臺達(dá)20PM運動控制器電子凸輪功能在高速肥皂切割機(jī)的應(yīng)用

一、 前言

　　本文介紹的是高速肥皂切割機(jī)，可以在線切割各種長度的肥皂，可以兩種方式切割.一是定長方式,設(shè)定好需要的長度,然后,隨著,肥皂出條機(jī)的快慢,自動切割出精確度很高的等長的肥皂,然后,再把切割后的肥皂放到打印機(jī)里印字。二是定位套花方式,出條機(jī)出來的肥皂,經(jīng)過一印花輪,印上產(chǎn)品標(biāo)識,要求切割在每個標(biāo)識中間,并且克重要準(zhǔn)，兩種方式均要求克重誤差小,切口垂直。無論是以上哪種方式，都可歸結(jié)為飛剪控制，總的要求是切刀要與出料速度同步，切的定長要準(zhǔn)。兩種方式的區(qū)別在于跟隨開始部分，定長方式只要啟動跟隨，從軸就采集主軸脈沖，按CAM表運行。定位方式在于，開始時等到一個外部接近開關(guān)啟動信號，然后才按定長方式走，不過，定位模式這個定長是固定的，等于印花輪周長處以印花數(shù)，可在線調(diào)整開始跟蹤的位置。

二、 高速切割機(jī)機(jī)構(gòu)和原理

1、設(shè)備結(jié)構(gòu)

高速切割機(jī)共包含以下部分機(jī)構(gòu)，分述如下：

（1） 機(jī)架

機(jī)架由角鋼框架及不銹鋼臺面組成，并設(shè)置腳輪便于移動，當(dāng)設(shè)備到位后可將支腳調(diào)低作為穩(wěn)定支撐。

（2） 測量機(jī)構(gòu)

安裝于皂條出來部分，如圖所示A，同軸聯(lián)接一2500線的A/B相的差分編碼器,測量皂條的出條速度,及長度。是電子凸輪運動中的主軸。

（3） 切刀機(jī)構(gòu)

主要由臺達(dá)B系列2000W伺服電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)組成，是電子凸輪運動中的從軸。

（4） 皮帶傳動

包括臺達(dá)B系列750變頻電機(jī)、傳動皮帶等，要求皮帶速度跟蹤出條速度,同步升降速。

（5） 電氣控制

包含電氣控制箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D運動控制器作為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)交換，伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)肥皂切割的精確控制。

2、設(shè)備工藝流程

啟動切刀回原點→選擇模式(定長或套花定位)→設(shè)定參數(shù)→跟隨啟動→循環(huán)生產(chǎn)

3、電氣系統(tǒng)配置

電氣控制主要包括切刀、皮帶速度動作控制部分。具體配置如下：

三、 飛剪控制及電子凸輪功能應(yīng)用介紹

1、飛剪控制電子凸輪的應(yīng)用方案

國內(nèi)現(xiàn)在一般普通肥皂切割機(jī)控制原理（無論是采用AB MICROLOGIX1500 或 OMRON

CP1H) 均是采用如下方案：

　　內(nèi)置高速脈沖輸入輸出功能的小型PLC，分別通過兩個編碼器輸入到PLC內(nèi)置兩個高速輸入點，一個高速輸入編碼聯(lián)一定長的壓輪,如圖 中B點所示，采集皂條的線速度,采集來的脈沖頻率乘以一定的速比,然后作為輸出高速脈波驅(qū)動伺服,將切刀動作速度與皂條的線速度的速比進(jìn)行簡單速度同步，達(dá)到切面垂直,另一高速輸入編碼器,與印花輪傳動連在一起,如圖中A點所示，這個編碼器的數(shù)值與預(yù)設(shè)長度(或套花長度)的數(shù)值比較,達(dá)到預(yù)設(shè)值時，比如650PULSE,產(chǎn)生中斷,使能高速脈沖輸出,也就是使切刀動作。這種方法切刀動作總是在滯后動作，受線速度，PLC運算影響，同步精度差，計算量大，CPU處理時間較長，因此會出現(xiàn)克重不均勻等問題，嚴(yán)重影響成品的質(zhì)量。在低速的情況下尚可基本達(dá)到要求，但是對于高速時就會切面不齊整，克重誤差很大,成品品質(zhì)低下。

　　本方案高速切割機(jī)的飛剪功能在于20PM電子凸輪的應(yīng)用，如下圖所示，在刀輥的周長上被劃分為同步區(qū)域和非同步區(qū)域，設(shè)置了加速位置，同步起始位置、切割位置、同步結(jié)束位置、參考點位置，這些都是根據(jù)線速度V和裁減長度L、壓花輥周長C等由PM計算的結(jié)果，在20PM內(nèi)生成CAM曲線，測量的高速編碼器信號直接接入到PM的編碼器輸入，不作運算,直接按PM內(nèi)的寄存器數(shù)據(jù)軌跡走，因此系統(tǒng)的響應(yīng)速度非常快。因此保證了切割速度同步，切割長度的精度。

2、電子凸輪的實現(xiàn)方式

（1）獲取主軸位置；

　　獲取主軸位置有多種方法：一是采用虛擬軸，計算簡單準(zhǔn)確；二是從主軸編碼器或伺服脈沖獲取，將主軸編碼器信號進(jìn)行處理；三是從測量編碼器獲取。獲得編碼器信號之后，將其換算成主軸位置。這個飛剪系統(tǒng)采用的是第三種方案。

由編碼器脈沖獲取主軸位置

（2）實現(xiàn)主從軸的嚙合

　　實際上是定義主從軸之間的關(guān)系（稱之為cam table）。cam table有兩種方法表述：一是采用X、Y的點對點關(guān)系；二是采用兩者的函數(shù)關(guān)系。cam table的獲取也有多種途徑：根據(jù)實際工作中測量到的點與點之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主從軸的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系。cam table可以定義多個cam曲線。關(guān)系確定和實現(xiàn)后，根據(jù)主軸的位置，就能得到從軸的位置。在20PM控制器內(nèi)，CAM曲線既可通過手動編程時生成也可通過程序自動生成。本系統(tǒng)通過程序自動生成。

3、臺達(dá)20PM運動控制器電子凸輪功能介紹

　　臺達(dá)20PM運動控制器除了實現(xiàn)直線/圓弧插補以及定位功能之外，內(nèi)嵌了電子凸輪功能，使其可以應(yīng)用在多種運動控制場合。

　　20PM為2軸運動控制器，具有2路500KHz的輸入與輸出，在電子凸輪功能中定義X軸為從軸，編碼器輸入軸為主軸，當(dāng)定義好cam table后，從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運動。臺達(dá)DVP-20PM00D是一款專用運動控制型PLC，采用高速雙CPU結(jié)構(gòu)形式，利用獨立CPU處理運動控制算法，可以很好地實現(xiàn)各種運動軌跡控制、邏輯動作控制，直線/圓弧插補控制等，在高速肥皂切割機(jī)中正是利用了20PM運動控制器的電子凸輪功能很好的解決了上述高速切割時出現(xiàn)的不垂直、不等長等問題。

運動控制器DVP-20PM00D

下圖是電子凸輪設(shè)定的軟件界面。

　　在軟件中我們可以清楚地利用圖形方式設(shè)定、修改電子凸輪曲線。當(dāng)我們點擊進(jìn)入資料表單設(shè)定按鈕時會彈出下面的區(qū)段設(shè)置表。使用者需先設(shè)定Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取CAM curve（具有連續(xù)、正弦、勻加速等6種曲線，并可加入其他標(biāo)準(zhǔn)曲線和自定義曲線）,在設(shè)定完成后按下Setting completed按鈕, 即可在主畫面繪制位移, 速度, 加速度坐標(biāo)圖

　　下圖是以高速肥皂切割機(jī)為例的電子凸輪曲線圖，采用程序自動生成，以下是自動生成CAM表的相關(guān)參數(shù)。

D0=k10000 _ 建立飛剪CAM data

D101..D100 _ 整數(shù)格式主軸長度,

D103..D102 _ 整數(shù)格式從軸長度

D105..D104 _ 整數(shù)格式從軸同步長度

D107..D106 _ 浮點格式從軸同步倍率

D109..D108 _ 浮點格式從軸最高倍率限制

D110 _ 曲線選擇(0 const speed,1 const Acc,2 SingleHypot,3 Cycloid)

D111  結(jié)果(0 ok, 1 條件無法滿足, 2 CAM長度不足)

計算主從軸關(guān)系算式：

定位套花方式：

主軸轉(zhuǎn)一圈的PULSE=2500,如分四個印花，則每個印花L=2500/4=625, 將D101=625,

從軸轉(zhuǎn)一圈所需脈波數(shù)=800；將D103=800,(這個800PULE,還需乘以伺服的電子齒輪比

22940/440,為從軸實際走的脈沖數(shù))

從軸同步長度為D104=700,

從軸同步倍率，D106=2.55(這個倍率，跟據(jù)印花輪的直徑，不同而不同，實際計算公式

為892.96/［2500/(3.14*D)］)這是按印花輪D=118.7MM運算而得。

得到以上參數(shù)，按下M0就可生成飛剪的凸輪曲線圖，快捷方便，用戶更換印花數(shù)及輪子，只需在HMI上改變，曲線立刻從新生成。

定長模式，只不過D101可以隨意設(shè)置，不用由輪子和花數(shù)固定 ，用戶設(shè)600PULSE也

可，設(shè)1000PULSE也可。

生成曲線后剩下的只是循環(huán)跟隨了

四、 電氣控制

1、 系統(tǒng)I/O表

DVP-20PM00D

2、 上位觸摸屏控制

觸摸屏主要用于人機(jī)對話，對設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以及顯示設(shè)備運行過程中動作狀態(tài)和主要參數(shù)。

（1）手動操作畫面：

實現(xiàn)調(diào)機(jī)時的手動調(diào)整，同時可通過“回原”按鈕將從軸回歸機(jī)械原點，便于操作。

（2）定長操作畫面

可預(yù)設(shè)切皂長度，顯示切皂速度，切皂塊數(shù)。

（3）定位方式畫面

主要用于讀取定位時的皂條速度、皂條塊數(shù)等參數(shù)，以及定位啟動的控制。

（3）參數(shù)設(shè)置畫面

主要用于設(shè)置壓花輪直徑，花數(shù)，印花時起步的偏差調(diào)整，以及皮帶自動跟蹤的增益。

3、 程序設(shè)計

程序設(shè)計的關(guān)鍵在于CAM表參數(shù)的自動計算以及CAM表的生成。

參數(shù)計算梯形圖如下：

CAM表的生成在前面已重點介紹，以下是實際程序，以及變換定長，印花輪外徑的CAM截圖。

CAM1為套花模式，直徑為118.7,套花數(shù)為4，實際D100=625，D106=2.55,D104=700

CAM2為套花模式，直徑為80.0,套花數(shù)為4，實際D100=625，D106=1.72,D104=700

DCAM1為定長模式直徑為150.0,定長100,實際D100=534,D106=3.226,

DCAM2為定長模式直徑為65.0,定長100,實際D100=435,D106=2.55

　　由以上圖例可以看出在用戶任意變換印花輪直徑,以及變換花數(shù),變換皂條長度,從新生成CAM圖是很方便的. 目前系統(tǒng)已使用，在線高速切割精確度很高,

五、 結(jié)束語

　　此外，電子凸輪功能不僅僅可以應(yīng)用在肥皂切割機(jī)控制中，通過變換不同的控制曲線，該功能廣泛應(yīng)用于各種較高要求的運動控制中，例如：包裝機(jī)行業(yè)中的飛剪，機(jī)床行業(yè)中的飛鋸，印刷機(jī)行業(yè)中的電子軸裁切及套印，紡機(jī)行業(yè)中的精密絡(luò)筒繞線等等。

　　CAM功能也可以擴(kuò)展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用狀況，例如：園壓圓模切、圓壓圓燙金系統(tǒng)的動作也是需要一個同步區(qū)域進(jìn)行模切、燙金。不干膠標(biāo)簽印刷的同步控制等諸多應(yīng)用中，也會使用到電子凸輪CAM功能。

　　在紡織機(jī)械中電子凸輪細(xì)紗機(jī)、包裝機(jī)械的連續(xù)灌裝動作、立式包裝的橫切熱封動作、金屬加工中的彈簧變徑加工、剪板折彎等中都會使用到CAM功能。