西门子(吕梁)PLC代理商

1. 概述

　　智能伺服技术是近年来新兴的一种机电一体化技术。它是在传统伺服驱动技术的基础上，融合了运动控制技术、DSP技术、PLC技术、现场总线技术等多种现代控制技术而形成。智能伺服产品具有智能化、网络化、模块化、数字化等特征，是未来伺服技术发展的方向。

　　本文介绍的 iPack2000多轴伺服枕式包装机控制系统基于我国自主研发的iDrive 智能伺服，以一体化高集成度的智能伺服解决方案，替代传统的PLC+伺服驱动器的方案。iDrive 智能伺服控制器内建电子凸轮和色标抓取和补偿功能，兼容热切和冷切工艺，通过伺服驱动系统底层实现双轴同步，系统响应快，同步精度高，电控设备成本较传统脉冲伺服方案降低40%。驱动器可以和HMI实现直连通讯，大大增强了控制系统的简洁性，减少了设备调试所需的时间。

2. 基于脉冲的传统系统和智能伺服系统的比较

　　图1和图2显示了传统的PLC+伺服驱动系统方案以及采用智能伺服控制器的iPack2000系统方案结构对比。

智能伺服的控制方案采用了内置控制器替代PLC，在一个双轴iDrive智能驱动器内部实现两轴(切刀轴和送膜轴)的同步以及电子凸轮关系，色标补偿也在同一智能伺服控制器内部完成，系统响应大大提高，系统结构简化，成本也显著降低。同时，由于采用了总线型的结构，采用智能伺服的系统方案更加灵活，可以非常容易地变化为双轴系统或者四轴乃至多轴系统。

3. 内置电子凸轮的智能伺服系统的枕式包装解决方案

　　下面以图2所示的三轴伺服枕式包装机控制系统为例对系统各部分进行说明，该枕式包装机横向封切方式为热封冷切，即先进行热封，再进行横切。系统也能方便地通过设置，兼容常见的热封热切工艺。设备运行过程中，横封横切刀的运行速度保持匀速(以下简称主动轴)，送膜轴(以下简称从动轴)的速度以凸轮关系运行，并引入色标补偿。凸轮的功能是并保证在横封和横切时，送膜轴的运动和横封刀以及横切刀的在切割点的运动保持严格同步。送料轴以送膜轴的实际运动速度和位置，与之保持严格同步。切刀近点传感器信号的引入是应某枕式包装机制造商的要求而设置的，目的是为了防止色标信号的误检测。此功能也可以不用引入传感器信号，而在系统内部以软件的方式实现。

　　3.1 工艺流程

　　包装物经过送料机构被送进包装膜内，先完成纵封作业;之后装物在纵封后的包装膜内继续前进，进入横封横切工艺，完成进行横封和横切，终成为成品。

　　3.2系统框图

　　如图3所示系统共有三个伺服轴，由一台双轴iDrive智能伺服和一台单轴智能伺服以RS485总线方式实现联网控制，由双轴iDrive作为主控制器。双轴iDrive内置的两个伺服驱动模块分别用于控制横封(横切)刀轴和送膜轴，单轴iDrive控制送料轴。其中从动轴(即送膜轴)以设定的电子凸轮跟随主动轴(横封横切轴)运动，保证横封横切的严格同步，同时从动轴根据由色标信号检测得到的位置补偿信号对从动轴进行位置补偿，送料轴则根据从动轴的实际位置与之保持完全同步跟随运动。I/O信号中的切刀信号和色标信号直接连接到双轴iDrive的I/O接口中。Jog运动模式的控制信号也接入双轴iDrive的I/O口，包括用于调试的从动轴的向前运动和向后运动两个运动方式控制开关。图4显示了伺服系统的接口以及主动轴和从动轴的分配。

（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）张力机构。安装于进线部分，作为绕线张力调节，保证线圈绕制时维持张力恒定，张力调节器具有调节旋钮可针对不同需求进行张力调节设定，调整完毕后，张力调节器自动控制绕线张力。

（4）绕线机构。主要由台达B系列200W伺服电机、同步齿形带、绕线飞叉组成，是电子凸轮运动中的绕制主轴，铜线经过飞叉旋转绕制于绕线模头上，是绕线机主要运动部件之一。

（5）排线机构。包括台达B系列100W伺服电机、精密直线螺杆、精密导轨、气动滑叉等，是电子凸轮运动中的排线从轴，在绕线运动中跟随绕线主轴正反向往复运动实现排线动作，是绕线机主要运动部件之一。

（6）工作转台

由分度步进电机、旋转台、线叉、绕线模头组成，该设备为多任务位绕线机，在绕线同时执行模头预热、剪线、加热、脱模等工艺动作，这需要工作转台按不同工位动作完成。

（7）剪线机构。为气动执行机构，主要是将绕制完成的线圈两端引线剪断。

（8）脱模机构。由分度步进电机、气动脱模组成，将绕制完成的成品从绕线模头取下。

（9）热风系统。设备配置两个可调温度220V热风枪，在绕线前将模头预热，绕线后对线圈进行热风处理便于脱模。

（10）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，实现转轴与排线的控制，从而保证绕线的精度

2.2 工艺流程

绕线头回原点→进给至起绕点→张力调节→模头预热→绕线、排线→加热→剪线→脱模→成品→退至脱模点→进给至起绕点循环生产。

2.3 电气系统配置

电气控制主要包括绕排线部分、步进分度部分、气缸动作控制部分。具体配置如表1所示。

表1 绕线机电控配置

3 台达PLC电子凸轮功能

　　高速绕线机的主要控制功能基于台达20PM电子凸轮的应用，使绕制产品的成品品质及效率大大提高。以下对电子凸轮功能作简单介绍：

3.1 什么是电子凸轮

　　参见图5，凸轮是用于实现机械三维空间联动传动关系与控制的机械结构。自动化运动控制系统用软件程序与伺服电机实现三维空间联动传动关系与控制的软件系统就是电子凸轮功能。从图5可以看到，左边是我们常见的机械式凸轮方式，而右边就是电子凸轮方式。也就是说利用程序的方式（配合伺服单元）完成机械凸轮控制所需要的轨迹，实现主轴和从轴的啮合运动。

3.2 电子凸轮的实现

（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。

（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。

3.3 台达运动控制型PLC的电子凸轮

　　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，Y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。图6是电子凸轮图形化定义软件主界面。

4 绕线控制电子凸轮设计

4.1 程序设计

　　程序设计的关键在于高速绕线机的控制难点分析及解决方案。

（1）系统难点。绕线机在换向处出现绕线不均匀、堆积；绕线机换向处出现螺旋纹、不平整；无法进行斜排绕线，奇偶数绕线。

（2）难点分析。换向处绕线不均匀、堆积情况出现主要是由于普通PLC的速度指令处理时间长，换向受程序扫描周期影响，没有同步指令且无法实时刷新，同时伺服刚性参数，动态响应速度也是原因之一。

换向处出现螺纹主要是因为螺旋绕线方式造成，可采用后半圈定位绕线解决。

斜排绕线在爬坡时每圈需要增加一个线宽和线厚，奇偶数绕线是在每绕一层变换绕线匝数奇偶性，两种绕线方式都需要每次绕线后进行计算，由于普通小型PLC运算时间长，导致无法进行高速斜排和奇偶数绕线。

4.2台达解决方案

　　由以上分析可以看出，高速绕线机的瓶颈在于高速运算及响应，而台达20PM运动控制器除逻辑控制CPU外具有独立的高速运算CPU，由硬件直接完成高速运算响应，2轴同步控制时间小于0.5ms，达到高速绕线需求。关于台达20PM运动控制器电子凸轮功能及应用在上面章节已有描述。

　　此外，对于程序编写也十分简单方便，利用PMSoft编程软件设置好cam table后，直接控制对应的内部寄存器即可完成电子凸轮运行。表2为X轴排线轴内部寄存器表，例如在对应的D1511中传送不同数值即可实现0（停止）、1（正向点动）、2（反向点动）、3（单段速运动）、4（电子凸轮运动），其它寄存器同样有各自功能。