基于實時工業(yè)以太網(wǎng)的輪切運動控制系統(tǒng)設(shè)計

李云龍 常伯倫 李偉 劉斌

摘? ?要：輪切運動控制工藝在沖孔、橫封、飛剪等工業(yè)生產(chǎn)控制設(shè)備中應(yīng)用廣泛，常應(yīng)用于冶金、包裝、印刷等行業(yè)中，其核心控制思路是基于電子凸輪系統(tǒng)實現(xiàn)多軸的同步運動控制工藝。研制了一種基于實時工業(yè)以太網(wǎng)的輪切運動控制實訓(xùn)設(shè)備，該設(shè)備綜合利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、電子凸輪運動等技術(shù)，通過在運動控制器中進行凸輪曲線的計算，可方便地對輪切運動控制進行運行調(diào)試。應(yīng)用結(jié)果表明，該種實現(xiàn)方式可實時調(diào)整電機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對刀輥軸電機的同步控制，達(dá)到很好的教學(xué)應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：運動控制;電子凸輪;伺服驅(qū)動

輪切運動是一種廣泛應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備控制工藝形式，包括沖孔、扎花、橫封、飛剪等，都屬于輪切控制工藝的具體應(yīng)用。比如工業(yè)上用的飛剪裝置，是一種可實現(xiàn)連續(xù)定長剪切的自動化設(shè)備，通常用于金屬、紙張、塑料等帶材的裁切，其控制的核心問題是應(yīng)用電子凸輪系統(tǒng)實現(xiàn)刀輥的運動控制，通過控制刀輥軸和進料主軸的相對運動實現(xiàn)自動定長剪切[1]。

目前，現(xiàn)有的輪切運動控制技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)單一，與復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)控制工藝聯(lián)系不緊密，可選擇的教學(xué)實訓(xùn)平臺十分有限，很難滿足大學(xué)應(yīng)用技術(shù)對于人才培養(yǎng)的要求。因此，開發(fā)全方面培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力的實訓(xùn)設(shè)備至關(guān)重要。天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)根據(jù)課程體系教學(xué)需要，開發(fā)出一種基于實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的飛剪運動控制實訓(xùn)設(shè)備，該套實訓(xùn)設(shè)備擁有最大限度的自主權(quán)，可以在一個實訓(xùn)平臺上實現(xiàn)多種教學(xué)目標(biāo)以及更深層次的開發(fā)，提高實訓(xùn)系統(tǒng)的利用率。本研究設(shè)計的伺服飛剪運動控制實訓(xùn)裝置，由基于實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的運動型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制器，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)輪切運動控制工藝實現(xiàn)，可廣泛地應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)的教學(xué)與培訓(xùn)。

1? ? 輪切控制工藝算法

輪切運動是電子凸輪的一個重要應(yīng)用形式，電子凸輪是由數(shù)字控制器實現(xiàn)的凸輪功能，凸輪曲線用于控制刀輥的運動。刀輥軸運動包含同步區(qū)和非同步區(qū)，剪切時刀輥電機應(yīng)工作在同步區(qū)，保證刀輥速度與主軸進給線速度同步。非同步區(qū)是指刀輥軸在兩次剪切動作之間的區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，刀輥軸經(jīng)過運動控制器的控制，進行適當(dāng)?shù)募?、減速以調(diào)節(jié)位置，保證在下一次剪切時可以與材料進給軸保持同步[2]。

當(dāng)剪切單元長度不同時，運動控制器需要重新計算凸輪曲線數(shù)據(jù)。本研究設(shè)計的凸輪曲線是通過5次多項式曲線來表達(dá)的，其優(yōu)勢是保證了刀輥軸位置、速度和加速度的連續(xù)性，可使凸輪曲線更加平滑、刀輥軸的運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)[3]。

刀輥軸的凸輪曲線多項式如式（1）所示，在運行過程中由運動控制器實現(xiàn)對該多項式系數(shù)的計算。

y=f（x）=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5（1）

式（1）中的6個系數(shù)需要6個方程式來求解。為了求得這6個方程式的解，需要對凸輪曲線進行分段表達(dá)，并且對非同步區(qū)進行歸一化處理，從而對系數(shù)求解方程組進行簡化。位置曲線、速度曲線、加速度曲線表達(dá)式分別如式（2）—（4）所示。

位置曲線為：

y=f（x）=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5（2）

速度曲線為：

y'=f '（x）=A1+2A2x+3A3x2+4A4x3+5A5x4（3）

加速度曲線為：

y''=f ''（x）=2A2+6A3x+12A4x2+20A5x3（4）

將輪切曲線邊界條件分別代入式（2）、式（3）、式（4）3個方程中，可以得到：

y（0）=f（0）=0=A0

y（1）=f（1）=Δy/Δx=A0+A1+A2+A3+A4+A5

y'（0）=f '（0）=1=A1

y'（1）=f '（1）=A1+2A2+3A3+4A4+5A5

y''（0）=f ''（0）=0=2A2

y''（1）=f ''（1）=2A2+6A3+12A4+20A5

根據(jù)這個方程組，即可對系數(shù)進行求解，根據(jù)上述表達(dá)式編制程序?qū)崿F(xiàn)凸輪曲線。

2? ? 輪切運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

輪切運動控制實訓(xùn)設(shè)備以電子凸輪系統(tǒng)實現(xiàn)多軸的同步運動控制工藝作為應(yīng)用背景，以PLC作為主要運動控制器，實現(xiàn)同步算法的分析設(shè)計、多優(yōu)化控制參數(shù)、交流伺服控制系統(tǒng)和電子凸輪控制工藝的綜合應(yīng)用。人機界面完成對主軸送料進給軸和電子凸輪刀輥軸的復(fù)位、啟動和停止，并通過輸入相應(yīng)的剪切長度來控制和觀察電子凸輪刀輥軸以及主軸送料進給軸的響應(yīng)曲線、時間。操作按鈕完成的是對該控制系統(tǒng)的啟?？刂?。運動控制器完成對電子凸輪的同步區(qū)和非同步區(qū)的轉(zhuǎn)速計算與調(diào)節(jié)，并根據(jù)不同的剪切長度，及時調(diào)整刀頭的位置，為下一次剪切做準(zhǔn)備。刀輥軸以及送料主軸均有伺服電機來驅(qū)動，運動控制器通過EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式，通過網(wǎng)線連接伺服驅(qū)動器，并通過EtherCAT協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)通過伺服驅(qū)動器控制電子凸輪刀輥軸和主軸送料進給軸轉(zhuǎn)動。主軸及刀輥軸的位置檢測均由伺服電機自帶的高精度編碼器實現(xiàn)，高速傳感器是一種色標(biāo)傳感器，檢測輪切運動的啟動信號。輪切運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.1? 運動控制器

本研究選用匯川AM600運動控制PLC作為運動控制器實現(xiàn)輪切凸輪曲線的計算與生成。AM600系列PLC是一款采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的中型可編程控制器。本地擴展模塊通過內(nèi)部總線協(xié)議進行輸入/輸出（Input/Output，IO）擴展，支持?jǐn)?shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊;支持通過EtherCAT總線實現(xiàn)運動控制功能，最大支持32軸的運動控制，具有單軸加減速控制、電子齒輪、電子凸輪等功能。

其凸輪運動特性如下：

（1）凸輪形狀制作容易：采用凸輪表、凸輪曲線描述。

（2）凸輪形狀容易多樣：支持多個凸輪表選擇、動態(tài)切換。

（3）凸輪形狀修改容易：允許凸輪表關(guān)鍵點動態(tài)修改。

（4）多個凸輪從軸：允許有多個凸輪從軸。

（5）凸輪挺桿：允許有多個凸輪挺桿、多個設(shè)置區(qū)間。

（6）凸輪離合器：可快捷實現(xiàn)凸輪運行的進入與退出。

（7）電子凸輪特有功能：支持虛擬主軸、相位偏移、輸出疊加功能。

2.2? 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器選用匯川IS620N系列伺服系統(tǒng)，該驅(qū)動器采用以太網(wǎng)通訊接口，支持EtherCAT通信協(xié)議，可配合控制器實現(xiàn)多臺伺服驅(qū)動器聯(lián)網(wǎng)運行。伺服系統(tǒng)配有中小慣量的帶有20位增量編碼器的高響應(yīng)伺服電機，可精確快速地實現(xiàn)多電機協(xié)同控制運行。

2.3? 高速傳感器

選用松下LX-101高速傳感器實現(xiàn)色標(biāo)檢測功能，該傳感器具有45 ?s的超高速反映色標(biāo)模式。具有“最佳LED自動選擇功能”，將色標(biāo)和底色反射量差距進行對比來自動辨別LED，能進行更為可靠的檢測，運行更加穩(wěn)定。

3? ? 輪切運動控制軟件實現(xiàn)

AM600的凸輪運算采用純軟件方式執(zhí)行，相比硬件凸輪運算，具有更好的功能靈活性。電子凸輪的基本指令功能塊包括凸輪表選擇功能塊、凸輪進入控制功能塊、凸輪退出控制功能塊。

3.1? MC_CamTableSelect凸輪表選擇功能塊

本指令的功能是關(guān)聯(lián)主軸、從軸、凸輪表三者關(guān)系、指定凸輪曲線的適用周期性等，凸輪運行中，每次EtherCAT中斷都會掃描該功能塊，解析CAM凸輪表，計算從軸的下一個目標(biāo)點。

3.2? MC_CamIn凸輪進入控制功能塊

本指令的功能是使凸輪從軸進入與凸輪主軸同步運行狀態(tài)，根據(jù)凸輪表的位置關(guān)系，控制凸輪從軸調(diào)整到對應(yīng)的目標(biāo)點。

3.3? MC_CamOut凸輪退出控制功能塊

本指令的功能是使凸輪從軸脫離凸輪運行狀態(tài)。

電子凸輪功能塊的執(zhí)行原理如下：

控制器每次進入EtherCAT中斷，進行凸輪運算，按照以下步驟運行。

（1）凸輪主軸根據(jù)其運動控制指令、當(dāng)前位置、速度、加減速設(shè)置，計算得到主軸的下一目標(biāo)位置、運行速度。

（2）演算一次凸輪相關(guān)功能塊，根據(jù)主軸的下一目標(biāo)位置、凸輪曲線關(guān)系，參考從軸的當(dāng)前位置等，計算得到從軸的下一目標(biāo)位置、運行速度。

（3）將下一目標(biāo)位置及速度分別發(fā)送給主軸、從軸，令其運行。

4? ? 輪切運動控制裝置應(yīng)用效果

該套輪切運動控制實訓(xùn)裝置在運動控制課程實踐教學(xué)上的提升主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）所用設(shè)備豐富，包含了現(xiàn)階段的主要工業(yè)運動控制設(shè)備，應(yīng)用了先進的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可進行伺服控制技術(shù)、運動控制技術(shù)、人機界面技術(shù)的實踐教學(xué)，在教學(xué)中可以進行有機的模塊分解，提升教學(xué)效果，提高設(shè)備利用率。

（2）設(shè)備可用于單個模塊教學(xué)也可以用于系統(tǒng)教學(xué)，可實現(xiàn)不同課程的實訓(xùn)任務(wù)，實訓(xùn)形式多樣。

（3）該實訓(xùn)裝置通過設(shè)計基于5次多項式的電子凸輪曲線的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)定長剪切過程中的加速與減速的求解過程，解決運動控制系統(tǒng)在典型裝備中的應(yīng)用問題。

5? ? 結(jié)語

該套實訓(xùn)裝置教學(xué)設(shè)計理念領(lǐng)先、技術(shù)可靠，具有一定的前瞻性，設(shè)備在教學(xué)、師資培訓(xùn)、企業(yè)培訓(xùn)方面均可使用，在職業(yè)院校具有很強的推廣應(yīng)用價值。

[參考文獻]

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