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案例頻道摘 要：介紹基于臺達智能型伺服系統的高精度灌裝控制方案。對于藥品液體灌裝生產線的高精度同步灌裝工藝，臺達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控制模式，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，隨著制藥企業“GMP”新標準認證制度的實施，為制藥企業對制藥裝備提出了更高的目標和要求。同樣為制藥裝備廠家提供了前所未有的發展機遇和市場空間，但是傳統的制藥機械機械結構已經和控制方案已經不能滿足現有的制藥行業發展的需求，新一代的制藥機械將可以提供更高精度的，更高自動化程度的控制工藝，來不斷迎接市場的挑戰！
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，詳述了如何利用臺達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控制模式，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，無需昂貴的運動控制器的參與，即可實現高性價比的一主多從多軸伺服同步控制控制方案。
2 機械設計和工藝要求
2.1 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，如圖1所示。
圖1
早期藥機同步灌裝，送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分動力來源均為送瓶拖鏈電機輸出。多是以機械凸輪通過多級機械傳動，帶動兩個實體凸輪機構來實現同步。實體的凸輪加工需要高精密的CNC加工中心才能生產，生產成本較高，而且調試和安裝起來非常麻煩，并且隨著使用時間增加，機械的磨損會影響到同步灌裝的精度，后期維護費用很高，產品換型困難。
臺達A2系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系統。
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，只是在機械結構上，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系統，通過精密絲桿分別控制水平跟蹤軸（X軸）和垂直跟蹤軸（Y軸）的位移。其伺服系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。控制架構如圖2所示：
圖2
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，采集脈沖數量16000ppr，5v差動信號。
主電機由變頻器控制工作頻率在0～50hz。
X/Y滑臺絲桿的螺距為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。
2.2 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，偏移量不得大于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：
X軸水平軸跟蹤伺服，驅動灌裝噴嘴前后運動。灌裝過程分為同步區間和高速返回區間。其中同步區間速度和送料拖鏈速度保持一致。在同步區域內，Y軸才可以插針到瓶內。同步區結束后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。并要求在瓶底停留一段時間。然后慢速提升，提升速度和灌裝系統流量相關，任何情況下不允許針管接觸到灌裝液面。
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 臺達高精度灌裝控制方案
方案配置：
ASD-A2- 0421——B 控制器X2臺
臺達A2系列高解析智能伺服是臺達電子憑借多年的伺服研發經驗于2009年推出的新一代的伺服系統，其設計引入了歐系高端伺服智能化的理念和控制架構。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。無需高階控制系統，就可實現復雜的運動控制和凸輪同步功能，
內含伺服By-pass功能，可以實現命令信號逐級傳遞不衰減，輕松構造一主多從的控制架構。
高響應和共振抑制可以滿足各類機械環境。
4 方案的制定和實施
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制要求。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。
4.1 動作分析與PR路徑規劃
同步灌裝動作流程如圖3所示：
下面以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（圖4 ）：
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后，再次執行時處于X軸原點。
圖4
將DI7強制為CAPTURE。故在CAP功能開啟后，DI7只能使用在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 ，只嚙合一次，保證在同步區間不會出現干擾信號。
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，來實現電子凸輪嚙合。
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凸輪控制=1 啟動電子凸輪。
Y凸輪命令來源=2 PULSE命令。
Z凸輪嚙合時機=2 CAPTURE任一點動作。
U凸輪脫離時機=2 主軸抓取脈沖數>5-89設定后脫離。
當伺服DI7 CAPTURE檢測到ON上升沿信號時，凸輪就會嚙合，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沖指令運動。
當進入到設定同步區輸出同步范圍后，X軸D0CAM-AREA信號ON，控制提升軸伺服Y軸凸輪嚙合。
當伺服抓取數值通過比較等于主軸凸輪脈沖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模式控制，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，等待下一次嚙合信號到來。
對于垂直提升軸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，對此不再復述。
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。
4.2 電子凸輪曲線規劃
?。?）水平跟蹤X軸凸輪曲線規劃
對于水平跟蹤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（見圖5）
圖5
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，因此主軸脈沖數=66.6666666666Pulse/mm，水平跟蹤X軸，伺服編碼器設定10萬脈沖當量，絲桿螺距為10mm，所以從動軸脈沖數設定為1000 PUU/mm，此為模擬信息，當在建造凸輪曲線時，系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，如圖6。
圖6
步驟4，規劃和建造凸輪曲線
如圖7中標示，設定＂等待區“、＂加速區“、＂等速區“、＂減速區“、＂停止區“等曲線運轉區域，其中加減速區的設定，需考慮到電機的實際慣量是否能夠依此設定的加減速曲線而工作。此外，曲線建立的要點是，曲線的規劃的過程之中，盡可能的保持較長的＂等速區“，因為只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。
圖7
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。
當上述數據完成后，系統就可以產生表格和曲線，如圖8所示：
圖8
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）。
虛線和實線重合的區域就是可以灌裝的同步等速區。使用者可以通過調整合理的加減速規劃，來保證最大化的等速區域，用以滿足大劑量藥瓶的灌裝速度。這是同步灌裝的工藝要點之一！
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“主軸脈沖數5-84”，來保證兩軸的速度曲線盡最大可能的保持接近。只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后要記得下載并燒錄到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
對于垂直跟蹤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，追求的位置控制！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，如圖9：
圖9
對于上述凸輪曲線，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，對于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！
4.3 凸輪區間設定和DO:CAM_AREA功能說明
伺服系統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范圍后，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信號觸發凸輪嚙合的，噴嘴輸液泵的開啟也是通過Y軸的D02:CAM_AREA信號來控制的。因為只有水平跟蹤X軸和送瓶主動軸同步后，垂直跟蹤Y軸才能下降，將噴嘴插入瓶口。
而只有噴嘴插入40mm，并停留一定時間，垂直跟蹤Y軸在穩定提升時，噴嘴輸液泵才可以開啟，如圖10描述：
圖10
4.4 By-pass和一主多從的控制方式的說明
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（脈沖命令信號）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。
圖11
在從軸上，信號傳遞每級的延遲為50ns，但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臺伺服驅動器，而不會產生信號衰減問題。（見圖11）
5 其他因素對灌裝精度的影響
對于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于灌裝精度起影響作用，甚至有時左右到方案的結果。
5.1 編碼器的精度和安裝方式
主動軸編碼器輸入的脈沖數量，編碼器聯軸節安裝不同心，變形引起的脈沖指令突變。（見圖12）
圖12
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。
5.2 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，來實現電子凸輪嚙合。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。
解決的方法是：
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
本案只是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個典型應用。目前A2系列伺服除電子凸輪功能外，其他系列機型還包含有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制需求，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制控制方案。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號