中達電通股份有限公司      張廣偉

　　摘  要：介紹基於台達智能型伺服係統的高精度灌裝控製方案。對於藥品液體灌裝生產線的高精度同步灌裝工藝，台達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控製模式，實現了液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。

　　關鍵詞：高解析智能伺服、同步灌裝、電子凸輪、新PR模式、CAPTURE資料抓取
、By-PASS一主多從 。

　　1. 引言

　　今天，隨著製藥企業“GMP”新(xin)標(biao)準(zhun)認(ren)證(zheng)製(zhi)度(du)的(de)實(shi)施(shi)，為(wei)製(zhi)藥(yao)企(qi)業(ye)對(dui)製(zhi)藥(yao)裝(zhuang)備(bei)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)的(de)目(mu)標(biao)和(he)要(yao)求(qiu)。同(tong)樣(yang)為(wei)製(zhi)藥(yao)裝(zhuang)備(bei)廠(chang)家(jia)提(ti)供(gong)了(le)前(qian)所(suo)未(wei)有(you)的(de)發(fa)展(zhan)機(ji)遇(yu)和(he)市(shi)場(chang)空(kong)間(jian)，但(dan)是(shi)傳(chuan)統(tong)的(de)製(zhi)藥(yao)機(ji)械(xie)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)已(yi)經(jing)和(he)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)已(yi)經(jing)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)現(xian)有(you)的(de)製(zhi)藥(yao)行(xing)業(ye)發(fa)展(zhan)的(de)需(xu)求(qiu)，新(xin)一(yi)代(dai)的(de)製(zhi)藥(yao)機(ji)械(xie)將(jiang)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)精(jing)度(du)的(de)，更(geng)高(gao)自(zi)動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)控(kong)製(zhi)工(gong)藝(yi)，來(lai)不(bu)斷(duan)迎(ying)接(jie)市(shi)場(chang)的(de)挑(tiao)戰(zhan)！

　　本文以藥品水針劑生產灌裝生產線高精度同步灌裝工藝為案例
，詳述了如何利用台達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控製模式
，僅以外置編碼器作為命令來源
，即可實現液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。同時利用伺服By-pass功能
，無需昂貴的運動控製器的參與，即可實現高性價比的一主多從多軸伺服同步控製控製方案。

　　2. 機械設計和工藝要求

　　1) 機械結構設計

　　灌裝同步生產線，主要分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構成，如下圖所示。　　

　　早期藥機同步灌裝，送瓶軸拖鏈
、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3bufendonglilaiyuanjunweisongpingtuoliandianjishuchu。duoshiyijixietuluntongguoduojijixiechuandong，daidonglianggeshititulunjigoulaishixiantongbu。shitidetulunjiagongxuyaogaojingmideCNCjiagongzhongxincainengshengchan，shengchanchengbenjiaogao，erqietiaoshiheanzhuangqilaifeichangmafan，bingqiesuizheshiyongshijianzengjia，jixiedemosunhuiyingxiangdaotongbuguanzhuangdejingdu，houqiweihufeiyonghengao，chanpinhuanxingkunnan。

　　台達A2係列伺服電子凸輪功能就是針對上述問題而開發的智能型伺服係統。

　　伺服灌裝同步生產線
，仍然分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構成，隻是在機械結構上
，摒棄了傳統的機械凸輪連接
，取而代之的是兩顆高精度伺服係統，通過精密絲杆分別控製水平跟蹤軸（X軸）和垂直跟蹤軸（Y軸）的位移。其伺服係統的命令來源均為安裝在送瓶拖鏈上的高解析度編碼器提供。控製架構如下圖所示：

    詳細機械數據如下：

    主編碼器分辨率為2000p/r，凸輪一周，編碼器旋轉2圈，采集脈衝數量16000ppr，5v差動信號。

    主電機由變頻器控製工作頻率在0~50hz。

    X/Y滑台絲杆的螺距為10mm
，X/Y伺服編碼器分辨率通過電子齒輪比功能設定為100000ppu。

    X軸同步的區域長度為A~B=240mm。Y軸插入的距離為40mm。

　　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。

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

　　 伺服可以在變頻器10HZ低速運行時，也能保證好的同步效果。

　　同步灌裝動作要求：

　　Xzhoushuipingzhougenzongsifu
，qudongguanzhuangpenzuiqianhouyundong。guanzhuangguochengfenweitongbuqujianhegaosufanhuiqujian。qizhongtongbuqujiansuduhesongliaotuoliansudubaochiyizhi。zaitongbuquyunei，Y軸才可以插針到瓶內。同步區結束後X軸高速返回到原點，等待插入下一組藥瓶。

　　 Y軸垂直軸提升伺服，驅動灌裝噴嘴上下運動
，灌裝過程分為快速插入和慢速返回區間。快速插入時的距離為40mm。並要求在瓶底停留一段時間。然後慢速提升，提升速度和灌裝係統流量相關，任何情況下不允許針管接觸到灌裝液麵。

　　在灌裝過程時，不論在快速插入瓶口和返回區間Y軸始終和主動軸的編碼器命令同步對應，同樣伺服馬達的速度和藥瓶的輸送速度保持一致

，即為同步灌裝要點！

　　3. 台達高精度灌裝控製方案

　　方案配置：

ASD-A2- 0421--B 控製器X2台

　　    台達A2係列高解析智能伺服是台達電子憑借多年的伺服研發經驗於2009年推出的新一代的伺服係統， 其設計引入了歐係高端伺服智能化的理念和控製架構。大幅提升了產品的性能和應用價值
，產品主要特點如下：

　　20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。

　　內含64組PR運動路徑編輯功能，電子凸輪功能。無需高階控製係統
，就可實現複雜的運動控製和凸輪同步功能，

　　內含伺服By-pass功能，可以實現命令信號逐級傳遞不衰減，輕鬆構造一主多從的控製架構。

　　高響應和共振抑製可以滿足各類機械環境。

　　4. 方案的製定和實施

　　綜合上述的分析
，但A2智能伺服就完全可以實現的同步灌裝運動控製要求。以下將針對同步灌裝的主要工藝要求對方案可行性逐一進行分析。

　　1) 動作分析與PR路徑規劃

　　同步灌裝動作流程如下圖所示：　　

　　下麵以X水平跟蹤伺服為例說明
，動作要求如下和PR路徑規劃如下：

　　A. X軸回歸機械原點

　　PR#00 回機械原點。開機X軸回歸到機械原點。。

　　PR#01 回到原點,確保伺服因緊急情況脫離後，再次執行時處於X軸原點。

　　B. 開啟CAPTURE資料抓取功能。

　　CAPTURE 的概念是利用外部的觸發信號DI7，達到瞬間抓取運動軸的位置資料，並存放到資料陣列中，作為後續運動控製使用.

　　需要特別說明的是，當伺服使用CAPTURE資料抓取功能時，伺服係統將強製關閉原有DI 功能規劃，將DI7強製為CAPTURE。故在CAP功能開啟後，DI7隻能使用在CAPTURE，因為這個信號經過硬體特殊處理為高速處理I/O,響應時間為3μ秒

　　PR#02  寫參數P5-39=0 關閉CAPTURE功能，防止誤動作。

　　PR#03  寫參數5-38=1 ，隻齧合一次
，保證在同步區間不會出現幹擾信號。

　　 PR#4  寫參數5-39=0XF021，啟動CAP資料抓取功能 。

　　C. 電子凸輪功能設置。

　　等待CAPTURE資料抓取信號，由安裝在主動軸上的接近開關信號，觸發A2伺服Capture和E-CAM功能，來實現電子凸輪齧合。

　　PR#5  寫參數5-88=0XF2220
，關閉電子凸輪功能。

　　PR#6  寫參數5-88=0XF2221，開啟電子凸輪功能。

　　參數規劃如下：

　　X凸輪控製=1  啟動電子凸輪。

　　     Y凸輪命令來源=2  PULSE命令。

　　     Z凸輪齧合時機=2   CAPTURE任一點動作。

　　     U凸輪脫離時機=2   主軸抓取脈衝數>5-89設定後脫離。

　　當伺服DI7 CAPTURE檢測到ON上升沿信號時，凸輪就會齧合，伺服電機根據A2預先編輯好的凸輪曲線軌跡，按照送瓶伺服主動軸編碼器脈衝指令運動。

　　當進入到設定同步區輸出同步範圍後，X軸D0CAM-AREA信號ON

，控製提升軸伺服Y軸凸輪齧合。

　　當伺服抓取數值通過比較等於主軸凸輪脈衝P5-89的值時
，伺服馬達立刻脫離電子凸輪，追隨結束。

　　D. 凸輪分離
，伺服電機高速返回。

　　伺服馬達反轉，高速返回起始原點，等待下一次觸發信號的到來。該階段為伺服自身的PR模式控製，返回時的速度和加減速規劃，由A2伺服的PR模式實現和完成。

　　PR#15  絕對定位，高速返回到原點

　　PR#16   跳轉指令，跳回到PR#02。當流程結束，返回到PR#02，等待下一次齧合信號到來。

　　對於垂直提升軸Y軸，除返回時
，因返回起始原點速度也由凸輪曲線規劃
，所以除了沒有PR規劃沒有PR#15，其他情況和水平X跟蹤軸相同
，對此不再複述。

　　使用A2資訊軟體
，用戶可以方便的規劃伺服的運動路徑，新型的PR路徑編輯器不但支持跳轉、插斷
、疊加等運動邏輯處理
，還支持參數讀寫等豐富功能。

　　2) 電子凸輪曲線規劃

　　水平跟蹤X軸凸輪曲線規劃

　　對於水平跟蹤X軸而言，主要保證速度上和主動軸編碼器速度追隨，追求的是速度保持主動軸一致。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：選擇速度區域建表 

　　步驟3
，根據實際情況設定實體機械尺寸

　　送瓶主動軸同步距離為240mm，編碼器產生1600pulse，因此主軸脈衝數=66.6666666666Pulse/mm，水平跟蹤X軸，伺服編碼器設定10萬脈衝當量，絲杆螺距為10mm，所以從動軸脈衝數設定為1000 PUU/mm
，此為模擬信息
，當在建造凸輪曲線時，係統會參考到這些資料
，所以這些信息務必要準確，即主動軸與從動軸移動1mm時所需的脈波數及PUU，如下圖。

　　步驟4，規劃和建造凸輪曲線

　　如左圖中標示
，設定＂等待區“、＂加速區“、＂等速區“、＂減速區“、＂停止區“等deng曲qu線xian運yun轉zhuan區qu域yu，其qi中zhong加jia減jian速su區qu的de設she定ding，需xu考kao慮lv到dao電dian機ji的de實shi際ji慣guan量liang是shi否fou能neng夠gou依yi此ci設she定ding的de加jia減jian速su曲qu線xian而er工gong作zuo。此ci外wai，曲qu線xian建jian立li的de要yao點dian是shi，曲qu線xian的de規gui劃hua的de過guo程cheng之zhi中zhong
，盡jin可ke能neng的de保bao持chi較jiao長chang的de＂等速區“，因為隻有在此段區域才能實現同步灌裝。同時
，要有一定的停止區，否則有時會造成曲線無法回到原點。

　　凸輪的導程是指凸輪包含加減速距離在內的位移距離
，我們設定為240mm=2400000puu單位。

　　當上述數據完成後，係統就可以產生表格和曲線，如下圖所示：

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

　　虛xu線xian和he實shi線xian重zhong合he的de區qu域yu就jiu是shi可ke以yi灌guan裝zhuang的de同tong步bu等deng速su區qu。使shi用yong者zhe可ke以yi通tong過guo調tiao整zheng合he理li的de加jia減jian速su規gui劃hua
，來lai保bao證zheng最zui大da化hua的de等deng速su區qu域yu，用yong以yi滿man足zu大da劑ji量liang藥yao瓶ping的de灌guan裝zhuang速su度du。這zhe是shi同tong步bu灌guan裝zhuang的de工gong藝yi要yao點dian之zhi一yi！

　　當模擬器產生的主動軸速度曲線和X水平跟蹤軸的速度曲線不一致時，使用者可以通過修正“導程”

，或者點擊“下一步”修正“主軸脈衝數5-84”
，來保證兩軸的速度曲線盡最大可能的保持接近。隻有這樣才能保證同步的穩定性和精度！

　　凸輪曲線和參數設定完成後要記得下載並燒錄到A2驅動器中

，否則掉電凸輪曲線不會被保存。

　　垂直跟蹤Y軸凸輪曲線規劃

　　對於垂直跟蹤Y軸而言
，是比較有意思的，因為Y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
，追求的位置控製！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，選擇手動建表功能。

　 步驟3，將曲線規劃為20等分，凸輪360°對應Y軸21筆位置資料
，做出凸輪位移曲線，如下圖：　

　　對於上述凸輪曲線，可以看到噴嘴的下行和返回行程都規劃在曲線內

，其Y軸的提升速度可以隨著主動軸的速度同步變化。此外
，對於Y軸提升伺服加減速的處理，在不影響最終位置的前提下，可以適當修改表格中加速和減速區域的數值，使速度曲線平滑！

　　3) 凸輪區間設定和DO:CAM_AREA功能說明

　　伺服係統DO規劃：CAM_AREA也是A2非常實用的功能之一

，他的主要目的就是可以在凸輪曲線上設定2組P5-90~P5-91參數
，當凸輪曲線運行到這段範圍後，DO：CAM_AREA就會至ON。

　　    垂直跟蹤 Y軸的CAPTURE信號DI7就是接到水平跟蹤X軸的D02:CAM_AREA信號觸發凸輪齧合的

，噴嘴輸液泵的開啟也是通過Y軸的D02:CAM_AREA信號來控製的。因為隻有水平跟蹤X軸和送瓶主動軸同步後，垂直跟蹤Y軸才能下降，將噴嘴插入瓶口。  

　　    而隻有噴嘴插入40mm，並停留一定時間
，垂直跟蹤Y軸

　　在穩定提升時，噴嘴輸液泵才可以開啟
，如下圖描述：

　　4) By-pass和一主多從的控製方式的說明

　　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，主動軸編碼器信號（脈衝命令信號）輸入到其他從動軸CN1,依次串接多顆伺服。即一主軸指揮多從軸同動。

　　在從軸上，信號傳遞每級的延遲為50ns，但不會有信號衰減的問題。方案中，垂直跟蹤Y軸的命令來源就是通過水平跟蹤X軸BY-PASS功能實現的！ 利用此功能最大可以串接16台伺服驅動器，而不會產生信號衰減問題。

　　5. 其他因素對灌裝精度的影響

　　對於下述問題是一個十分有必要討論的問題
，我們在實際調試時發現以下問題對於灌裝精度起影響作用，甚至有時左右到方案的結果。

　　1) 編碼器的精度和安裝方式

　　主動軸編碼器輸入的脈衝數量，編碼器聯軸節安裝不同心，變形引起的脈衝指令突變。 

    解決的方法是：

　　A. 更改編碼器聯軸節安裝方式。

　　B. 更換更高精度的編碼器

　　C. 檢查主動軸變頻器速度輸出是否穩定。

　　2)    Capture同步命令信號

　　這個信號由安裝在主動軸上的接近開關信號DI7
，觸發A2伺服Capture和E-CAM功能，來實現電子凸輪齧合。因此這個信號響應時間和信號發出的一致性將從動軸的影響同步效果。

　　解決

　　A. 使用高響應的光電開關。

　　B. 保證遮幕有效距離相等。

　　6. 結束語

　　本案隻是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個典型應用。目前A2係列伺服除電子凸輪功能外，其他係列機型還包含有CAN-OPEN總線機型，全閉環機型，以及擴展I/O機型
，可以滿足不同應用場合和控製需求，相信隨著市場的不斷深入，我們可以為客戶實現更穩定、高性價比的伺服運動控製控製方案。