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中達電通股份有限公司 趙越錦
摘 要：介紹台達DVP-20PM00D運動控製器電子凸輪（CAM）功能，闡述高速繞線機工作原理、工藝要求及相關控製程序概要。
關鍵詞：運動控製 電子凸輪 主軸 從軸 CAM Table
1 引言
本ben文wen介jie紹shao的de全quan自zi動dong無wu骨gu架jia係xi列lie空kong心xin電dian磁ci線xian圈quan高gao速su繞rao線xian機ji，可ke以yi繞rao製zhi傳chuan動dong線xian圈quan，揚yang聲sheng器qi線xian圈quan，天tian線xian線xian圈quan以yi及ji各ge種zhong無wu骨gu架jia通tong用yong線xian圈quan。設she備bei具ju有you性xing能neng可ke靠kao，高gao速su高gao效xiao率lv，自zi動dong化hua程cheng度du高gao，適shi合he於yu線xian圈quan製zhi造zao業ye的de批pi量liang生sheng產chan，如ru圖tu1所示。
圖1 空心電磁線圈
一般普通繞線機采用內置脈衝功能的小型PLC，通過繞線軸編碼器速度輸出到PLC內置高速輸入點，將繞線軸與排線軸的速比進行簡單速度同步，這種方法受PLC運算影響，同步精度差，計算量大，CPU處理時間較長，因此會出現繞線不均勻，堆積，塌陷等問題，嚴重影響繞線成品的質量，舉例來說，PLC對繞線軸編碼器作高速計數，當到達計數值時利用中斷方式控製排線軸電機反向繞製，但受CPUyunsuanchulishijiandeyingxianghuichuxianzhihouchanshengwucha，zaidisudeqingkuangxiashangkejibendadaoraozhiyaoqiu，danshiduiyugaosuraozhiduocengxianquanshijiuhuichuxianxianquanduanmianbuqizheng，chengpinpinzhixiajiang。
台達DVP-20PM00D是一款專用運動控製型PLC，采用高速雙CPU結構形式，利用獨立CPU處理運動控製算法，可以很好地實現各種運動軌跡控製、邏輯動作控製，直線/圓弧插補控製等，在高速繞線機中利用了20PM運動控製器的電子凸輪功能很好的解決了繞線換向出現的繞製不均勻、堆積、不平整等問題，如圖2所示。
圖2 運動控製器DVP-20PM00D
2 高速繞線機
2.1 設備結構簡介
高速繞線機共包含九部分機構，如圖3所示。
圖3 高速繞線機
（1）機架。機架由角鋼框架及不鏽鋼台麵組成，並設置腳輪便於移動，當設備到位後可將支腳調低作為穩定支撐。
（2）張(zhang)力(li)機(ji)構(gou)。安(an)裝(zhuang)於(yu)進(jin)線(xian)部(bu)分(fen)，作(zuo)為(wei)繞(rao)線(xian)張(zhang)力(li)調(tiao)節(jie)，保(bao)證(zheng)線(xian)圈(quan)繞(rao)製(zhi)時(shi)維(wei)持(chi)張(zhang)力(li)恒(heng)定(ding)，張(zhang)力(li)調(tiao)節(jie)器(qi)具(ju)有(you)調(tiao)節(jie)旋(xuan)鈕(niu)可(ke)針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)需(xu)求(qiu)進(jin)行(xing)張(zhang)力(li)調(tiao)節(jie)設(she)定(ding)，調(tiao)整(zheng)完(wan)畢(bi)後(hou)，張(zhang)力(li)調(tiao)節(jie)器(qi)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)繞(rao)線(xian)張(zhang)力(li)。
（4）繞線機構。主要由台達B係列200W伺服電機、同步齒形帶、繞線飛叉組成，是電子凸輪運動中的繞製主軸，銅線經過飛叉旋轉繞製於繞線模頭上，是繞線機主要運動部件之一。
（5）排線機構。包括台達B係列100W伺服電機、精密直線螺杆、精密導軌、氣動滑叉等，是電子凸輪運動中的排線從軸，在繞線運動中跟隨繞線主軸正反向往複運動實現排線動作，是繞線機主要運動部件之一。
（6）工作轉台
由分度步進電機、旋轉台、線叉、繞線模頭組成，該設備為多任務位繞線機，在繞線同時執行模頭預熱、剪線、加熱、脫模等工藝動作，這需要工作轉台按不同工位動作完成。
（7）剪線機構。為氣動執行機構，主要是將繞製完成的線圈兩端引線剪斷。
（8）脫模機構。由分度步進電機、氣動脫模組成，將繞製完成的成品從繞線模頭取下。
（9）熱風係統。設備配置兩個可調溫度220V熱風槍，在繞線前將模頭預熱，繞線後對線圈進行熱風處理便於脫模。
（10）電氣控製。包含電氣控製箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00Dyundongkongzhiqizuoweikongzhihexin，chumopingzuoweirenjijiaohuan，sifudianjizuoweizhixingjigou，shixianzhuanzhouyupaixiandejingquekongzhi，congerbaozhengraoxiandejingdu。dianqikongzhixitongkuangturutu4所示。
圖4 電氣控製係統框圖
2.2 工藝流程
繞線頭回原點→進給至起繞點→張力調節→模頭預熱→繞線、排線→加熱→剪線→脫模→成品→退至脫模點→進給至起繞點循環生產。
2.3 電氣係統配置
電氣控製主要包括繞排線部分、步進分度部分、氣缸動作控製部分。具體配置如表1所示。
表1 繞線機電控配置
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運動控製器 |
台達DVP-20PM00D |
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可編程控製器 |
台達DVP-32EH00T2 |
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觸摸屏 |
台達DOP-A57BSTD |
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繞線伺服電機及驅動器 |
台達ECMA-C30602ES、ASD-B0221-A |
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排線伺服電機及驅動器 |
台達ECMA-C30401ES、ASD-B0121-A |
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旋轉台分度步進電機 |
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脫模分度步進電機 |
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3 台達PLC電子凸輪功能
高速繞線機的主要控製功能基於台達20PM電子凸輪的應用，使繞製產品的成品品質及效率大大提高。以下對電子凸輪功能作簡單介紹：
3.1 什麼是電子凸輪
參見圖5，tulunshiyongyushixianjixiesanweikongjianliandongchuandongguanxiyukongzhidejixiejiegou。zidonghuayundongkongzhixitongyongruanjianchengxuyusifudianjishixiansanweikongjianliandongchuandongguanxiyukongzhideruanjianxitongjiushidianzitulungongneng。congtu5可以看到，左邊是我們常見的機械式凸輪方式，而右邊就是電子凸輪方式。也就是說利用程序的方式（配合伺服單元）完成機械凸輪控製所需要的軌跡，實現主軸和從軸的齧合運動。
圖4 電子凸輪功能
3.2 電子凸輪的實現
（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，計算簡單準確；二是從主軸編碼器或伺服脈衝獲取，將主軸編碼器信號進行處理；三是從測量編碼器獲取。獲得編碼器信號之後，將其換算成主軸位置。
（2）實現主從軸的齧合。實際上是定義主從軸之間的關係（稱之為cam table）。cam table有兩種方法表述：一是采用X、Y的點對點關係；二是采用兩者的函數關係。cam table的獲取也有多種途徑：根據實際工作中測量到的點與點之間的對應關係，根據主從軸的標準函數關係。cam table可以定義多個cam曲線。關係確定和實現後，根據主軸的位置，就能得到從軸的位置。
3.3 台達運動控製型PLC的電子凸輪
台達20PM運動控製器除了實現直線/圓弧插補以及定位功能之外，內嵌了電子凸輪功能，使其可以應用在多種運動控製場合。20PM為2軸運動控製器，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，Y軸為主軸，當定義好cam table後，從軸依據定義的曲線跟隨主軸運動。圖6是電子凸輪圖形化定義軟件主界麵。
圖6 台達電子凸輪軟件圖形化定義主界麵
在軟件中我們可以清楚地利用圖形方式設定、修改電子凸輪曲線。當我們點擊進入資料表單設定按鈕時會彈出下麵的區段設置表。使用者需先設定Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取CAM curve（具有連續、正弦、勻加速等6種曲線，並可加入其它標準曲線和自定義曲線）,在設定完成後按下Setting completed按鈕, 即可在主畫麵繪製位移, 速度, 加速度坐標圖7所示。
圖7台達電子凸輪軟件圖形化定義分界麵
圖8是以高速繞線機為例的電子凸輪曲線圖，采用CYCLIC模式排線從軸根據繞線主軸連續正反排線。以下是計算主從軸關係算式：
主軸轉一圈所出線的距離(圓周長)=π*D (mm) Or 繞線模具一圈的出線的距離(圓周長)=π*D (mm)；
排線從軸轉一圈所需脈波數=10000P/R=>相對應轉一圈滾珠螺杆移動之距離=10mm；
主軸旋轉一圈所需脈波=3600P/R =>從軸相對應主軸旋轉一圈所轉動的圈數所需脈波= 100P/R =>相對應滾珠螺杆移動之距離=0.1mm
Master/Slave關係式=(主軸旋轉一圈所需脈波*凸輪一周期的匝數)/(從軸相對應主軸旋轉一圈所轉動的圈數所需脈波*線徑*排線寬度的匝數)
圖8 高速繞線機電子凸輪曲線圖
4 繞線控製電子凸輪設計
4.1 程序設計
程序設計的關鍵在於高速繞線機的控製難點分析及解決方案。
（1）係統難點。繞線機在換向處出現繞線不均勻、堆積；繞線機換向處出現螺旋紋、不平整；無法進行斜排繞線，奇偶數繞線。
（2）難點分析。換向處繞線不均勻、堆積情況出現主要是由於普通PLC的速度指令處理時間長，換向受程序掃描周期影響，沒有同步指令且無法實時刷新，同時伺服剛性參數，動態響應速度也是原因之一。
換向處出現螺紋主要是因為螺旋繞線方式造成，可采用最後半圈定位繞線解決。
xiepairaoxianzaipaposhimeiquanxuyaozengjiayigexiankuanhexianhou，qioushuraoxianshizaimeiraoyicengbianhuanraoxianzashuqiouxing，liangzhongraoxianfangshidouxuyaomeiciraoxianhoujinxingjisuan，youyuputongxiaoxingPLC運算時間長，導致無法進行高速斜排和奇偶數繞線。
4.2台達解決方案
由以上分析可以看出，高速繞線機的瓶頸在於高速運算及響應，而台達20PM運動控製器除邏輯控製CPU外具有獨立的高速運算CPU，由硬件直接完成高速運算響應，2軸同步控製時間小於0.5ms，達到高速繞線需求。關於台達20PM運動控製器電子凸輪功能及應用在上麵章節已有描述。
此外，對於程序編寫也十分簡單方便，利用PMSoft編程軟件設置好cam table後，直接控製對應的內部寄存器即可完成電子凸輪運行。表2為X軸排線軸內部寄存器表，例如在對應的D1511中傳送不同數值即可實現0（停止）、1（正向點動）、2（反向點動）、3（單段速運動）、4（電子凸輪運動），其它寄存器同樣有各自功能。
表2 X軸排線軸內部寄存器表
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EH2 CR |
PM spD |
Axis |
Content |
Direction(EH2, PM) |
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0 |
D1500 |
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PM ID |
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… |
… |
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10 |
D1510 |
X |
Status Word |
←→ |
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11 |
D1511 |
X |
Control Word |
→ |
0, Stop |
1, Jog+ |
2, Jog- |
3, 1seg |
4, CAM |
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12 |
D1512 |
X |
Data1 |
→ |
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jog Speed |
jog Speed |
Position |
Master Ratio |
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13 |
D1513 |
X |
Data2 |
→ |
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14 |
D1514 |
X |
Data3 |
→ |
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Speed |
Slave Ratio |
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15 |
D1515 |
X |
Data4 |
→ |
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16 |
D1516 |
X |
Data5 |
→ |
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Y Position |
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17 |
D1517 |
X |
Data6 |
→ |
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18 |
D1518 |
X |
Data7 |
→ |
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Y Speed |
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19 |
D1519 |
X |
Data8 |
→ |
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20 |
D1520 |
X |
Data9 |
→ |
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21 |
D1521 |
X |
Data10 |
→ |
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22 |
D1522 |
X |
Data11 |
→ |
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23 |
D1523 |
X |
Data12 |
→ |
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24 |
D1524 |
X |
Data13 |
→ |
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25 |
D1525 |
X |
Data14 |
→ |
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26 |
D1526 |
X |
Data15 |
→ |
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27 |
D1527 |
X |
Data16 |
→ |
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28 |
D1528 |
X |
Data17 |
→ |
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29 |
D1529 |
X |
Data18 |
→ |
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30 |
D1530 |
X |
Current Position |
← |
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31 |
D1531 |
X |
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X軸排線軸梯形圖如下：
5 結束語
基於台達20PM電子凸輪功能的繞線機控製係統係統已經投產使用，繞線速度最高可達2500r/min，繞製產品品質達到用戶需求，台達20PM電子凸輪功能成功應用於高速繞線機中。
電子凸輪功能不僅僅可以應用在繞線機控製中，通過變換不同的控製曲線，該功能廣泛應用於各種較高要求的運動控製中，例如：包裝機行業中的飛剪，機床行業中的飛鋸，印刷機行業中的電子軸裁切及套印，紡機行業中的精密絡筒繞線等等。
參考文獻（略）
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