总线型伺服驱动器用于食品包装贴标机的多轴运动控制

   2026-11-10 1
核心提示:食品包装贴标机需要在标签输送、位置调整和压贴过程中完成多轴协调运动,对伺服驱动器的响应速度、安装空间及通信性能提出要求。德国Weber Food Technology开发的weLABEL贴标设备采用倍福ELM7222、ELM7231系列EtherCAT伺服驱动端子,与AM8100伺服电机及TwinCAT控制系统配合,实现标签输送、位置调整和压标机构的运动控制。在适当设备配置下,weLABEL可实现最高每分钟192张标签的贴标能力。

食品包装设备在高速运行时,标签不仅需要准确贴附在包装表面,还必须与包装材料的输送位置保持一致。对于肉制品、奶酪及其他食品的热成型包装,标签可能需要贴在包装上表面或下表面,部分包装还具有不规则外形和倾斜表面。

如果标签输送位置与包装运行位置之间存在偏差,即使标签已经正常剥离,也可能出现贴附位置偏移、局部未压实或标签边缘翘起等问题。

这类贴标设备的控制难点,不只是提高单个电机的转速,而是让标签供给、横向移动和压贴机构在规定的时间内完成相互配合的动作。

德国食品加工及包装设备制造商Weber Food Technology针对这一需求开发了weLABEL系列贴标设备。该系列可与热成型包装机配套使用,并根据包装形式配置上表面、下表面或多组贴标机构。

2026年4月28日,德国倍福自动化公布了weLABEL贴标系统的应用案例,确认Weber采用ELM7222或ELM7231 EtherCAT伺服驱动端子,与AM8100伺服电机组成48V紧凑型运动控制系统。

该方案的主要特点,是将伺服驱动功能集成在较窄的EtherCAT端子模块中,而不是为每个运动轴单独配置体积较大的传统驱动器。

在实际设备上,一套weLABEL贴标机构具有四个运动轴。根据生产需要,包装机可以配置一套或多套贴标机构;在最多四套贴标机构的配置中,整套系统需要协调16个运动轴。

对于这种多轴设备,传统驱动方案可能占用较多电气安装空间。如果驱动器集中安装在远离运动机构的控制柜内,还需要布置较长的动力和反馈电缆。

Weber希望缩小贴标机构的控制箱尺寸,同时降低随运动部件移动的设备重量。

倍福ELM系列伺服驱动端子采用紧凑型模块结构,可以安装在相应的EtherCAT I/O系统中。控制器通过EtherCAT向驱动端子发送运动控制数据,驱动端子再根据相应指令控制伺服电机。

其中,ELM7222属于双通道伺服驱动端子,可以连接两台符合规格的伺服电机;ELM7231属于单通道伺服驱动端子,适用于相应的单轴驱动需求。

两种产品均采用48V等级的紧凑型伺服驱动技术,但通道数量和额定输出电流不同。实际应用需要根据电机规格、负载和运动要求确定配置。

在weLABEL设备中,伺服驱动器与电机的配合贯穿整个标签处理过程。

标签首先由卷盘供给,根据设备配置,可以经过打印机构完成相应信息打印。随后,标签通过剥离边缘与底纸分离,并进入贴标输送机构。

标签底纸被重新收卷,分离后的标签则由相应输送机构送往指定贴标位置。

当包装材料进入贴标区域时,伺服驱动系统需要协调标签输送和位置调整动作,使标签与包装表面的目标位置相对应。

完成位置调整后,压标机构通过伺服电机驱动的升降装置,将标签压贴到包装表面。

这一过程需要多个运动机构按照规定的时间关系工作。

如果标签已经到达贴标位置,而压标机构动作滞后,就可能影响实际贴附位置;如果压标机构尚未完成复位,下一次标签输送动作又提前开始,则可能产生机械干涉。

因此,伺服驱动端子的作用并不是简单地控制电机启停,而是按照运动控制程序执行速度、位置及加减速指令,并利用反馈信息实现闭环控制。

weLABEL采用的AM8100系列伺服电机能够与倍福相应驱动端子配合,通过编码器反馈获取电机位置及运行状态。

对于需要频繁改变运动方向的贴标机构,位置反馈和动态响应尤为重要。

标签输送和压贴过程通常具有较短的动作时间。机构需要在有限行程内加速、定位,再按照规定条件减速或返回初始位置。

倍福公开的项目资料显示,weLABEL贴标系统的运动轴最大加速度可达60米每二次方秒。在与热成型包装机配合的适当配置下,贴标能力最高可达每分钟192张。

这两项数据属于weLABEL整机的设计与运行能力,不能直接理解为ELM7222或ELM7231单台伺服驱动器具有固定的贴标速度。

实际产出还取决于标签尺寸、包装规格、贴标机构数量及整条包装线的运行条件。

在包装表面贴附环节,Weber还采用了特殊的弹性压标结构。

根据倍福公布的案例,压标机构使用可伸缩弹性销钉,最大伸缩行程达到35毫米。这种结构能够适应部分高度不一致、表面倾斜或外形不规则的包装。

当压标机构接触包装时,不同位置的弹性销钉可以根据包装表面形状产生相应位移,使标签获得更均匀的接触条件。

这种机械结构与伺服运动控制之间具有明确的分工。

伺服驱动器控制压标装置的运动过程,电机及机械传动机构负责实现相应位移,而弹性销钉用于适应包装表面局部的高度差。

因此,压标效果并不完全取决于驱动器定位精度。包装材料形状、标签胶层、接触压力以及机械结构同样会影响贴标质量。

在电气安装方面,ELM系列的紧凑结构为weLABEL提供了另一项实际优势。

根据倍福官方产品规格,ELM7222-0010和ELM7231-0010的端子宽度均为30毫米,能够安装在符合要求的35毫米DIN导轨上。

这种结构有利于将伺服驱动功能布置在贴标机构附近的小型控制箱内,减少大型独立驱动器所占用的空间。

对于需要随机构移动的控制箱,减少体积和重量还有助于降低运动系统的附加负载。

但伺服驱动端子体积较小,并不意味着可以忽略散热要求。

ELM7222和ELM7231本身仍然具有一定功率损耗,运行时需要满足规定的环境温度、安装方向和通风条件。设备制造商应根据实际控制箱结构安排散热,避免在高负荷运行时出现端子温度异常。

weLABEL还使用倍福One Cable Technology单电缆技术。

在适当的伺服电机和驱动器配置下,OCT能够通过同一根电机电缆传输电机动力和数字反馈信号,减少单独设置编码器反馈电缆的需要。

对于移动式贴标机构,这一方式可以减少部分线缆和连接器数量,也能够降低控制箱接口布置的复杂程度。

不过,OCT并不是任意电机和普通动力电缆都可以直接使用的通用功能。电机、驱动器以及电缆必须符合对应的接口和通信要求。

在多轴运行过程中,48V驱动系统还可以根据设计条件实现部分能量回馈和利用。

当某个运动轴减速时,电机可能处于再生工作状态,将部分机械能转换为电能。通过适当的直流母线结构,这部分能量可以由其他正在加速的运动轴利用。

weLABEL设备存在多个机构同时执行加速与减速动作的情况,因此这种多轴能量利用方式具有实际应用价值。

倍福官方案例确认,Weber利用48V直流系统实现轴间能量交换,减少部分能量通过制动电阻消耗的需求。

但具体节能效果与运动节拍、负载惯量和直流母线配置有关,制造商没有公开适用于所有weLABEL设备的统一节能比例。

因此,不能简单将多轴能量回馈功能解释为整机耗电量必然降低某个固定百分比。

在控制系统方面,weLABEL采用TwinCAT软件组织运动控制及相应的设备诊断功能。

对于最多四套贴标机构、共16个运动轴的配置,倍福案例介绍可以采用C6015紧凑型工业计算机承担相应控制任务。

控制器通过EtherCAT与伺服驱动端子及其他I/O模块交换数据,使标签供给、压贴和横向调整等动作能够按照设备程序协调运行。

除了运动控制,标签打印还需要与实际输送位置保持对应。

项目采用倍福EL2258数字量输出端子,作为相应的电子凸轮输出接口,向打印设备提供启动信号。

通过将打印触发与运动控制过程协调,可以减少单独依靠普通定时控制产生的位置误差。

对于运行节拍较快的贴标设备,这种信号组织方式有助于维持标签打印、剥离和压贴之间的顺序关系。

weLABEL的安全控制也需要与普通伺服运动功能区分。

倍福案例介绍,该系统可以通过带安全功能的驱动端子、TwinSAFE及相应区域检测设备,实现安全限速和安全位置限制等功能。

例如,在经过设计的安全控制方案中,可以根据人员进入不同区域的情况,执行降低运动速度或停止相关危险运动的措施。

但这些功能必须由具有相应安全能力的产品配置及完整安全系统实现,不能将普通ELM7222-0010或ELM7231-0010直接认定为具备全部安全运动功能的型号。

实际应用还需要根据设备风险评估确定必要的安全功能、控制逻辑和验证方法。

在日常维护方面,伺服驱动端子的故障排查需要与机械机构状态结合进行。

如果贴标位置出现偏差,应分别检查标签输送、压标机构、机械连接及运动控制参数,而不能直接判断伺服驱动器存在故障。

如果电机出现异常停止,还需要检查驱动端子的诊断记录、直流供电、反馈信号及运行负载。

对于需要频繁往复运动的贴标机构,电缆连接、机械导轨及传动部件也应按照实际维护要求进行检查。

Weber的weLABEL案例表明,总线型伺服驱动器在食品包装设备中的作用,已经不仅是驱动某一台电机,而是参与多个运动轴之间的协调控制。

通过将紧凑型EtherCAT伺服驱动端子布置在设备附近,并结合电机反馈、单电缆技术及多轴能量管理,可以使贴标设备在有限空间内完成较复杂的运动任务。

对于需要高速定位、重复压贴和多机构配合的包装机械,类似的总线型伺服驱动方案具有参考价值。具体选型仍需根据运动轴数量、电机电流、负载惯量、控制周期及安全要求进行设计和验证。


 
 
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