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1. 引言
本文介紹了一種智能型伺服驅(qū)動(dòng)器以及智能伺服技術(shù)在定長(zhǎng)裁切領(lǐng)域的應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)的基于脈沖模式的伺服驅(qū)動(dòng)器必須依賴上位機(jī)發(fā)送的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制模式，智能伺服驅(qū)動(dòng)器集成了運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)和PLC功能，無需上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器便可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，再加上為不同應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)置的特殊功能，最終整合成為具有新一代理念的“智能型伺服控制驅(qū)動(dòng)器”。圖1顯示了脈沖型伺服系統(tǒng)和智能型伺服系統(tǒng)的比較，從圖中可以看到，脈沖型伺服必須依賴PLC（或控制卡）發(fā)送的脈沖命令完成運(yùn)動(dòng)控制功能。而智能型伺服由于內(nèi)置了運(yùn)動(dòng)控制器，所以無需上位機(jī)PLC即可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，并可以直接連接HMI觸摸屏。
“智能型伺服控制驅(qū)動(dòng)器”的特點(diǎn)是具備了完整的“運(yùn)動(dòng)控制器”功能，同時(shí)也還是一個(gè)“伺服驅(qū)動(dòng)器”，并兼具PLC的功能。本文將以眾所熟知的2軸定長(zhǎng)裁切上的應(yīng)用為主題做智能伺服的介紹。
 

2. 定長(zhǎng)裁切系統(tǒng)的基本工作模式
在各類型定長(zhǎng)伺服控制系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍并不僅局限于定長(zhǎng)裁切。也同時(shí)適用于其它需要固定長(zhǎng)度、位置的加工工藝。例如食品包裝、印刷、沖床送料、管材鋸斷或是瓦愣紙、卡紙裁切和鋼板裁切等等，定長(zhǎng)伺服控制系統(tǒng)都可以適用。本文為了方便描述以及容易比較不同系統(tǒng)的差異，把這些具有定長(zhǎng)切割的系統(tǒng)統(tǒng)稱為定長(zhǎng)裁切系統(tǒng)。
從裁切工藝的設(shè)計(jì)方式來定義，定長(zhǎng)裁切系統(tǒng)可分為三大類:
（1）走停送料、靜態(tài)裁切；
（2）連續(xù)送料、往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切；
（3）連續(xù)送料、旋轉(zhuǎn)式同步動(dòng)態(tài)裁切；
表1說明了三類定長(zhǎng)裁切系統(tǒng)的不同特點(diǎn)。走停送料型的系統(tǒng)刀座是固定不動(dòng)的，因此待切材料在裁切加工的那一瞬間，材料必須完全停止，故稱為靜態(tài)裁切。而連續(xù)送料型不論是往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式，在裁切加工的瞬間刀具與材料是同步運(yùn)行的，因此稱為動(dòng)態(tài)裁切，一般也稱為飛剪。

2.1 走停送料、靜態(tài)裁切系統(tǒng)
走停送料、靜態(tài)裁切系統(tǒng)是最普遍的裁切方式之一，因?yàn)橄噍^于其它裁切系統(tǒng)而言，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。如圖2所示，馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，材料靠送料輪送料，當(dāng)送料長(zhǎng)度到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，馬達(dá)停止送料。等材料停止運(yùn)動(dòng)之后，裁刀動(dòng)作將材料分切成長(zhǎng)度相同的成品。
 

走停式定長(zhǎng)送料系統(tǒng)的所具有的缺陷：
a) 無法裁切連續(xù)進(jìn)料的成品
需要連續(xù)裁切時(shí)(如圖2所示)，在送料夾輪的前段，一定存在著LOOP緩沖區(qū)，一方面增加機(jī)器的體積；另一方面，也無法處理由前段生產(chǎn)線連續(xù)產(chǎn)出的硬質(zhì)材料，例如硬管軟管異形材的押出機(jī)生產(chǎn)線、斜紋紙管生產(chǎn)線、無縫鋼管生產(chǎn)線等等，管材是連續(xù)不間斷地生產(chǎn)出來的，根本無法采用停止后靜態(tài)裁切的方式。
b) 容易損傷材料
如塑料袋材料很薄時(shí)，快速送料將導(dǎo)致材料拉伸變形；如鏡面鋼板表面很精致時(shí)，夾輪的加減速將會(huì)對(duì)成品造成刮痕。
c) 送料速率的極限
針對(duì)相同的裁切長(zhǎng)度，當(dāng)送料速率要提升一倍時(shí)，則電機(jī)需要數(shù)倍的扭矩，根據(jù)電機(jī)的特性很容易達(dá)到系統(tǒng)的極限。
2.2 連續(xù)送料、往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切
在一條連續(xù)性生產(chǎn)線的末端，成品連續(xù)不斷的生產(chǎn)出來的。如果生產(chǎn)的成品是軟性的材質(zhì)(如電線、塑料薄膜)，則采用卷繞方式將成品連續(xù)卷取收料即可。但是，如果生產(chǎn)的成品是硬性的材質(zhì)(例如PVC硬管押出機(jī))時(shí)，就必須將連續(xù)送來的材料，立刻裁切成一段段固定長(zhǎng)度的成品。這時(shí)，便需要應(yīng)用“往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切”的技術(shù)，或者稱之為“往復(fù)式飛剪”。因?yàn)樵诓们械倪^程中，如果硬質(zhì)材料與刀具之間有相互的位置變動(dòng)，將會(huì)對(duì)刀具造成傷害;同時(shí)也勢(shì)必影響成品的質(zhì)量。
    采用如圖4所示的“往復(fù)式飛剪”機(jī)械結(jié)構(gòu)，便是解決這種問題的最佳方案。本機(jī)械結(jié)構(gòu)的裁切刀具并不是安置于固定點(diǎn)，而是安裝于可以移動(dòng)的“切臺(tái)”上。透過絲桿，“切臺(tái)”的位置由伺服馬達(dá)帶動(dòng)。因此，在整個(gè)裁切的過程中，控制器可以隨時(shí)控制切臺(tái)的移動(dòng)速度與位置，讓刀具與材料的相對(duì)位置永遠(yuǎn)維持固定。運(yùn)用這種方式才能確保每一個(gè)成品的定長(zhǎng)精度及切口平整度，同時(shí)還能延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
 

2.3  連續(xù)送料、旋轉(zhuǎn)式同步動(dòng)態(tài)裁切
圖6為旋轉(zhuǎn)式同步動(dòng)態(tài)裁切(飛剪)的示意圖。注意上下兩組裁切刀輪同時(shí)被伺服馬達(dá)帶動(dòng)，各依箭頭所示方向相對(duì)旋轉(zhuǎn)。刀輪的上方的刀刃必須作精密的調(diào)整，當(dāng)上刀輪的刀刃旋轉(zhuǎn)至正下方時(shí)，下刀刃恰好轉(zhuǎn)至正上方。這樣才能執(zhí)行正確的裁切。每次裁切刀輪旋轉(zhuǎn)一圈，便自動(dòng)將材料切斷一次;馬達(dá)只要在相同方向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，刀輪便能連續(xù)裁切。因此，裁切效率比“往復(fù)式”更佳。

 需要說明的一點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切系統(tǒng)中，需要有一個(gè)機(jī)制來協(xié)調(diào)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸（即送料軸和切刀軸）之間的運(yùn)動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)送料和平穩(wěn)切割，即電子凸輪。而在脈沖式伺服系統(tǒng)中，這一電子凸輪的功能通常由PLC來實(shí)現(xiàn)，這不但影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的投資成本和維護(hù)成本。
3. iDrive智能伺服驅(qū)動(dòng)器
 iDrive智能伺服驅(qū)動(dòng)器是北京諾信泰自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，和基于脈沖的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品相比，iDrive智能伺服驅(qū)動(dòng)器具有以下特點(diǎn)：
(1) 更高的可靠性
iDrive集成了運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和集成PLC功能，一體化的結(jié)構(gòu)不但減少了連接電纜的數(shù)量，而且有利于提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)降低外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響；
(2) 更大的靈活性
iDrive具有豐富的操作模式：RS232網(wǎng)絡(luò)模式、RS485網(wǎng)絡(luò)模式、脈沖模式、模擬信號(hào)模式以及獨(dú)立運(yùn)行模式；iDrive可以用來驅(qū)動(dòng)多種不同的電機(jī)：直流無刷(有刷)伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直線電機(jī)；iDrive還集成了18點(diǎn)的輸入/輸出，可以由上位機(jī)控制輸入/輸出口的狀態(tài)。
(3) 更具節(jié)約潛能
RS485網(wǎng)絡(luò)操作模式下，一條RS485總線可同時(shí)連接最高可達(dá)31臺(tái)iDrive驅(qū)動(dòng)器，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的連接并可保證在安裝和維修方面節(jié)約大量的成本；iDrive的獨(dú)立運(yùn)行模式可以用來組建無需上位機(jī)控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，減少系統(tǒng)成本；
(4) 更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
控制器和驅(qū)動(dòng)器一體化的結(jié)構(gòu)保證了各個(gè)控制環(huán)的較高的采樣和控制頻率，較高的采樣和控制頻率保證了系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從而能保證電機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)的控制精度。
4. iDrive雙軸智能伺服驅(qū)動(dòng)器在定長(zhǎng)切割領(lǐng)域的應(yīng)用
 iDrive是一個(gè)集成了運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)和PLC的雙軸智能伺服驅(qū)動(dòng)器，由于內(nèi)置了運(yùn)動(dòng)控制功能，可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部?jī)?nèi)置電子齒輪和電子凸輪的應(yīng)用。在加上智能伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊功能，可以和上位機(jī)如HMI等進(jìn)行直接連接通訊。這些特征都決定了iDrive雙軸智能伺服驅(qū)動(dòng)器在定長(zhǎng)裁切領(lǐng)域具有非常大的優(yōu)勢(shì)。下面就以往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切和旋轉(zhuǎn)式同步動(dòng)態(tài)裁切為例說明iDrive雙軸在動(dòng)態(tài)裁切領(lǐng)域的應(yīng)用。
 圖7顯示了iDrive雙軸智能伺服驅(qū)動(dòng)器的接口示意圖，雙軸模塊正好適合定長(zhǎng)裁切領(lǐng)域的應(yīng)用。集成的PLC功能可以連接達(dá)18點(diǎn)的輸入/輸出及接口。
 

圖8和圖9顯示了iDrive應(yīng)用于動(dòng)態(tài)定長(zhǎng)裁切系統(tǒng)中，由于iDrive雙軸智能伺服驅(qū)動(dòng)器并集成了運(yùn)動(dòng)控制和PLC的功能，所以無需PLC即可以實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)裁切的速度控制功能，即iDrive內(nèi)置了電子凸輪的功能。iDrive集成的網(wǎng)絡(luò)功能可以與觸摸屏或文本編輯器直接連接，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的修改和系統(tǒng)運(yùn)行狀況的顯示。由于iDrive雙軸智能伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置了電子凸輪的功能，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度極快，保障了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而與觸摸屏的直連也增加了系統(tǒng)構(gòu)建的方便性。
iDrive可以通過I/O口來連接第二編碼器，實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)裁切功能，如圖10所示。
另外，在一些成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，我們甚至可以去掉觸摸屏，直接用iDrive自帶的I/O口的狀態(tài)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行還是停止，具有很大的成本優(yōu)勢(shì)。

5. 結(jié)束語
 利用iDrive組建動(dòng)態(tài)定長(zhǎng)裁切系統(tǒng)，有如下的優(yōu)勢(shì)：
（1） 系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊。
由于iDrive內(nèi)建了電子凸輪和色標(biāo)抓取和補(bǔ)償功能，而且智能驅(qū)動(dòng)器可以直接和HMI連接，使得系統(tǒng)的組建更為簡(jiǎn)潔和方便。
（2） 顯著價(jià)格優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)
由于電子凸輪功能內(nèi)置于iDrive內(nèi)部，使得系統(tǒng)的凸輪功能無需通過上位PLC來進(jìn)行，直接在驅(qū)動(dòng)器級(jí)就實(shí)現(xiàn)了同步和跟隨的功能，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度都有了顯著的提升。而原先的PLC可以直接省略或選擇功能更小的PLC，從而達(dá)到了節(jié)省投資的目的。
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的越來越激烈，機(jī)械制造業(yè)的壓力也不小。為了提升競(jìng)爭(zhēng)力，大家唯有不斷地研發(fā)改進(jìn)產(chǎn)品的性能，才能繼續(xù)開拓市場(chǎng)。在國(guó)內(nèi)，走停式控制系統(tǒng)已經(jīng)開始普遍進(jìn)行改造，運(yùn)用自動(dòng)定長(zhǎng)走停式控制系統(tǒng)逐步取代了傳統(tǒng)的兩段速度式控制系統(tǒng)。因?yàn)轱w剪控制系統(tǒng)的困難度較高，所以往復(fù)式裁切機(jī)至今仍多數(shù)采用油壓系統(tǒng)切臺(tái)；旋轉(zhuǎn)式裁切機(jī)也大多采用凸輪耦合切刀。因此，其裁切追蹤的同步性、操控性及裁切精確度都有待進(jìn)一步提升。
智能型定長(zhǎng)控制驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，立刻簡(jiǎn)化了飛剪控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度也降低了制造成本。原先令業(yè)者裹足不前的障礙消失之后，現(xiàn)在大家都有了與歐美日競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。相信不多久，不論往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式裁切機(jī)，都會(huì)在國(guó)內(nèi)業(yè)者共同努力之下，逐漸演變成高性能的電控式飛剪系統(tǒng)。
基于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)智能伺服技術(shù)的多軸伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)iDrive采用總線型控制架構(gòu)，內(nèi)置運(yùn)動(dòng)控制器，內(nèi)建電子凸輪、多軸同步飛剪、多軸跟隨，高速色標(biāo)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，內(nèi)置PLC完成I/O功能，全部運(yùn)動(dòng)控制均在伺服驅(qū)動(dòng)器級(jí)完成，系統(tǒng)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于多軸枕式包裝機(jī)，且造價(jià)低廉，比進(jìn)口產(chǎn)品節(jié)省成本超過50%，將逐步成為枕式包裝行業(yè)控制系統(tǒng)的主流方案。