及鉴定湿度等级。

　　棉纤维接着被运到打包机处，应用液压技术生成外形规则的重约227千克（50磅）的一个个棉团。（Phillips说，这些棉块十分致密，需要用锤子才能将钉子敲进去）。最后，这些棉块儿经称重、装袋运至仓库储存。

　　一个高产量的轧棉机每小时能够加工多达60个棉包，所以Factory Solutions公司在探寻如何保证轧棉机尽可能高效而划算地运作。使用钢丝替代塑料带就是被应用的多种特点之一。

　　包装控制

　　用钢丝捆扎棉包是现在才兴起的老主意了，Phillips说。塑料带被广泛应用之前，棉花加工业使用扁平的钢带捆扎棉包，但是这些钢带体积大，需要打包机上有很大的接头，并需要夹子来固定这些接头。具有足够张力保持棉包的圆形钢丝的开发使Factory Solution公司在打包过程中重新引进钢的技术。因为钢是可回收的，所以每根钢丝比塑料带便宜多达50美分，phillips说。

　　“当你考虑到一台轧棉机在一个季度可能生产100，000个棉包的事实，那将节省很大一笔费用”，他说。

　　大部分打包系统使用塑料带捆扎。但是，仓库里温度的变化会使这些带子变松，导致棉包变形，甚至在某些情况下完全散开，Phillips说。

　　“那真是一团糟，但如果一个棉包着了火那就更糟了。塑料带会被熔化，火也会蔓延开。但金属不会这样损坏，所以火势会被抑制在少数几个棉包。”

　　另外，通过在Ultra－Twist系统中引入高级运动控制能力，Factory Solution公司显著地改进了棉包的操作及捆扎性能。所有的运动控制组件都是由Schneider Electric公司制造的，包括伺服驱动器、无刷电机以及可编程逻辑控制器（PLC）等。

　　Schneider Electric运动控制产品的业务发展经理Mark Olten解释说，伺服电机的使用是Ultra－Twist系统保证速度和精度的关键。

　　“通过伺服技术，可以快速指定设备的运动，并带有很高的分辨率。换句话说，该系统比使用其他电机的系统更精确地知道‘在哪里’”，Olten说，“这些特点伴随着迅速、精确的加减速运动，缩短了捆扎周期的时间，也意味着棉花能够被更快地处理。”

　　Ultra－Twist系统也可在全自动模式下工作。而半自动和手动系统则需要3个人来操作，Olten说。

Factory Solutions公司打包机控制面板上的元件在安装前需要经过测试。控制面板上的线用来连接包括伺服电机的外围设备，以便模拟实际操作。
　　基于网络的交互控制

　　Factory Solution公司制造了两种规格的Ultra－Twist系统——具有六个打包接头的高性能型号及具有三个接头的标准型号。高性能机型起初是由采用基于光纤传导实现运动控制的SERCOS协议的Schneider Electric TSX PremiumPLC控制的。

　　“我们最初采用SERCOS接口技术是因为其杰出的性能”，Olten说，“这是第一个可自动执行的打包系统，而且我们希望能够处理任何可能出现的控制方面的要求。”