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    摘要：所謂可變同步區(qū)長度，就是一旦同步時切刀完成信號到達，立即結(jié)束同步。本文介紹臺達DVP-20PM00D運動控制器電子凸輪（CAM）功能，闡述通用高速追剪工作原理，以及相關(guān)工藝要求及相關(guān)控制程序概要，總結(jié)最新可變同步區(qū)長度的追剪通用實現(xiàn)方法。

   【關(guān)鍵詞】運動控制器，電子凸輪，CAM Table，可變同步區(qū)長度，追剪

    作者簡介：

    余強，出生于1969 年 12 月，畢業(yè)于安徽機電學院電氣工程系工業(yè)自動化專業(yè)，曾就職于信息產(chǎn)業(yè)部第八研究所和科大創(chuàng)新股份有限公司自動化分公司工程部，現(xiàn)就職于中達電通股份有限股份有限公司PLC產(chǎn)品開發(fā)處，主要專注于PLC在自動化的高端運用，包括各類機械設(shè)備的精密運動控制及工程項目的過程控制的研究與市場開發(fā)。

   【前言】

    本文主要介紹臺達20PM運動控制器電子凸輪功能在可變同步區(qū)長度高速追剪系統(tǒng)的應(yīng)用。追剪控制，過去做法是整體規(guī)劃出追蹤到返回的曲線，在同步時是預(yù)留足夠的同步時間，等切刀切斷，如果切刀沒切斷則保持同步，直到報警。現(xiàn)在客戶的普遍做法是，只規(guī)劃一個飛剪曲線，在切斷后，結(jié)束同步，高速返回，下次長度到再次啟動電子凸輪。現(xiàn)在的做法，可節(jié)省同步時間，同步區(qū)的長度可根據(jù)實際外部切斷信號而改變，具有更大靈活性。目前，應(yīng)用追剪的系統(tǒng)越來越多，遍布各行業(yè)，有包裝行業(yè)的護角，建筑行業(yè)的鋼管鋼筋追鋸等，臺達DVP-20PM均有了大量成功案例。

   【正文】

    一、設(shè)備一般結(jié)構(gòu) 
 
                       
                       圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

    如圖1示意，通用追剪機構(gòu)一般包含以下部分機構(gòu)：

  （1）執(zhí)行機構(gòu)

    在裁切系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)是切刀，切刀是由液壓推進，主要由一個進刀電磁閥和一退刀電磁閥控制切刀的上下；在飲料罐裝系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)為填充裝置。

   （2）測量機構(gòu)

    安裝于出口部分，同軸聯(lián)接一2500線的A/B相的差分編碼器，測量進料的速度及長度，是電子凸輪運動中的主軸。

   （3）追蹤機構(gòu)

    主要由臺達伺服傳動機構(gòu)組成（功率大的可選VE系列變頻器），由20PM00D的X軸輸出控制，是電子凸輪運動中的從軸。

   （4）進料傳動

    進料傳動是由變頻電機、傳動機構(gòu)組成。

    二、追剪控制及20PM運動控制器電子凸輪功能應(yīng)用介紹

    1、追剪曲線構(gòu)成 

                     
                      圖2  常規(guī)追剪系統(tǒng)的運作步驟

   （1） 追速狀態(tài)（Ramp up to Tracking）：送料持續(xù)進行，20PM運動控制器在偵測輸入材料之長度及當時送料速度的同時，指揮伺服電機依照S曲線加速至與進料速度同步；在進入同步速度的瞬間，鋸/切臺與材料的動態(tài)相對位置已經(jīng)整定完成。接著便進入同步狀態(tài)。

   （2）同步狀態(tài)（Syncronized Zone）：一旦進入同步狀態(tài)，20PM運動控制器立刻送出同步信號(CLEAR)給執(zhí)行控制機構(gòu)，要求執(zhí)行切斷或罐裝動作。同時，運動控制器依然持續(xù)偵測進料長度及進料速度，隨時保持鋸/機臺與材料之間的動態(tài)相對位置不變；如此才能確保裁切斷面的平整或罐裝的準確。當執(zhí)行完成之后，機構(gòu)返回自動退出，并發(fā)出完成信號(CUTend)。

   （3）減速狀態(tài)（Ramp down Stop）：20PM運動控制器指揮伺服電機依照S曲線減速直到完全停止。同時，仍然持續(xù)偵測并累計進料長度。一旦伺服電機完全停止，接著立刻進入回車狀態(tài)。

   （4）回車狀態(tài)（Return Home）：回車過程中，20PM運動控制器仍持續(xù)偵測并累計進料長度。 

   （5）待機狀態(tài)：回車完成之后20PM運動控制器系統(tǒng)自動進入待機狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。

    常規(guī)的動作如上圖所示。整體規(guī)劃好高速追蹤與高速返回的完整曲線，是過去的解決方案，現(xiàn)在客戶大都需求在同步去啟動切刀動作切斷完畢后，不需再同步。立即降速停車，然后高速返回，返回時無需按照主軸的速度同步倍率。基于此。臺達推出了行業(yè)通用模版程序，客戶只需改變相應(yīng)參數(shù)即可達到所需控制要求。

    2、兩種生成同步飛剪曲線的方法  

    接下來要做的第一步是生成一個飛剪凸輪曲線。因為前面同步切斷完成后，就脫離凸輪模式，進入單段速高速定位返回。返回時，就脫離了凸輪模式。下面介紹生成飛剪曲線的兩種方法。兩種方法都可以，依據(jù)用戶使用習慣選擇。

    我們熟知的凸輪關(guān)系是主軸和從軸一一對應(yīng)位置關(guān)系，如何從主軸位置和從軸的速度關(guān)系產(chǎn)生是主軸和從軸一一對應(yīng)位置關(guān)系，是要解決的重點。目前解決方法主要有兩種，分別敘述如下

    (1) 通過20PM的編程軟件，生成圖形

     步驟一：PMSOFT軟件有個CAMCHART，使我們可以清楚地利用圖形方式設(shè)定、修改電子凸輪曲線。提醒大家注意的是必須建立兩個CAM,分別為CAM0，CAM1。兩個CAM表解析度設(shè)為一樣，比如300點．之所以要設(shè)兩個CAM表，主要是為了需用多凸輪模式。后續(xù)介紹到只有在多凸輪模式下才可以，執(zhí)行切斷信號后，把D1846=K0降速停車。后續(xù)結(jié)合程序詳細介紹。

                        　　
                        圖3：PMSOFT軟件界面　　

     步驟二：雙擊CAM 0進入資料表單會彈出下面的區(qū)段設(shè)置表。在左邊一列設(shè)主軸長度，右邊設(shè)對應(yīng)的同步倍率，也可以理解成齒輪比。同步倍率的計算，假設(shè)本測量系統(tǒng)編碼器為2500線，測量輪為51MM，伺服轉(zhuǎn)一周需10000 PULSE，伺服與導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)為4：1的減速帶輪，導(dǎo)軌牙距為30MM，通過以上參數(shù)，我們可以計算出要達到線速度同步，輸入脈沖與輸出脈沖的頻率比例關(guān)系。

     V1=F1*3.14*51/（2500）

     V2=F2*30/(4*10000)

     由于V1=V2,所以

     F2:F1=3.14*20000*51/40*2500=21.35

     因此考慮到PLC發(fā)出頻率，與伺服接受頻率的合理性，我們把伺服齒輪比設(shè)為10，填表設(shè)為2.2，如下圖所示。分別為在測量軸600 PULSE達到速度同步，一直同步到6900PULSE, 然后是，降速到零，（這里的同步長度設(shè)的比較長是因為考慮用戶執(zhí)行機構(gòu)切刀或罐裝時間延遲，必須有足夠長的同步區(qū)滿足，）這里的參數(shù)可根據(jù)實際機械負載，機臺長度，機器速度等靈活設(shè)置，比如說，切刀或罐裝速度比較快，不需要在600PULE同步，完全可縮小同步區(qū)，以便使伺服加減速時間更長等。

                        　　
                        圖4：區(qū)段設(shè)置表

    步驟三：點DRAW按鈕，生成主軸位置與從軸速度的曲線圖，生成的圖形是按照主軸位置和從軸的速度關(guān)系，并不是主軸和從軸一一對應(yīng)位置關(guān)系，比較上圖與下圖正式追剪曲線的區(qū)別可發(fā)現(xiàn)，需把幾個圖形依次下移。
    
                        
                        圖5：主軸位置與從軸速度的曲線圖

    要生成主軸和從軸一一對應(yīng)位置關(guān)系必須按下export按鈕，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后把數(shù)據(jù)再作為速度信號導(dǎo)入，即再按下import speed DATA 按鈕，就自動生成了上圖主軸與從軸的位置關(guān)系，速度關(guān)系，加速度關(guān)系圖，然后將程序下載啟動，追速過程就會按此圖執(zhí)行。

 （2）通過20PM的指令，生成圖形。

   上述通過軟件生成曲線，是過去20PM的通用過程，隨著客戶的要求，開發(fā)了更易使用的方式通過指令生成追剪曲線方式。

    DTO K100 D0 D100K7

    D0=k10000 _ 建立飛剪CAM data

    D101..D100 _ 整數(shù)格式主軸長度,(可為負數(shù)) 

    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,2SingleHypot,3 Cycloid)

    +0x8000 接續(xù)前次資料

  ,+0x4000 不動態(tài)變更

  , +0x2000 產(chǎn)生同步區(qū)頭D103..102尾D105..104)

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

    曲線暫不刷新

    曲線選擇

    最大同步倍率

    同步倍率

    建立飛剪曲線控制

    正向行程

    從軸行程

    同步區(qū)長度

                        
     
    通過簡單幾行程序，填入必要的參數(shù)就可以生成通過手工生成的飛剪曲線。這樣應(yīng)用更有靈活性。尤其對于有些工藝如紙管追切，需要經(jīng)常跟換管徑，也就相當于變換測量輪直徑的場合。

    三、利用高速撲捉輸出及飛剪凸輪實現(xiàn)追剪動作

    上文介紹了生成兩種飛剪凸輪曲線的方法，下面接著介紹整體動作實現(xiàn)。

    這里首先需要說明的20PM電子凸輪運行形式，分成單凸輪模式與多凸輪模式。顧名思義其中的區(qū)別是單凸輪模式只是運行一個凸輪軸（X軸），多凸輪模式可以運行幾組多凸輪（X,Y,Z)但是，并不僅僅區(qū)別在這里。按理說，本文凸輪只有一個軸，應(yīng)采用單凸輪模式。實際并不如此。

    單凸輪模式具有的模式是曲線可動態(tài)變更，輸入脈沖設(shè)定形式為D1864.但是不具備判斷切刀切斷信號到了后減速停車功能。其通過指令生成的曲線一旦固定無法，干預(yù)其從軸根據(jù)主軸的運行速度。也即切斷信號到了，從軸同步曲線未結(jié)束，仍會繼續(xù)往前走完曲線多凸輪模式，可三軸X,Y,Z任意選擇。也即可只運行組多凸輪。每個軸的允許，可通過D1847,D1927到D2007設(shè)定。最大的優(yōu)點是是每個軸的最高跟蹤頻率可設(shè)。假設(shè)，同步區(qū)切斷信號到了。 可立即把D1840=0，同步軸就會減速停車。

                         
      所以，本文采用多凸輪模式。多凸輪模式的計數(shù)主軸信號為C200，所以啟動凸輪時，需同時把C200前面的觸點ON。把測量輪編碼器同時接到2個手搖輪輸入，一個作為凸輪跟隨，C200，(接線為A0，B0),一個作為長度計長，C204， (接線為A1，B1),第一次啟動時，同時，凸輪離合，及C204計數(shù)清零，達到同步區(qū)后，輸出切刀信號，當切斷信號到時，把D1840給零，讓追蹤伺服降速停車。判斷D1850,等于零后，也就知道當前從軸已降速到零停止后。斷開電子凸輪，C204不斷開。計數(shù)料長仍然繼續(xù)。然后單段速讓從軸伺服高速回零。當C204的值與預(yù)設(shè)長度相等，則，再次啟動凸輪，D1846=H2000，C204復(fù)位從零再次計數(shù)。  

      這里用到C204的高速比較清零。內(nèi)部設(shè)定好需要切斷長度，等長度到了C204的值由高速比較設(shè)置好后自動清零，同時輸出CLR0信號，CLR0接到START0，切入到20PM的外部高速中斷，啟動中斷程序INT1，INT1立即啟動電子凸輪同步跟蹤。

      然后，周期如上循環(huán)。

      四、程序詳細介紹
 
      下面對每行程序做一詳細介紹。

                          

    D1816為X軸也就是追剪軸的輸出參數(shù)設(shè)置，H430的意思為歸原點是上升沿促發(fā)，輸出為脈沖加方向。M1035為四個外部特殊輸入點(START0,STOP0,START1,STOP01，作為普通點使用。

                           

    MOV K3K1M1200，MOV  K3  K1M1204為設(shè)定C200，C204的計數(shù)形式。為AB相四倍頻。

                           

    設(shè)定高速比較功能，MOVH524 D2  ,DMOV D4002 D4為一組，D2為控制字，D4為數(shù)據(jù)字。

                           

    對照手冊，由上圖可知，MOV H524 D2  ,DMOV D4002 D4為一組，意義為C204大于等于D4002的值時，復(fù)位C204。第二組，MOV H564D6  ,DMOV K0 D8，意義為C20,等于K0的值時，置位C204，允許C204，計數(shù)。

    這兩組的功能，簡單的說，就是實現(xiàn)設(shè)置一長度。到時立即復(fù)位。再次循環(huán)計數(shù)。MOV H24 D10,DMOVK0D12為一組，意義為C204大于等于K0的值時，輸出CLR0；第二組，MOV H64D14,DMOV K20 D16，意義為C204,大于等于K20的值時，復(fù)位CLR0,這兩組的功能，簡單的說，就是實現(xiàn)C204。到零時輸出一個CLR0，脈寬為20個PULSE.這個CLR0，接到STAR0，用來促發(fā)下次凸輪離合，在中斷1里促發(fā)凸輪合上，D1400的0-4位，分別對應(yīng)允許時間中斷，START0，STOP0，START1，STOP1.比如MOV K2  D1400就是允許中斷1.中斷1里的程序如下圖：

                                
                              圖：中斷1里的程序

      下面的程序為按格式，寫入上述定義的控制字。比如修改追剪的長度時，就需要改變上述的數(shù)據(jù)寄存器，重新寫入一次。TO K253 K1 D0 D10.為設(shè)定高速比較輸出功能命令。

                              
 
     以上程序為設(shè)定C204的高速計數(shù)，到長度復(fù)位，從新計數(shù)。并且，計數(shù)到位后輸出CLR0，產(chǎn)生中斷啟動電子凸輪。

    下面的整體過程從M150-M160開始為開始啟動。順序要從下往上看。之所以要倒著順序，便于每次設(shè)ON后，在下個掃描周期了解執(zhí)行狀態(tài)。

                               
 
                                

    以上程序全部經(jīng)過測試無刪除，客戶按照圖片鍵入可完全實現(xiàn)精確高速可變同步區(qū)長度的追剪控制。目前很多伺服系統(tǒng)固定了追剪功能，但是一旦需要改動，就要費很大周折。20PM具有普通PLC靈活編程功能，又具有靈活的電子凸輪的功能，可完全使用與于通用與專用高速追剪場合。