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    摘要：所謂可變同步區長度，就是一旦同步時切刀完成信號到達，立即結束同步。本文介紹臺達DVP-20PM00D運動控制器電子凸輪（CAM）功能，闡述通用高速追剪工作原理，以及相關工藝要求及相關控制程序概要，總結最新可變同步區長度的追剪通用實現方法。

   【關鍵詞】運動控制器，電子凸輪，CAM Table，可變同步區長度，追剪

    作者簡介：

    余強，出生于1969 年 12 月，畢業于安徽機電學院電氣工程系工業自動化專業，曾就職于信息產業部第八研究所和科大創新股份有限公司自動化分公司工程部，現就職于中達電通股份有限股份有限公司PLC產品開發處，主要專注于PLC在自動化的高端運用，包括各類機械設備的精密運動控制及工程項目的過程控制的研究與市場開發。

   【前言】

    本文主要介紹臺達20PM運動控制器電子凸輪功能在可變同步區長度高速追剪系統的應用。追剪控制，過去做法是整體規劃出追蹤到返回的曲線，在同步時是預留足夠的同步時間，等切刀切斷，如果切刀沒切斷則保持同步，直到報警。現在客戶的普遍做法是，只規劃一個飛剪曲線，在切斷后，結束同步，高速返回，下次長度到再次啟動電子凸輪。現在的做法，可節省同步時間，同步區的長度可根據實際外部切斷信號而改變，具有更大靈活性。目前，應用追剪的系統越來越多，遍布各行業，有包裝行業的護角，建筑行業的鋼管鋼筋追鋸等，臺達DVP-20PM均有了大量成功案例。

   【正文】

    一、設備一般結構 
 
                       
                       圖1 設備結構圖

    如圖1示意，通用追剪機構一般包含以下部分機構：

  （1）執行機構

    在裁切系統中，執行機構是切刀，切刀是由液壓推進，主要由一個進刀電磁閥和一退刀電磁閥控制切刀的上下；在飲料罐裝系統執行機構為填充裝置。

   （2）測量機構

    安裝于出口部分，同軸聯接一2500線的A/B相的差分編碼器，測量進料的速度及長度，是電子凸輪運動中的主軸。

   （3）追蹤機構

    主要由臺達伺服傳動機構組成（功率大的可選VE系列變頻器），由20PM00D的X軸輸出控制，是電子凸輪運動中的從軸。

   （4）進料傳動

    進料傳動是由變頻電機、傳動機構組成。

    二、追剪控制及20PM運動控制器電子凸輪功能應用介紹

    1、追剪曲線構成 

                     
                      圖2  常規追剪系統的運作步驟

   （1） 追速狀態（Ramp up to Tracking）：送料持續進行，20PM運動控制器在偵測輸入材料之長度及當時送料速度的同時，指揮伺服電機依照S曲線加速至與進料速度同步；在進入同步速度的瞬間，鋸/切臺與材料的動態相對位置已經整定完成。接著便進入同步狀態。

   （2）同步狀態（Syncronized Zone）：一旦進入同步狀態，20PM運動控制器立刻送出同步信號(CLEAR)給執行控制機構，要求執行切斷或罐裝動作。同時，運動控制器依然持續偵測進料長度及進料速度，隨時保持鋸/機臺與材料之間的動態相對位置不變；如此才能確保裁切斷面的平整或罐裝的準確。當執行完成之后，機構返回自動退出，并發出完成信號(CUTend)。

   （3）減速狀態（Ramp down Stop）：20PM運動控制器指揮伺服電機依照S曲線減速直到完全停止。同時，仍然持續偵測并累計進料長度。一旦伺服電機完全停止，接著立刻進入回車狀態。

   （4）回車狀態（Return Home）：回車過程中，20PM運動控制器仍持續偵測并累計進料長度。 

   （5）待機狀態：回車完成之后20PM運動控制器系統自動進入待機狀態，等待下一循環的開始。

    常規的動作如上圖所示。整體規劃好高速追蹤與高速返回的完整曲線，是過去的解決方案，現在客戶大都需求在同步去啟動切刀動作切斷完畢后，不需再同步。立即降速停車，然后高速返回，返回時無需按照主軸的速度同步倍率。基于此。臺達推出了行業通用模版程序，客戶只需改變相應參數即可達到所需控制要求。

    2、兩種生成同步飛剪曲線的方法  

    接下來要做的第一步是生成一個飛剪凸輪曲線。因為前面同步切斷完成后，就脫離凸輪模式，進入單段速高速定位返回。返回時，就脫離了凸輪模式。下面介紹生成飛剪曲線的兩種方法。兩種方法都可以，依據用戶使用習慣選擇。

    我們熟知的凸輪關系是主軸和從軸一一對應位置關系，如何從主軸位置和從軸的速度關系產生是主軸和從軸一一對應位置關系，是要解決的重點。目前解決方法主要有兩種，分別敘述如下

    (1) 通過20PM的編程軟件，生成圖形

     步驟一：PMSOFT軟件有個CAMCHART，使我們可以清楚地利用圖形方式設定、修改電子凸輪曲線。提醒大家注意的是必須建立兩個CAM,分別為CAM0，CAM1。兩個CAM表解析度設為一樣，比如300點．之所以要設兩個CAM表，主要是為了需用多凸輪模式。后續介紹到只有在多凸輪模式下才可以，執行切斷信號后，把D1846=K0降速停車。后續結合程序詳細介紹。

                        　　
                        圖3：PMSOFT軟件界面　　

     步驟二：雙擊CAM 0進入資料表單會彈出下面的區段設置表。在左邊一列設主軸長度，右邊設對應的同步倍率，也可以理解成齒輪比。同步倍率的計算，假設本測量系統編碼器為2500線，測量輪為51MM，伺服轉一周需10000 PULSE，伺服與導軌聯結為4：1的減速帶輪，導軌牙距為30MM，通過以上參數，我們可以計算出要達到線速度同步，輸入脈沖與輸出脈沖的頻率比例關系。

     V1=F1*3.14*51/（2500）

     V2=F2*30/(4*10000)

     由于V1=V2,所以

     F2:F1=3.14*20000*51/40*2500=21.35

     因此考慮到PLC發出頻率，與伺服接受頻率的合理性，我們把伺服齒輪比設為10，填表設為2.2，如下圖所示。分別為在測量軸600 PULSE達到速度同步，一直同步到6900PULSE, 然后是，降速到零，（這里的同步長度設的比較長是因為考慮用戶執行機構切刀或罐裝時間延遲，必須有足夠長的同步區滿足，）這里的參數可根據實際機械負載，機臺長度，機器速度等靈活設置，比如說，切刀或罐裝速度比較快，不需要在600PULE同步，完全可縮小同步區，以便使伺服加減速時間更長等。

                        　　
                        圖4：區段設置表

    步驟三：點DRAW按鈕，生成主軸位置與從軸速度的曲線圖，生成的圖形是按照主軸位置和從軸的速度關系，并不是主軸和從軸一一對應位置關系，比較上圖與下圖正式追剪曲線的區別可發現，需把幾個圖形依次下移。
    
                        
                        圖5：主軸位置與從軸速度的曲線圖

    要生成主軸和從軸一一對應位置關系必須按下export按鈕，將數據導出，然后把數據再作為速度信號導入，即再按下import speed DATA 按鈕，就自動生成了上圖主軸與從軸的位置關系，速度關系，加速度關系圖，然后將程序下載啟動，追速過程就會按此圖執行。

 （2）通過20PM的指令，生成圖形。

   上述通過軟件生成曲線，是過去20PM的通用過程，隨著客戶的要求，開發了更易使用的方式通過指令生成追剪曲線方式。

    DTO K100 D0 D100K7

    D0=k10000 _ 建立飛剪CAM data

    D101..D100 _ 整數格式主軸長度,(可為負數) 

    D103..D102 _ 整數格式從軸長度

    D105..D104 _ 整數格式從軸同步長度

    D107..D106 _ 浮點格式從軸同步倍率

    D109..D108 _ 浮點格式從軸最高倍率限制

    D110 _ 曲線選擇(0 const speed,1 const Acc,2SingleHypot,3 Cycloid)

    +0x8000 接續前次資料

  ,+0x4000 不動態變更

  , +0x2000 產生同步區頭D103..102尾D105..104)

   D111 結果(0 ok, 1 條件無法滿足, 2 CAM長度不足)

    曲線暫不刷新

    曲線選擇

    最大同步倍率

    同步倍率

    建立飛剪曲線控制

    正向行程

    從軸行程

    同步區長度

                        
     
    通過簡單幾行程序，填入必要的參數就可以生成通過手工生成的飛剪曲線。這樣應用更有靈活性。尤其對于有些工藝如紙管追切，需要經常跟換管徑，也就相當于變換測量輪直徑的場合。

    三、利用高速撲捉輸出及飛剪凸輪實現追剪動作

    上文介紹了生成兩種飛剪凸輪曲線的方法，下面接著介紹整體動作實現。

    這里首先需要說明的20PM電子凸輪運行形式，分成單凸輪模式與多凸輪模式。顧名思義其中的區別是單凸輪模式只是運行一個凸輪軸（X軸），多凸輪模式可以運行幾組多凸輪（X,Y,Z)但是，并不僅僅區別在這里。按理說，本文凸輪只有一個軸，應采用單凸輪模式。實際并不如此。

    單凸輪模式具有的模式是曲線可動態變更，輸入脈沖設定形式為D1864.但是不具備判斷切刀切斷信號到了后減速停車功能。其通過指令生成的曲線一旦固定無法，干預其從軸根據主軸的運行速度。也即切斷信號到了，從軸同步曲線未結束，仍會繼續往前走完曲線多凸輪模式，可三軸X,Y,Z任意選擇。也即可只運行組多凸輪。每個軸的允許，可通過D1847,D1927到D2007設定。最大的優點是是每個軸的最高跟蹤頻率可設。假設，同步區切斷信號到了。 可立即把D1840=0，同步軸就會減速停車。

                         
      所以，本文采用多凸輪模式。多凸輪模式的計數主軸信號為C200，所以啟動凸輪時，需同時把C200前面的觸點ON。把測量輪編碼器同時接到2個手搖輪輸入，一個作為凸輪跟隨，C200，(接線為A0，B0),一個作為長度計長，C204， (接線為A1，B1),第一次啟動時，同時，凸輪離合，及C204計數清零，達到同步區后，輸出切刀信號，當切斷信號到時，把D1840給零，讓追蹤伺服降速停車。判斷D1850,等于零后，也就知道當前從軸已降速到零停止后。斷開電子凸輪，C204不斷開。計數料長仍然繼續。然后單段速讓從軸伺服高速回零。當C204的值與預設長度相等，則，再次啟動凸輪，D1846=H2000，C204復位從零再次計數。  

      這里用到C204的高速比較清零。內部設定好需要切斷長度，等長度到了C204的值由高速比較設置好后自動清零，同時輸出CLR0信號，CLR0接到START0，切入到20PM的外部高速中斷，啟動中斷程序INT1，INT1立即啟動電子凸輪同步跟蹤。

      然后，周期如上循環。

      四、程序詳細介紹
 
      下面對每行程序做一詳細介紹。

                          

    D1816為X軸也就是追剪軸的輸出參數設置，H430的意思為歸原點是上升沿促發，輸出為脈沖加方向。M1035為四個外部特殊輸入點(START0,STOP0,START1,STOP01，作為普通點使用。

                           

    MOV K3K1M1200，MOV  K3  K1M1204為設定C200，C204的計數形式。為AB相四倍頻。

                           

    設定高速比較功能，MOVH524 D2  ,DMOV D4002 D4為一組，D2為控制字，D4為數據字。

                           

    對照手冊，由上圖可知，MOV H524 D2  ,DMOV D4002 D4為一組，意義為C204大于等于D4002的值時，復位C204。第二組，MOV H564D6  ,DMOV K0 D8，意義為C20,等于K0的值時，置位C204，允許C204，計數。

    這兩組的功能，簡單的說，就是實現設置一長度。到時立即復位。再次循環計數。MOV H24 D10,DMOVK0D12為一組，意義為C204大于等于K0的值時，輸出CLR0；第二組，MOV H64D14,DMOV K20 D16，意義為C204,大于等于K20的值時，復位CLR0,這兩組的功能，簡單的說，就是實現C204。到零時輸出一個CLR0，脈寬為20個PULSE.這個CLR0，接到STAR0，用來促發下次凸輪離合，在中斷1里促發凸輪合上，D1400的0-4位，分別對應允許時間中斷，START0，STOP0，START1，STOP1.比如MOV K2  D1400就是允許中斷1.中斷1里的程序如下圖：

                                
                              圖：中斷1里的程序

      下面的程序為按格式，寫入上述定義的控制字。比如修改追剪的長度時，就需要改變上述的數據寄存器，重新寫入一次。TO K253 K1 D0 D10.為設定高速比較輸出功能命令。

                              
 
     以上程序為設定C204的高速計數，到長度復位，從新計數。并且，計數到位后輸出CLR0，產生中斷啟動電子凸輪。

    下面的整體過程從M150-M160開始為開始啟動。順序要從下往上看。之所以要倒著順序，便于每次設ON后，在下個掃描周期了解執行狀態。

                               
 
                                

    以上程序全部經過測試無刪除，客戶按照圖片鍵入可完全實現精確高速可變同步區長度的追剪控制。目前很多伺服系統固定了追剪功能，但是一旦需要改動，就要費很大周折。20PM具有普通PLC靈活編程功能，又具有靈活的電子凸輪的功能，可完全使用與于通用與專用高速追剪場合。