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摘  要：介紹基于臺(tái)達(dá)智能型伺服系統(tǒng)的高精度灌裝控制方案。對(duì)于藥品液體灌裝生產(chǎn)線的高精度同步灌裝工藝，臺(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)了液體灌裝速度和送瓶速度實(shí)時(shí)保持高精度同步。

關(guān)鍵詞：高解析智能伺服；同步灌裝；電子凸輪；新PR模式；CAPTURE資料抓??；By-PASS一主多從

1 引言

　　今天，隨著制藥企業(yè)“GMP”新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證制度的實(shí)施，為制藥企業(yè)對(duì)制藥裝備提出了更高的目標(biāo)和要求。同樣為制藥裝備廠家提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和市場(chǎng)空間，但是傳統(tǒng)的制藥機(jī)械機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)和控制方案已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的制藥行業(yè)發(fā)展的需求，新一代的制藥機(jī)械將可以提供更高精度的，更高自動(dòng)化程度的控制工藝，來(lái)不斷迎接市場(chǎng)的挑戰(zhàn)！

　　本文以藥品水針劑生產(chǎn)灌裝生產(chǎn)線高精度同步灌裝工藝為案例，詳述了如何利用臺(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動(dòng)控制模式，僅以外置編碼器作為命令來(lái)源，即可實(shí)現(xiàn)液體灌裝速度和送瓶速度實(shí)時(shí)保持高精度同步。同時(shí)利用伺服By-pass功能，無(wú)需昂貴的運(yùn)動(dòng)控制器的參與，即可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的一主多從多軸伺服同步控制控制方案。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝要求

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　灌裝同步生產(chǎn)線，主要分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1

　　早期藥機(jī)同步灌裝，送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分動(dòng)力來(lái)源均為送瓶拖鏈電機(jī)輸出。多是以機(jī)械凸輪通過(guò)多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)實(shí)體凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。實(shí)體的凸輪加工需要高精密的CNC加工中心才能生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高，而且調(diào)試和安裝起來(lái)非常麻煩，并且隨著使用時(shí)間增加，機(jī)械的磨損會(huì)影響到同步灌裝的精度，后期維護(hù)費(fèi)用很高，產(chǎn)品換型困難。

　　臺(tái)達(dá)A2系列伺服電子凸輪功能就是針對(duì)上述問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的智能型伺服系統(tǒng)。

　　伺服灌裝同步生產(chǎn)線，仍然分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構(gòu)成，只是在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪連接，取而代之的是兩顆高精度伺服系統(tǒng)，通過(guò)精密絲桿分別控制水平跟蹤軸（X軸）和垂直跟蹤軸（Y軸）的位移。其伺服系統(tǒng)的命令來(lái)源均為安裝在送瓶拖鏈上的高解析度編碼器提供?？刂萍軜?gòu)如圖2所示：

圖2

　　詳細(xì)機(jī)械數(shù)據(jù)如下：

　　主編碼器分辨率為2000p/r，凸輪一周，編碼器旋轉(zhuǎn)2圈，采集脈沖數(shù)量16000ppr，5v差動(dòng)信號(hào)。

　　主電機(jī)由變頻器控制工作頻率在0～50hz。

　　X/Y滑臺(tái)絲桿的螺距為10mm，X/Y伺服編碼器分辨率通過(guò)電子齒輪比功能設(shè)定為100000ppu。

　　X軸同步的區(qū)域長(zhǎng)度為A～B=240mm。Y軸插入的距離為40mm。

2.2 工藝要求：

　　精度要求：

　　灌裝噴嘴直徑為2mm，藥瓶口直徑為6.5mm，無(wú)論何種速度。噴嘴和瓶口不能接觸！

　　要求伺服在同一灌裝速度下，定位精度在0.5mm內(nèi)。

　　不論主動(dòng)軸變頻器速度在0～50HZ內(nèi)任意變換，伺服的加減速都可以保證完全同步，偏移量不得大于1mm。

　　伺服可以在變頻器10HZ低速運(yùn)行時(shí)，也能保證好的同步效果。

　　同步灌裝動(dòng)作要求：

　　X軸水平軸跟蹤伺服，驅(qū)動(dòng)灌裝噴嘴前后運(yùn)動(dòng)。灌裝過(guò)程分為同步區(qū)間和高速返回區(qū)間。其中同步區(qū)間速度和送料拖鏈速度保持一致。在同步區(qū)域內(nèi)，Y軸才可以插針到瓶?jī)?nèi)。同步區(qū)結(jié)束后X軸高速返回到原點(diǎn)，等待插入下一組藥瓶。

　　Y軸垂直軸提升伺服，驅(qū)動(dòng)灌裝噴嘴上下運(yùn)動(dòng)，灌裝過(guò)程分為快速插入和慢速返回區(qū)間?？焖俨迦霑r(shí)的距離為40mm。并要求在瓶底停留一段時(shí)間。然后慢速提升，提升速度和灌裝系統(tǒng)流量相關(guān)，任何情況下不允許針管接觸到灌裝液面。

　　在灌裝過(guò)程時(shí)，不論在快速插入瓶口和返回區(qū)間Y軸始終和主動(dòng)軸的編碼器命令同步對(duì)應(yīng)，同樣伺服馬達(dá)的速度和藥瓶的輸送速度保持一致，即為同步灌裝要點(diǎn)！

3 臺(tái)達(dá)高精度灌裝控制方案

　　方案配置：

       
　　ASD-A2- 0421——B 控制器X2臺(tái)

　　臺(tái)達(dá)A2系列高解析智能伺服是臺(tái)達(dá)電子憑借多年的伺服研發(fā)經(jīng)驗(yàn)于2009年推出的新一代的伺服系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)引入了歐系高端伺服智能化的理念和控制架構(gòu)。大幅提升了產(chǎn)品的性能和應(yīng)用價(jià)值，產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：

　　20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。

　　內(nèi)含64組PR運(yùn)動(dòng)路徑編輯功能，電子凸輪功能。無(wú)需高階控制系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制和凸輪同步功能，

　　內(nèi)含伺服By-pass功能，可以實(shí)現(xiàn)命令信號(hào)逐級(jí)傳遞不衰減，輕松構(gòu)造一主多從的控制架構(gòu)。

　　高響應(yīng)和共振抑制可以滿足各類機(jī)械環(huán)境。

4 方案的制定和實(shí)施

　　綜合上述的分析，但A2智能伺服就完全可以實(shí)現(xiàn)的同步灌裝運(yùn)動(dòng)控制要求。以下將針對(duì)同步灌裝的主要工藝要求對(duì)方案可行性逐一進(jìn)行分析。

4.1 動(dòng)作分析與PR路徑規(guī)劃

　　同步灌裝動(dòng)作流程如圖3所示：

　　下面以X水平跟蹤伺服為例說(shuō)明，動(dòng)作要求如下和PR路徑規(guī)劃如下（圖4 ）：

　　A.X軸回歸機(jī)械原點(diǎn)

　　PR#00 回機(jī)械原點(diǎn)。開(kāi)機(jī)X軸回歸到機(jī)械原點(diǎn)。

　　PR#01 回到原點(diǎn),確保伺服因緊急情況脫離后，再次執(zhí)行時(shí)處于X軸原點(diǎn)。

圖4

　　將DI7強(qiáng)制為CAPTURE。故在CAP功能開(kāi)啟后，DI7只能使用在CAPTURE，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)硬體特殊處理為高速處理I/O,響應(yīng)時(shí)間為3μ秒

　　PR#02  寫參數(shù)P5-39=0 關(guān)閉CAPTURE功能，防止誤動(dòng)作。

　　PR#03  寫參數(shù)5-38=1 ，只嚙合一次，保證在同步區(qū)間不會(huì)出現(xiàn)干擾信號(hào)。

　　PR#4  寫參數(shù)5-39=0XF021，啟動(dòng)CAP資料抓取功能 。

　　C. 電子凸輪功能設(shè)置。

　　等待CAPTURE資料抓取信號(hào)，由安裝在主動(dòng)軸上的接近開(kāi)關(guān)信號(hào)，觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)電子凸輪嚙合。

　　PR#5  寫參數(shù)5-88=0XF2220，關(guān)閉電子凸輪功能。

　　PR#6  寫參數(shù)5-88=0XF2221，開(kāi)啟電子凸輪功能。

    參數(shù)規(guī)劃如下：

　　X凸輪控制=1  啟動(dòng)電子凸輪。

　　Y凸輪命令來(lái)源=2  PULSE命令。

　　Z凸輪嚙合時(shí)機(jī)=2   CAPTURE任一點(diǎn)動(dòng)作。

　　U凸輪脫離時(shí)機(jī)=2   主軸抓取脈沖數(shù)>5-89設(shè)定后脫離。

　　當(dāng)伺服DI7 CAPTURE檢測(cè)到ON上升沿信號(hào)時(shí)，凸輪就會(huì)嚙合，伺服電機(jī)根據(jù)A2預(yù)先編輯好的凸輪曲線軌跡，按照送瓶伺服主動(dòng)軸編碼器脈沖指令運(yùn)動(dòng)。

　　當(dāng)進(jìn)入到設(shè)定同步區(qū)輸出同步范圍后，X軸D0CAM-AREA信號(hào)ON，控制提升軸伺服Y軸凸輪嚙合。

　　當(dāng)伺服抓取數(shù)值通過(guò)比較等于主軸凸輪脈沖P5-89的值時(shí)，伺服馬達(dá)立刻脫離電子凸輪，追隨結(jié)束。

    D. 凸輪分離，伺服電機(jī)高速返回。

　　伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)，高速返回起始原點(diǎn)，等待下一次觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)。該階段為伺服自身的PR模式控制，返回時(shí)的速度和加減速規(guī)劃，由A2伺服的PR模式實(shí)現(xiàn)和完成。

　　PR#15  絕對(duì)定位，高速返回到原點(diǎn)

　　PR#16   跳轉(zhuǎn)指令，跳回到PR#02。當(dāng)流程結(jié)束，返回到PR#02，等待下一次嚙合信號(hào)到來(lái)。

　　對(duì)于垂直提升軸Y軸，除返回時(shí)，因返回起始原點(diǎn)速度也由凸輪曲線規(guī)劃，所以除了沒(méi)有PR規(guī)劃沒(méi)有PR#15，其他情況和水平X跟蹤軸相同，對(duì)此不再?gòu)?fù)述。

　　使用A2資訊軟體，用戶可以方便的規(guī)劃伺服的運(yùn)動(dòng)路徑，新型的PR路徑編輯器不但支持跳轉(zhuǎn)、插斷、疊加等運(yùn)動(dòng)邏輯處理，還支持參數(shù)讀寫等豐富功能。

4.2 電子凸輪曲線規(guī)劃

　?。?）水平跟蹤X軸凸輪曲線規(guī)劃

　　對(duì)于水平跟蹤X軸而言，主要保證速度上和主動(dòng)軸編碼器速度追隨，追求的是速度保持主動(dòng)軸一致。建造凸輪表格和曲線方法如下：

　　步驟1,選擇軟體功能E-CAM電子凸輪功能

　　步驟2  ,建表方法：選擇速度區(qū)域建表（見(jiàn)圖5）

圖5

　　步驟3，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定實(shí)體機(jī)械尺寸

　　送瓶主動(dòng)軸同步距離為240mm，編碼器產(chǎn)生1600pulse，因此主軸脈沖數(shù)=66.6666666666Pulse/mm，水平跟蹤X軸，伺服編碼器設(shè)定10萬(wàn)脈沖當(dāng)量，絲桿螺距為10mm，所以從動(dòng)軸脈沖數(shù)設(shè)定為1000 PUU/mm，此為模擬信息，當(dāng)在建造凸輪曲線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)參考到這些資料，所以這些信息務(wù)必要準(zhǔn)確，即主動(dòng)軸與從動(dòng)軸移動(dòng)1mm時(shí)所需的脈波數(shù)及PUU，如圖6。

圖6

　　步驟4，規(guī)劃和建造凸輪曲線

　　如圖7中標(biāo)示，設(shè)定＂等待區(qū)“、＂加速區(qū)“、＂等速區(qū)“、＂減速區(qū)“、＂停止區(qū)“等曲線運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，其中加減速區(qū)的設(shè)定，需考慮到電機(jī)的實(shí)際慣量是否能夠依此設(shè)定的加減速曲線而工作。此外，曲線建立的要點(diǎn)是，曲線的規(guī)劃的過(guò)程之中，盡可能的保持較長(zhǎng)的＂等速區(qū)“，因?yàn)橹挥性诖硕螀^(qū)域才能實(shí)現(xiàn)同步灌裝。同時(shí)，要有一定的停止區(qū)，否則有時(shí)會(huì)造成曲線無(wú)法回到原點(diǎn)。

圖7

　　凸輪的導(dǎo)程是指凸輪包含加減速距離在內(nèi)的位移距離，我們?cè)O(shè)定 為240mm=2400000puu單位。

　　當(dāng)上述數(shù)據(jù)完成后，系統(tǒng)就可以產(chǎn)生表格和曲線，如圖8所示：

圖8

　　其中虛線為模擬器產(chǎn)生的主動(dòng)軸速度曲線，實(shí)線為X水平跟蹤軸的速度曲線。當(dāng)移動(dòng)光標(biāo)，使用者就可以在軟體上清楚地觀察到主動(dòng)軸模擬速度（即，送瓶伺服的速度）和從動(dòng)軸速度（即XX水平跟蹤軸）。

　　虛線和實(shí)線重合的區(qū)域就是可以灌裝的同步等速區(qū)。使用者可以通過(guò)調(diào)整合理的加減速規(guī)劃，來(lái)保證最大化的等速區(qū)域，用以滿足大劑量藥瓶的灌裝速度。這是同步灌裝的工藝要點(diǎn)之一！

　　當(dāng)模擬器產(chǎn)生的主動(dòng)軸速度曲線和X水平跟蹤軸的速度曲線不一致時(shí)，使用者可以通過(guò)修正“導(dǎo)程”，或者點(diǎn)擊“下一步”修正“主軸脈沖數(shù)5-84”，來(lái)保證兩軸的速度曲線盡最大可能的保持接近。只有這樣才能保證同步的穩(wěn)定性和精度！

　　凸輪曲線和參數(shù)設(shè)定完成后要記得下載并燒錄到A2驅(qū)動(dòng)器中，否則掉電凸輪曲線不會(huì)被保存。

　?。?）垂直跟蹤Y軸凸輪曲線規(guī)劃

　　對(duì)于垂直跟蹤Y軸而言，是比較有意思的，因?yàn)閅軸工藝要求Y軸最終要保證針頭插入瓶口的有效距離為40mm，追求的位置控制！建表方法如下：

　　步驟1，選擇軟體功能E-CAM電子凸輪功能。

　　步驟2，選擇手動(dòng)建表功能。

　　步驟3，將曲線規(guī)劃為20等分，凸輪360°對(duì)應(yīng)Y軸21筆位置資料，做出凸輪位移曲線，如圖9：

圖9

　　對(duì)于上述凸輪曲線，可以看到噴嘴的下行和返回行程都規(guī)劃在曲線內(nèi)，其Y軸的提升速度可以隨著主動(dòng)軸的速度同步變化。此外，對(duì)于Y軸提升伺服加減速的處理，在不影響最終位置的前提下，可以適當(dāng)修改表格中加速和減速區(qū)域的數(shù)值，使速度曲線平滑！

4.3 凸輪區(qū)間設(shè)定和DO:CAM_AREA功能說(shuō)明

　　伺服系統(tǒng)DO規(guī)劃：CAM_AREA也是A2非常實(shí)用的功能之一，他的主要目的就是可以在凸輪曲線上設(shè)定2組P5-90～P5-91參數(shù)，當(dāng)凸輪曲線運(yùn)行到這段范圍后，DO：CAM_AREA就會(huì)至ON。

　　垂直跟蹤 Y軸的CAPTURE信號(hào)DI7就是接到水平跟蹤X軸的D02:CAM_AREA信號(hào)觸發(fā)凸輪嚙合的，噴嘴輸液泵的開(kāi)啟也是通過(guò)Y軸的D02:CAM_AREA信號(hào)來(lái)控制的。因?yàn)橹挥兴礁橷軸和送瓶主動(dòng)軸同步后，垂直跟蹤Y軸才能下降，將噴嘴插入瓶口。 

　　而只有噴嘴插入40mm，并停留一定時(shí)間，垂直跟蹤Y軸在穩(wěn)定提升時(shí)，噴嘴輸液泵才可以開(kāi)啟，如圖10描述：

圖10

4.4 By-pass和一主多從的控制方式的說(shuō)明

　　By-pass命令傳遞功能是A2智能伺服的另一大功能特色，利用By-pass功能，主動(dòng)軸編碼器信號(hào)（脈沖命令信號(hào)）輸入到其他從動(dòng)軸CN1,依次串接多顆伺服。即一主軸指揮多從軸同動(dòng)。

圖11

　　在從軸上，信號(hào)傳遞每級(jí)的延遲為50ns，但會(huì)有信號(hào)衰減的問(wèn)題。方案中，垂直跟蹤Y軸的命令來(lái)源就是通過(guò)水平跟蹤X軸BY-PASS功能實(shí)現(xiàn)的！ 利用此功能最大可以串接16臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器，而不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減問(wèn)題。（見(jiàn)圖11）

5 其他因素對(duì)灌裝精度的影響

　　對(duì)于下述問(wèn)題是一個(gè)十分有必要討論的問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題對(duì)于灌裝精度起影響作用，甚至有時(shí)左右到方案的結(jié)果。

5.1 編碼器的精度和安裝方式

　　主動(dòng)軸編碼器輸入的脈沖數(shù)量，編碼器聯(lián)軸節(jié)安裝不同心，變形引起的脈沖指令突變。（見(jiàn)圖12）

圖12

　　解決的方法是：

　　A.更改編碼器聯(lián)軸節(jié)安裝方式。

　　B.更換更高精度的編碼器

　　C.檢查主動(dòng)軸變頻器速度輸出是否穩(wěn)定。

5.2 Capture同步命令信號(hào)

　　這個(gè)信號(hào)由安裝在主動(dòng)軸上的接近開(kāi)關(guān)信號(hào)DI7，觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)電子凸輪嚙合。因此這個(gè)信號(hào)響應(yīng)時(shí)間和信號(hào)發(fā)出的一致性將從動(dòng)軸的影響同步效果。

　　解決的方法是：

　　A. 使用高響應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)。

　　B. 保證遮幕有效距離相等。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本案只是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個(gè)典型應(yīng)用。目前A2系列伺服除電子凸輪功能外，其他系列機(jī)型還包含有CAN-OPEN總線機(jī)型，全閉環(huán)機(jī)型，以及擴(kuò)展I/O機(jī)型，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合和控制需求，相信隨著市場(chǎng)的不斷深入，我們可以為客戶實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高性價(jià)比的伺服運(yùn)動(dòng)控制控制方案。