基于臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC電子凸輪功能的高速繞線機(jī)

介紹臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪（CAM）功能，闡述高速繞線機(jī)工作原理、工藝要求及相關(guān)控制程序概要。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制 電子凸輪 主軸 從軸 CAM Table

1 引言

本文介紹的全自動(dòng)無(wú)骨架系列空心電磁線圈高速繞線機(jī)，可以繞制傳動(dòng)線圈，揚(yáng)聲器線圈，天線線圈以及各種無(wú)骨架通用線圈。設(shè)備具有性能可靠，高速高效率，自動(dòng)化程度高，適合于線圈制造業(yè)的批量生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 空心電磁線圈

一般普通繞線機(jī)采用內(nèi)置脈沖功能的小型PLC，通過(guò)繞線軸編碼器速度輸出到PLC內(nèi)置高速輸入點(diǎn)，將繞線軸與排線軸的速比進(jìn)行簡(jiǎn)單速度同步，這種方法受PLC運(yùn)算影響，同步精度差，計(jì)算量大，CPU處理時(shí)間較長(zhǎng)，因此會(huì)出現(xiàn)繞線不均勻，堆積，塌陷等問(wèn)題，嚴(yán)重影響繞線成品的質(zhì)量，舉例來(lái)說(shuō)，PLC對(duì)繞線軸編碼器作高速計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)計(jì)數(shù)值時(shí)利用中斷方式控制排線軸電機(jī)反向繞制，但受CPU運(yùn)算處理時(shí)間的影響會(huì)出現(xiàn)滯后產(chǎn)生誤差，在低速的情況下尚可基本達(dá)到繞制要求，但是對(duì)于高速繞制多層線圈時(shí)就會(huì)出現(xiàn)線圈端面不齊整，成品品質(zhì)下降。

臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D是一款專用運(yùn)動(dòng)控制型PLC，采用高速雙CPU結(jié)構(gòu)形式，利用獨(dú)立CPU處理運(yùn)動(dòng)控制算法，可以很好地實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡控制、邏輯動(dòng)作控制，直線/圓弧插補(bǔ)控制等，在高速繞線機(jī)中利用了20PM運(yùn)動(dòng)控制器的電子凸輪功能很好的解決了繞線換向出現(xiàn)的繞制不均勻、堆積、不平整等問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器DVP-20PM00D

2 高速繞線機(jī)

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

高速繞線機(jī)共包含九部分機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 高速繞線機(jī)

（1）機(jī)架。機(jī)架由角鋼框架及不銹鋼臺(tái)面組成，并設(shè)置腳輪便于移動(dòng)，當(dāng)設(shè)備到位后可將支腳調(diào)低作為穩(wěn)定支撐。

（2）張力機(jī)構(gòu)。安裝于進(jìn)線部分，作為繞線張力調(diào)節(jié)，保證線圈繞制時(shí)維持張力恒定，張力調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)旋鈕可針對(duì)不同需求進(jìn)行張力調(diào)節(jié)設(shè)定，調(diào)整完畢后，張力調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制繞線張力。

（4）繞線機(jī)構(gòu)。主要由臺(tái)達(dá)B系列200W伺服電機(jī)、同步齒形帶、繞線飛叉組成，是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的繞制主軸，銅線經(jīng)過(guò)飛叉旋轉(zhuǎn)繞制于繞線模頭上，是繞線機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件之一。

（5）排線機(jī)構(gòu)。包括臺(tái)達(dá)B系列100W伺服電機(jī)、精密直線螺桿、精密導(dǎo)軌、氣動(dòng)滑叉等，是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的排線從軸，在繞線運(yùn)動(dòng)中跟隨繞線主軸正反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)排線動(dòng)作，是繞線機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件之一。

（6）工作轉(zhuǎn)臺(tái)

由分度步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、線叉、繞線模頭組成，該設(shè)備為多任務(wù)位繞線機(jī)，在繞線同時(shí)執(zhí)行模頭預(yù)熱、剪線、加熱、脫模等工藝動(dòng)作，這需要工作轉(zhuǎn)臺(tái)按不同工位動(dòng)作完成。

（7）剪線機(jī)構(gòu)。為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是將繞制完成的線圈兩端引線剪斷。

（8）脫模機(jī)構(gòu)。由分度步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)脫模組成，將繞制完成的成品從繞線模頭取下。

（9）熱風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)備配置兩個(gè)可調(diào)溫度220V熱風(fēng)槍，在繞線前將模頭預(yù)熱，繞線后對(duì)線圈進(jìn)行熱風(fēng)處理便于脫模。

（10）電氣控制。包含電氣控制箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D運(yùn)動(dòng)控制器作為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)交換，伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與排線的精確控制，從而保證繞線的精度。電氣控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制系統(tǒng)框圖

2.2 工藝流程

繞線頭回原點(diǎn)→進(jìn)給至起繞點(diǎn)→張力調(diào)節(jié)→模頭預(yù)熱→繞線、排線→加熱→剪線→脫模→成品→退至脫模點(diǎn)→進(jìn)給至起繞點(diǎn)循環(huán)生產(chǎn)。

2.3 電氣系統(tǒng)配置

電氣控制主要包括繞排線部分、步進(jìn)分度部分、氣缸動(dòng)作控制部分。具體配置如表1所示。

表1 繞線機(jī)電控配置

3 臺(tái)達(dá)PLC電子凸輪功能

高速繞線機(jī)的主要控制功能基于臺(tái)達(dá)20PM電子凸輪的應(yīng)用，使繞制產(chǎn)品的成品品質(zhì)及效率大大提高。以下對(duì)電子凸輪功能作簡(jiǎn)單介紹：

3.1 什么是電子凸輪

參見圖5，凸輪是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械三維空間聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系與控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用軟件程序與伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三維空間聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系與控制的軟件系統(tǒng)就是電子凸輪功能。從圖5可以看到，左邊是我們常見的機(jī)械式凸輪方式，而右邊就是電子凸輪方式。也就是說(shuō)利用程序的方式（配合伺服單元）完成機(jī)械凸輪控制所需要的軌跡，實(shí)現(xiàn)主軸和從軸的嚙合運(yùn)動(dòng)。

圖4 電子凸輪功能

3.2 電子凸輪的實(shí)現(xiàn)

（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(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確；二是從主軸編碼器或伺服脈沖獲取，將主軸編碼器信號(hào)進(jìn)行處理；三是從測(cè)量編碼器獲取。獲得編碼器信號(hào)之后，將其換算成主軸位置。

（2）實(shí)現(xiàn)主從軸的嚙合。實(shí)際上是定義主從軸之間的關(guān)系（稱之為cam table）。cam table有兩種方法表述：一是采用X、Y的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系；二是采用兩者的函數(shù)關(guān)系。cam table的獲取也有多種途徑：根據(jù)實(shí)際工作中測(cè)量到的點(diǎn)與點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主從軸的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系。cam table可以定義多個(gè)cam曲線。關(guān)系確定和實(shí)現(xiàn)后，根據(jù)主軸的位置，就能得到從軸的位置。

3.3 臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC的電子凸輪

臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器除了實(shí)現(xiàn)直線/圓弧插補(bǔ)以及定位功能之外，內(nèi)嵌了電子凸輪功能，使其可以應(yīng)用在多種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。20PM為2軸運(yùn)動(dòng)控制器，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(dāng)定義好cam table后，從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運(yùn)動(dòng)。圖6是電子凸輪圖形化定義軟件主界面。

圖6 臺(tái)達(dá)電子凸輪軟件圖形化定義主界面

在軟件中我們可以清楚地利用圖形方式設(shè)定、修改電子凸輪曲線。當(dāng)我們點(diǎn)擊進(jìn)入資料表單設(shè)定按鈕時(shí)會(huì)彈出下面的區(qū)段設(shè)置表。使用者需先設(shè)定Start Ang, End Ang, Stroke以及透過(guò)下拉式選單選取CAM curve（具有連續(xù)、正弦、勻加速等6種曲線，并可加入其它標(biāo)準(zhǔn)曲線和自定義曲線）,在設(shè)定完成后按下Setting completed按鈕, 即可在主畫面繪制位移, 速度, 加速度坐標(biāo)圖7所示。

圖7 臺(tái)達(dá)電子凸輪軟件圖形化定義分界面

圖8是以高速繞線機(jī)為例的電子凸輪曲線圖，采用CYCLIC模式排線從軸根據(jù)繞線主軸連續(xù)正反排線。以下是計(jì)算主從軸關(guān)系算式：

主軸轉(zhuǎn)一圈所出線的距離(圓周長(zhǎng))=π*D (mm) Or 繞線模具一圈的出線的距離(圓周長(zhǎng))=π*D (mm)；

排線從軸轉(zhuǎn)一圈所需脈波數(shù)=10000P/R=>相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)一圈滾珠螺桿移動(dòng)之距離=10mm；

主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波=3600P/R =>從軸相對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)所需脈波= 100P/R =>相對(duì)應(yīng)滾珠螺桿移動(dòng)之距離=0.1mm

Master/Slave關(guān)系式=(主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波*凸輪一周期的匝數(shù))/(從軸相對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)所需脈波*線徑*排線寬度的匝數(shù))

圖8 高速繞線機(jī)電子凸輪曲線圖

4 繞線控制電子凸輪設(shè)計(jì)

4.1 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于高速繞線機(jī)的控制難點(diǎn)分析及解決方案。

（1）系統(tǒng)難點(diǎn)。繞線機(jī)在換向處出現(xiàn)繞線不均勻、堆積；繞線機(jī)換向處出現(xiàn)螺旋紋、不平整；無(wú)法進(jìn)行斜排繞線，奇偶數(shù)繞線。

（2）難點(diǎn)分析。換向處繞線不均勻、堆積情況出現(xiàn)主要是由于普通PLC的速度指令處理時(shí)間長(zhǎng)，換向受程序掃描周期影響，沒(méi)有同步指令且無(wú)法實(shí)時(shí)刷新，同時(shí)伺服剛性參數(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也是原因之一。

換向處出現(xiàn)螺紋主要是因?yàn)槁菪@線方式造成，可采用最后半圈定位繞線解決。

斜排繞線在爬坡時(shí)每圈需要增加一個(gè)線寬和線厚，奇偶數(shù)繞線是在每繞一層變換繞線匝數(shù)奇偶性，兩種繞線方式都需要每次繞線后進(jìn)行計(jì)算，由于普通小型PLC運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行高速斜排和奇偶數(shù)繞線。

4.2 臺(tái)達(dá)解決方案

由以上分析可以看出，高速繞線機(jī)的瓶頸在于高速運(yùn)算及響應(yīng)，而臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器除邏輯控制CPU外具有獨(dú)立的高速運(yùn)算CPU，由硬件直接完成高速運(yùn)算響應(yīng)，2軸同步控制時(shí)間小于0.5ms，達(dá)到高速繞線需求。關(guān)于臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪功能及應(yīng)用在上面章節(jié)已有描述。

此外，對(duì)于程序編寫也十分簡(jiǎn)單方便，利用PMSoft編程軟件設(shè)置好cam table后，直接控制對(duì)應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可完成電子凸輪運(yùn)行。表2為X軸排線軸內(nèi)部寄存器表，例如在對(duì)應(yīng)的D1511中傳送不同數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)0（停止）、1（正向點(diǎn)動(dòng)）、2（反向點(diǎn)動(dòng)）、3（單段速運(yùn)動(dòng)）、4（電子凸輪運(yùn)動(dòng)），其它寄存器同樣有各自功能。

表2 X軸排線軸內(nèi)部寄存器表

X軸排線軸梯形圖如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

基于臺(tái)達(dá)20PM電子凸輪功能的繞線機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)使用，繞線速度最高可達(dá)2500r/min，繞制產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到用戶需求，臺(tái)達(dá)20PM電子凸輪功能成功應(yīng)用于高速繞線機(jī)中。
電子凸輪功能不僅僅可以應(yīng)用在繞線機(jī)控制中，通過(guò)變換不同的控制曲線，該功能廣泛應(yīng)用于各種較高要求的運(yùn)動(dòng)控制中，例如：包裝機(jī)行業(yè)中的飛剪，機(jī)床行業(yè)中的飛鋸，印刷機(jī)行業(yè)中的電子軸裁切及套印，紡機(jī)行業(yè)中的精密絡(luò)筒繞線等等。