摘 要：在簡(jiǎn)要介紹包裝機(jī)機(jī)電原理的基礎(chǔ)上，深入討論基于臺(tái)達(dá)單一機(jī)電自動(dòng)化平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。給出單軸定位與原點(diǎn)回歸等關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：伺服運(yùn)動(dòng)控制 PR單軸定位功能 數(shù)據(jù)交換

1. 引言

炸藥填充包裝機(jī)用于乳化炸藥類產(chǎn)品的生產(chǎn)線填充和包裝。作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，填充包裝機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)可靠性要求很高，同時(shí)要求維修和使用方便。通過(guò)同類自動(dòng)化比較，最后選用臺(tái)達(dá)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品平臺(tái)作為該包裝機(jī)的全系列核心控制系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)方案基于DELTA（臺(tái)達(dá)）AE系列人機(jī)界面、 EH系列PLC、ASD－AB伺服系統(tǒng)等產(chǎn)品的系統(tǒng)集成，借助其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通訊功能能夠很靈活地構(gòu)造控制方案。ASD－AB伺服系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC脈沖運(yùn)動(dòng)控制方案具有可靠性更高，控制更精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。

本文重點(diǎn)討論如何利用臺(tái)達(dá)伺服的通訊功能和pr單軸定位功能來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服的運(yùn)動(dòng)控制和產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換。

2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝要求

2.1 原理結(jié)構(gòu)

炸藥包裝機(jī)是炸藥生產(chǎn)線上的關(guān)鍵性設(shè)備，主要由工位旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置組成。伺服電機(jī)帶動(dòng)1:40的行星減速機(jī)，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)每次旋轉(zhuǎn)90°。到位后，配合外部氣缸等一系列動(dòng)作，完成一個(gè)循環(huán)的炸藥的填充和封裝。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 工藝要求

（1）伺服高定位精度，要求每次定位不超過(guò)4個(gè)脈沖。
（2）封裝高速度，能夠配合前端灌裝生產(chǎn)線的送料速度，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度1~50r/min可以任意調(diào)節(jié)。即電機(jī)速度在0~2000rpm可調(diào)。
（3） 具有原點(diǎn)回歸功能。
（4） 能夠在人機(jī)界面上直觀的顯示伺服的工作狀態(tài)和故障信息。

3 包裝機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件配置和架構(gòu)

通過(guò)對(duì)整個(gè)機(jī)械工藝特點(diǎn)和功能要求的分析，確定程序控制單元采用臺(tái)達(dá)小型運(yùn)動(dòng)控制性能突出的EH系列 PLC實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面選用臺(tái)達(dá)AE系列HMI10.4寸觸摸屏作為監(jiān)控單元，運(yùn)動(dòng)控制單元選擇ASDA-AB系列伺服驅(qū)動(dòng)單元，其電氣系統(tǒng)控制硬件架構(gòu)如圖2所示，滿足單自動(dòng)化平臺(tái)的機(jī)電一體化系統(tǒng)集成要求。

圖2 電氣控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

3.2 臺(tái)達(dá)PR單軸定位模式控制模式應(yīng)用

PR控制單軸定位控制方式是臺(tái)達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)特有功能，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的定位角度和伺服速度分別由內(nèi)部位置寄存器和速度寄存器確定。具體應(yīng)用如下：

（1）位置寄存器P1-15和P1-16內(nèi)數(shù)值賦值馬達(dá)的位移距離。
（2）速度寄存器P2-36內(nèi)數(shù)值賦值馬達(dá)位移此段距離，馬達(dá)需要速度設(shè)定。

（3）PR模式DI GTRG 命令觸發(fā)信號(hào)上升沿給定，伺服馬達(dá)按照寄存器規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 臺(tái)達(dá)PR單軸定位控制

3.4 填充機(jī)伺服運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

（1）伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)1：40減速機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)每次旋轉(zhuǎn)90°，則馬達(dá)每次需要旋轉(zhuǎn)10圈整。設(shè)定伺服參數(shù)P1-15內(nèi)部位置指令圈數(shù)設(shè)定參數(shù)=10。設(shè)定P1-16內(nèi)部速度位置指令脈沖數(shù)參數(shù)=0。

（2）速度寄存器P2-36=人機(jī)設(shè)定速度值×40，由HMI設(shè)定旋轉(zhuǎn)定位速度1~50，因?yàn)樯婕?：40的減速關(guān)系，故可以通過(guò)HMI宏指令數(shù)學(xué)運(yùn)算完成后通訊到給定伺服寄存器P2-36。

（3）馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)命令觸發(fā)DI信號(hào)GTPG信號(hào)由PLC輸出點(diǎn)給定，啟動(dòng)伺服馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)10圈后，到達(dá)完成90°定位后會(huì)停止下來(lái)。驅(qū)動(dòng)器會(huì)輸出DO信號(hào)TPOS位置到達(dá)信號(hào)給PLC輸入點(diǎn)，用來(lái)控制其他外部電氣回路動(dòng)作。

3.5 伺服回原點(diǎn)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

區(qū)別于一般的PLC脈沖控制方式檢測(cè)外部傳感器開(kāi)關(guān)而言，臺(tái)達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)特有原點(diǎn)回歸功能，伺服馬達(dá)回零動(dòng)作規(guī)劃均由伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)P1-47設(shè)定規(guī)劃，PLC不需發(fā)送脈沖即可完成，并可以定位于編碼器的Z相脈沖，定位精度高,如圖4所示，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

圖4臺(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)原點(diǎn)回歸功能

（1）原點(diǎn)回歸方式參數(shù)設(shè)定P1-47=202。

（2）原點(diǎn)回歸第一段速度設(shè)定P1-48=1000rpm，原點(diǎn)回歸尋找原點(diǎn)減速開(kāi)關(guān)ORGP的速度。

（3）原點(diǎn)回歸第二段速度設(shè)定P1-49=20rpm尋找到ORGP后，折返尋找伺服馬達(dá)Z相零位脈沖的速度。

（4）原點(diǎn)回歸觸發(fā)SHOME,由信號(hào)由PLC輸出點(diǎn)給定，觸發(fā)伺服馬達(dá)回原點(diǎn)功能啟動(dòng)。

（5）馬達(dá)按照原點(diǎn)回歸第一段速度設(shè)定P1-48=1000rpm，尋找原點(diǎn)減速開(kāi)關(guān)ORGP。

（6）馬達(dá)尋找到ORGP后減速到零，旋轉(zhuǎn)方向反向折返，速度按照原點(diǎn)回歸第二段速度設(shè)定P1-49=20rpm尋找伺服馬達(dá)Z相零位。

（7）定位于Z向脈沖后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)輸出DO信號(hào)HOME回原點(diǎn)完成信號(hào)給PLC輸入點(diǎn)，用來(lái)控制其他電氣動(dòng)作。

3.6 伺服和HMI人機(jī)界面間的數(shù)據(jù)交換

臺(tái)達(dá)AE系列HMI支持雙端口聯(lián)機(jī)通訊功能，可同時(shí)連接2種不同協(xié)議的控制器。本案使用HMI的COM2與PLC進(jìn)行RS485通訊，用以設(shè)定PLC 程序中的按鈕等元件，并可將PLC的運(yùn)行狀態(tài)反饋在HMI上，此外還使用了HMI的COM1與SERVO進(jìn)行RS232通訊，用以與伺服內(nèi)部寄存器交換數(shù)據(jù)。臺(tái)達(dá)的HMI軟體還自建了和臺(tái)達(dá)伺服的通訊功能，只需簡(jiǎn)單的HMI界面規(guī)劃，就可對(duì)臺(tái)達(dá)伺服寄存器內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行讀取和寫入，彰顯單一自動(dòng)化平臺(tái)方便直接的系統(tǒng)集成優(yōu)勢(shì)，如圖5所示。

圖5 臺(tái)達(dá)單平臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)伺服位置控制，包裝機(jī)工藝數(shù)據(jù)由人機(jī)界面設(shè)定，伺服獨(dú)立完成，無(wú)需使用專用PLC定位模塊即可實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)定位控制，成本低。配線簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)通訊控制不會(huì)存在命令脈沖受到干擾和脈沖丟失問(wèn)題控制可靠。馬達(dá)速度寄存器設(shè)定，0~2000rpm任意可調(diào)，無(wú)需修改PLC指令脈沖頻率，突破了PLC定位模塊200K脈沖發(fā)送能力的瓶頸。伺服驅(qū)動(dòng)器自帶的原點(diǎn)回歸功能，設(shè)置簡(jiǎn)單，可以定位于編碼器Z相零位，定位精度更高。便捷的通訊方式，可以通過(guò)HMI對(duì)伺服所有參數(shù)和伺服工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，界面直觀，維護(hù)便捷。

在基于臺(tái)達(dá)全系列自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例中，借助臺(tái)達(dá)產(chǎn)品通訊功能的優(yōu)勢(shì)和臺(tái)達(dá)AB系列伺服豐富的運(yùn)動(dòng)控制功能，能夠很靈活的構(gòu)造各類運(yùn)動(dòng)控制方案，相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC脈沖控制方式而言，具有可靠性更高、穩(wěn)定性更好的優(yōu)點(diǎn)。