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摘 要：介紹臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪（CAM）功能，闡述高速肥皂切割機(jī)工作原理、工藝要求及相關(guān)控制程式概要。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制器，電子凸輪，伺服控制，CAM Table，高速脈沖。
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(zhǎng)度的肥皂，可以兩種方式切割.一是定長(zhǎng)方式,設(shè)定好需要的長(zhǎng)度,然后,隨著,肥皂出條機(jī)的快慢,自動(dòng)切割出精確度很高的等長(zhǎng)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(shí),要求切割在每個(gè)標(biāo)識(shí)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(zhǎng)要準(zhǔn)。兩種方式的區(qū)別在于跟隨開始部分，定長(zhǎng)方式只要啟動(dòng)跟隨，
從軸就采集主軸脈沖，按CAM表運(yùn)行。定位方式在于，開始時(shí)等到一個(gè)外部接近開關(guān)啟動(dòng)信號(hào)，然后才按定長(zhǎng)方式走，不過，定位模式這個(gè)定長(zhǎng)是固定的，等于印花輪周長(zhǎng)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(tái)面組成，并設(shè)置腳輪便于移動(dòng)，當(dāng)設(shè)備到位后可將支腳調(diào)低作為穩(wěn)定支撐。
�。�2） 測(cè)量機(jī)構(gòu)
安裝于皂?xiàng)l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(cè)量皂?xiàng)l的出條速度,及長(zhǎng)度。是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的主軸。
�。�3） 切刀機(jī)構(gòu)
主要由臺(tái)達(dá)B系列2000W伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的從軸。
（4） 皮帶傳動(dòng)
包括臺(tái)達(dá)B系列750變頻電機(jī)、傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)肥皂切割的精確控制。
2、設(shè)備工藝流程
啟動(dòng)切刀回原點(diǎn)→選擇模式(定長(zhǎng)或套花定位)→設(shè)定參數(shù)→跟隨啟動(dòng)→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(dòng)作控制部分。具體配置如下：
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運(yùn)動(dòng)控制器 |
臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D |
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編碼器 |
臺(tái)達(dá)EH3-25LG8845 |
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觸摸屏 |
臺(tái)達(dá)DOP-A57BSTD |
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伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器 |
臺(tái)達(dá)ECMA-C30602ES、ASD-B0221-A |
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變頻電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器 |
臺(tái)達(dá)ASDB |
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接近開關(guān)1 |
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接近開關(guān)2 |
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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(guó)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(gè)編碼器輸入到PLC內(nèi)置兩個(gè)高速輸入點(diǎn)，一個(gè)高速輸入編碼聯(lián)一定長(zhǎng)的壓輪,如圖 中B點(diǎn)所示，采集皂?xiàng)l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(dòng)伺服,將切刀動(dòng)作速度與皂?xiàng)l的線速度的速比進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)連在一起,如圖中A點(diǎn)所示，這個(gè)編碼器的數(shù)值與預(yù)設(shè)長(zhǎng)度(或套花長(zhǎng)度)的數(shù)值比較,達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，比如650PULSE,產(chǎn)生中斷,使能高速脈沖輸出,也就是使切刀動(dòng)作。這種方法切刀動(dòng)作總是在滯后動(dòng)作，受線速度，PLC運(yùn)算影響，同步精度差，計(jì)算量大，CPU處理時(shí)間較長(zhǎng)，因此會(huì)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(duì)于高速時(shí)就會(huì)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(zhǎng)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(diǎn)位置，這些都是根據(jù)線速度V和裁減長(zhǎng)度L、壓花輥周長(zhǎng)C等由PM計(jì)算的結(jié)果，在20PM內(nèi)生成CAM曲線，測(cè)量的高速編碼器信號(hào)直接接入到PM的編碼器輸入，不作運(yùn)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(zhǎng)度的精度�！�
2、電子凸輪的實(shí)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(jì)算簡(jiǎn)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(hào)進(jìn)行處理；三是從測(cè)量編碼器獲取。獲得編碼器信號(hào)之后，將其換算成主軸位置。這個(gè)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(shí)現(xiàn)主從軸的嚙合
實(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)際工作中測(cè)量到的點(diǎn)與點(diǎn)之間的對(duì)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(gè)cam曲線。關(guān)系確定和實(shí)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(dòng)編程時(shí)生成也可通過程序自動(dòng)生成。本系統(tǒng)通過程序自動(dòng)生成。
3、臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪功能介紹
臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器除了實(shí)現(xiàn)直線/圓弧插補(bǔ)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(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。
20PM為2軸運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D是一款專用運(yùn)動(dòng)控制型PLC，采用高速雙CPU結(jié)構(gòu)形式，利用獨(dú)立CPU處理運(yùn)動(dòng)控制算法，可以很好地實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡控制、邏輯動(dòng)作控制，直線/圓弧插補(bǔ)控制等，在高速肥皂切割機(jī)中正是利用了20PM運(yùn)動(dòng)控制器的電子凸輪功能很好的解決了上述高速切割時(shí)出現(xiàn)的不垂直、不等長(zhǎng)等問題�！�
運(yùn)動(dòng)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(diǎn)擊進(jìn)入資料表單設(shè)定按鈕時(shí)會(huì)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(dòng)生成，以下是自動(dòng)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(zhǎng)度,
D103..D102 _ 整數(shù)格式從軸長(zhǎng)度
D105..D104 _ 整數(shù)格式從軸同步長(zhǎng)度
D107..D106 _ 浮點(diǎn)格式從軸同步倍率
D109..D108 _ 浮點(diǎn)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(zhǎng)度不足)
計(jì)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(gè)印花，則每個(gè)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(gè)800PULE,還需乘以伺服的電子齒輪比
22940/440,為從軸實(shí)際走的脈沖數(shù))
從軸同步長(zhǎng)度為D104=700,
從軸同步倍率，D106=2.55(這個(gè)倍率，跟據(jù)印花輪的直徑，不同而不同，實(shí)際計(jì)算公式
為892.96/［2500/(3.14*D)］)這是按印花輪D=118.7MM運(yùn)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(zhǎng)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
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X0 |
啟動(dòng)并歸原點(diǎn) |
FP0+ |
差分脈沖輸出 |
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X1 |
急停 |
FP0- |
差分脈沖輸出 |
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DOG0 |
切刀原點(diǎn) |
RP0+ |
差分脈沖輸出 |
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START0 |
外部CAM啟動(dòng) |
RP0- |
差分脈沖輸出 |
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A0+ |
A+相脈沖反饋 |
AO+ |
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A0- |
A-相脈沖反饋 |
AO- |
模擬輸出— |
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B0+ |
B+相脈沖反饋 |
Y0 |
切刀使能 |
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B0- |
B-相脈沖反饋 |
Y1 |
皮帶傳動(dòng)使能 |
2、 上位觸摸屏控制
觸摸屏主要用于人機(jī)對(duì)話，對(duì)設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以及顯示設(shè)備運(yùn)行過程中動(dòng)作狀態(tài)和主要參數(shù)。
�。�1）手動(dòng)操作畫面：
實(shí)現(xiàn)調(diào)機(jī)時(shí)的手動(dòng)調(diào)整，同時(shí)可通過“回原”按鈕將從軸回歸機(jī)械原點(diǎn)，便于操作。
�。�2）定長(zhǎng)操作畫面
可預(yù)設(shè)切皂長(zhǎng)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(shí)的皂?xiàng)l速度、皂?xiàng)l塊數(shù)等參數(shù)，以及定位啟動(dòng)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(shí)起步的偏差調(diào)整，以及皮帶自動(dòng)跟蹤的增益。
3、 程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于CAM表參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算以及CAM表的生成。
參數(shù)計(jì)算梯形圖如下：
CAM表的生成在前面已重點(diǎn)介紹，以下是實(shí)際程序，以及變換定長(zhǎng)，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(shí)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(shí)際D100=625，D106=1.72,D104=700
DCAM1為定長(zhǎng)模式直徑為150.0,定長(zhǎng)100,實(shí)際D100=534,D106=3.226,
DCAM2為定長(zhǎng)模式直徑為65.0,定長(zhǎng)100,實(shí)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?xiàng)l長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)作也是需要一個(gè)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(huì)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(dòng)作、立式包裝的橫切熱封動(dòng)作、金屬加工中的彈簧變徑加工、剪板折彎等中都會(huì)使用到CAM功能。
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