台达20PM运动控制器电子凸轮功能在高速肥皂切割机的应用

一、 前言

　　本文介绍的是高速肥皂切割机，可以在线切割各种长度的肥皂，可以两种方式切割.一是定长方式,设定好需要的长度,然后,随着,肥皂出条机的快慢,自动切割出精确度很高的等长的肥皂,然后,再把切割后的肥皂放到打印机里印字。二是定位套花方式,出条机出来的肥皂,经过一印花轮,印上产品标识,要求切割在每个标识中间,并且克重要准，两种方式均要求克重误差小,切口垂直。無論是以上哪種方式，都可歸結為飛剪控制，總的要求是切刀要與出料速度同步，切的定長要準。兩種方式的區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，可在線調整開始跟蹤的位置。

二、 高速切割机机构和原理

1、设备结构

　　高速切割机共包含以下部分机构，分述如下：

（1） 机架

　　机架由角钢框架及不锈钢台面组成，并设置脚轮便于移动，当设备到位后可将支脚调低作为稳定支撑。

（2） 測量機構

　　安装于皂條出來部分，如圖所示A，同軸聯接一2500線的A/B相的差分編碼器,測量皂條的出條速度,及長度。是电子凸轮运动中的主轴。

（3） 切刀机构

　　主要由台达B系列2000W伺服电机、傳動機構组成，是电子凸轮运动中的從轴。

（4） 皮帶傳動

　　包括台达B系列750變頻电机、傳動皮帶等，要求皮帶速度跟蹤出條速度,同步升降速。

（5） 电气控制

　　包含电气控制箱、触摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D运动控制器作为控制核心，触摸屏作为人机交换，伺服电机作为执行机构，实现肥皂切割的精确控制。

2、设备工艺流程

　　啟動切刀回原点→選擇模式(定長或套花定位)→設定參數→跟隨啟動→循环生产

3、电气系统配置

　　电气控制主要包括切刀、皮帶速度动作控制部分。具体配置如下：

运动控制器	台达DVP-20PM00D
編碼器	台达EH3-25LG8845
触摸屏	台达DOP-A57BSTD
伺服电机及驱动器	台达ECMA-C30602ES、ASD-B0221-A
變頻电机及驱动器	台达ASDB
接近開關1
接近開關2

三、 飞剪控制及电子凸轮功能应用介绍

1、飛剪控制电子凸轮的應用方案

　　國內現在一般普通肥皂切割机控制原理（無論是采用AB MICROLOGIX1500 或 OMRONCP1H) 均是采用如下方案：

　　内置高速脉冲输入输出功能的小型PLC，分別通过两个编码器输入到PLC内置两个高速输入点，一个高速输入編碼聯一定长的压轮,如圖 中B點所示，采集皂条的线速度,采集來的脈沖頻率乘以一定的速比,然后作為输出高速脉波驱动伺服,将切刀动作速度与皂条的线速度的速比进行简单速度同步，达到切面垂直,另一高速输入编码器,与印花轮传动连在一起,如圖中A點所示，这个编码器的数值与预设长度(或套花长度)的数值比较,达到预设值時，比如650PULSE,产生中断,使能高速脉冲输出,也就是使切刀动作。这种方法切刀動作總是在滯后動作，受線速度，PLC运算影响，同步精度差，计算量大，CPU处理时间较长，因此会出现克重不均匀等问题，严重影响成品的质量。在低速的情况下尚可基本达到要求，但是对于高速时就会切面不齐整，克重误差很大,成品品质低下。

　　本方案高速切割机的飛剪功能在于20PM电子凸轮的应用，如下图所示，在刀辊的周长上被划分为同步区域和非同步区域，设置了加速位置，同步起始位置、切割位置、同步结束位置、参考点位置，这些都是根据线速度V和裁减长度L、壓花辊周长C等由PM计算的结果，在20PM內生成CAM曲線，测量的高速编码器信號直接接入到PM的编码器輸入，不作運算,直接按PM內的寄存器數據軌跡走，因此系统的响应速度非常快。因此保证了切割速度同步，切割長度的精度。

2、电子凸轮的实现方式

（1）获取主轴位置；

　　获取主轴位置有多种方法：一是采用虚拟轴，计算简单准确；二是从主轴编码器或伺服脉冲获取，将主轴编码器信号进行处理；三是从测量编码器获取。获得编码器信号之后，将其换算成主轴位置。這個飛剪系統采用的是第三種方案。

由編碼器脉冲获取主轴位置

（2）实现主从轴的啮合

　　实际上是定义主从轴之间的关系（称之为cam table）。cam table有两种方法表述：一是采用X、Y的点对点关系；二是采用两者的函数关系。cam table的获取也有多种途径：根据实际工作中测量到的点与点之间的对应关系，根据主从轴的标准函数关系。cam table可以定义多个cam曲线。关系确定和实现后，根据主轴的位置，就能得到从轴的位置。在20PM控制器內，CAM曲線既可通過手動編程時生成也可通過程序自動生成。本系統通過程序自動生成。

3、台达20PM运动控制器电子凸轮功能介绍

　　台达20PM运动控制器除了实现直线/圆弧插补以及定位功能之外，内嵌了电子凸轮功能，使其可以应用在多种运动控制场合。

　　20PM为2轴运动控制器，具有2路500KHz的输入与输出，在电子凸轮功能中定义X轴为从轴，編碼器輸入轴为主轴，当定义好cam table后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。台达DVP-20PM00D是一款专用运动控制型PLC，采用高速双CPU结构形式，利用独立CPU处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，在高速肥皂切割机中正是利用了20PM运动控制器的电子凸轮功能很好的解决了上述高速切割时出现的不垂直、不等長等问题。

运动控制器DVP-20PM00D

下图是电子凸轮设定的软件界面。

　　在软件中我们可以清楚地利用图形方式设定、修改电子凸轮曲线。当我们点击进入资料表单设定按钮时会弹出下面的区段设置表。使用者需先设定Start Ang, End Ang, Stroke以及透过下拉式选单选取CAM curve（具有连续、正弦、匀加速等6种曲线，并可加入其他标准曲线和自定义曲线）,在设定完成后按下Setting completed按钮, 即可在主画面绘制位移, 速度, 加速度坐标图

　　下图是以高速肥皂切割机为例的电子凸轮曲线图，采用程序自動生成，以下是自動生成CAM表的相關參數。

D0=k10000 _ 建立飛剪CAM data

D101..D100 _ 整數格式主軸長度,

D103..D102 _ 整數格式從軸長度

D105..D104 _ 整數格式從軸同步長度

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  結果(0 ok, 1 條件無法滿足, 2 CAM長度不足)

计算主从轴关系算式：

定位套花方式：

　　主轴转一圈的PULSE=2500,如分四個印花，則每個印花L=2500/4=625, 將D101=625,从轴转一圈所需脉波数=800；將D103=800,(這個800PULE,還需乘以伺服的電子齒輪比22940/440,為从轴實際走的脈沖數)從軸同步長度為D104=700,從軸同步倍率，D106=2.55(這個倍率，跟據印花輪的直徑，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，按下M0就可生成飛剪的凸轮曲线图，快捷方便，用戶更換印花數及輪子，只需在HMI上改變，曲線立刻從新生成。定長模式，只不過D101可以隨意設置，不用由輪子和花數固定 ，用戶設600PULSE也可，設1000PULSE也可。

　　生成曲線后剩下的只是循環跟隨了

四、 电气控制

1、 系统I/O表

DVP-20PM00D

X0	啟動并歸原點	FP0+	差分脉冲输出
X1	急停	FP0-	差分脉冲输出
DOG0	切刀原点	RP0+	差分脉冲输出
START0	外部CAM啟動	RP0-	差分脉冲输出
A0+	A+相脉冲反馈	AO+	模擬输出+
A0-	A-相脉冲反馈	AO-	模擬输出—
B0+	B+相脉冲反馈	Y0	切刀使能
B0-	B-相脉冲反馈	Y1	皮帶傳動使能

2、 上位触摸屏控制

　　触摸屏主要用于人机对话，对设备相关参数进行设置以及显示设备运行过程中动作状态和主要参数。

（1）手动操作画面：

　　实现调机时的手动调整，同时可通过“回原”按钮将从轴回归机械原点，便于操作。

（2）定長操作画面

　　可预设切皂長度，顯示切皂速度，切皂塊數。

（3）定位方式画面

　　主要用于讀取定位時的皂條速度、皂條塊數等參數，以及定位啟動的控制。

（3）参数设置画面

　　主要用于设置壓花輪直徑，花數，印花時起步的偏差調整，以及皮帶自動跟蹤的增益。

3、 程序设计

　　程序设计的关键在于CAM表參數的自動計算以及CAM表的生成。

參數計算梯形图如下：

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为套花模式，直径为118.7,套花数为4，实际D100=625，D106=2.55,D104=700

CAM2为套花模式，直径为80.0,套花数为4，实际D100=625，D106=1.72,D104=700

DCAM1为定长模式直径为150.0,定长100,实际D100=534,D106=3.226,

DCAM2为定长模式直径为65.0,定长100,实际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,變換皂條長度,從新生成CAM圖是很方便的. 目前系统已使用，在線高速切割精確度很高,

五、 结束语

　　此外，电子凸轮功能不仅仅可以应用在肥皂切割机控制中，通过变换不同的控制曲线，该功能广泛应用于各种较高要求的运动控制中，例如：包装机行业中的飞剪，机床行业中的飞锯，印刷机行业中的电子轴裁切及套印，纺机行业中的精密络筒绕线等等。

　　CAM功能也可以扩展到更多的应用领域及应用状况，例如：园压圆模切、圆压圆烫金系统的动作也是需要一个同步区域进行模切、烫金。不干胶标签印刷的同步控制等诸多应用中，也会使用到电子凸轮CAM功能。

　　在纺织机械中电子凸轮细纱机、包装机械的连续灌装动作、立式包装的横切热封动作、金属加工中的弹簧变径加工、剪板折弯等中都会使用到CAM功能。

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