匯川伺服系統(tǒng)在環(huán)保塑料熱成型機上的應用

劉英

(大連海林博格機電設備有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

塑料成型加工設備是在橡膠機械和金屬壓鑄機的基礎上發(fā)展起來的，19世紀70年代已經(jīng)出現(xiàn)簡單的聚合物注射成型，但直到20世紀30年代才獲得較大的發(fā)展，逐步實現(xiàn)塑料成型加工設備商品化和工業(yè)化。目前的成型方法有很多種，熱成型是其中一種。熱成型機按類型一般分成手動、半自動化和自動化熱成型機。塑料熱成型機作為一種熱成型設備，在某方面可以代替注塑成型，成本卻遠低于注塑成型，值得推廣，因此被廣泛應用于汽車內(nèi)外飾、建材、包裝等各個領域。本文介紹的設備主要應用于一次性餐具食品包裝產(chǎn)品，使用改性的PP環(huán)保材料，同時采用手動和自動一體的熱成型機系統(tǒng)。PLC集中控制，通過總線技術，工業(yè)實時以太網(wǎng)EtherCAT連接運動伺服控制系統(tǒng)，其突出優(yōu)點為調(diào)節(jié)方便，精度更高，速度更快。

1 熱成型機介紹

本文環(huán)保塑料熱成型機主要由送片工位、加熱工位、成型工位、剪切工位、堆疊工位及傳送帶各部分組成，見圖1。

圖1 多工位熱成型機

首先片材通過人工被固定在送片工位前端夾緊裝置上。當自動運行時，設備各狀態(tài)條件滿足，利用匯川伺服系統(tǒng)凸輪挺桿功能，設定好各工位的位置，按凸輪的位置運行。到達送片設置位置后，送片工位的伺服電機按設定速度運行;位置到達加熱工位，加熱工位必須提前預熱，預熱溫度通過PID調(diào)節(jié)，溫度保持恒定，片材在加熱工位軟化后進入成型工位；成型工位有上成型和下成型，設定當前速度，成型合膜，合模結(jié)束，通過真空吸引孔或向相反方向吹風使之分模，成型后進入剪切工位；剪切工位也分別由上剪切和下剪切兩部分組成，剪切工位和成型工位類似，通過合膜和分膜，剪切完成，進入堆疊工位；堆疊數(shù)可以提前設置好要求數(shù)量，當前值達到設置值，傳送帶啟動，完成一次自動循環(huán)。同時每個工位還可以手動完成，在自動調(diào)節(jié)有報警或其他問題機械時，可以通過手動完成各工位，檢查沒問題后，再自動運行。

所以，塑料熱成型機的關鍵就是溫度PID控制和各工位（包括合膜分膜各氣動閥）啟?？刂疲疚闹饕懻摰氖歉鞴の唬òê夏し帜じ鳉鈩娱y）啟?？刂疲紫冉⒏鞴の贿\行的數(shù)學模型，匯川伺服系統(tǒng)建立虛擬主軸，通過凸輪挺桿功能，建立各工位啟停的點位。

2 熱成型機控制系統(tǒng)構成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構網(wǎng)絡圖

本文熱成型機系統(tǒng)以匯川PLC的AM600-CPU1608TP控制核心（見圖2），通過實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT與匯川伺服放大器IS620N控制伺服電機驅(qū)動，6個伺服均采用IS620N網(wǎng)絡型伺服，配套23位絕對值編碼器的伺服電機，進行高速精準定位；CPU模塊自帶的LAN網(wǎng)口，通過EtherNET和匯川15"觸摸屏IT7150E通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互；通過Modbus通訊協(xié)議與智能溫控模塊連接控制溫度，實時讀寫溫控模塊進而控制加熱區(qū)的溫度。本文重點介紹伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

圖2 熱成型機系統(tǒng)構成

2.2 匯川電控系統(tǒng)的介紹

本文熱成型機電控系統(tǒng)PLC和伺服配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置表同

匯川AM600-CPU1608TP是一款專注運動控制與過程控制的PLC，如圖3所示。其功能強大，主要特點如下：

圖3 AM600-CPU1608TP接口示意圖

（1）強大的運動控制功能：基于EtherCAT總線運動控制，控制軸達32個.

（2）一站式解決方案：本地IO擴展，基于EtherCAT或者CANopen分布式IO，通用

以太網(wǎng)，串口一應俱全，主機自帶脈沖運動控制.

（3）簡單易用：全可視化組態(tài)配置，支持6種編程語言，輔以現(xiàn)代工程管理軟件，

對于復雜應用也游刃有余。

（4）豐富的選配件：具備高精度模擬量模塊，溫度控制模塊，IO模塊，分布式IO 通信模塊。

IS620系列伺服驅(qū)動器是匯川技術研制的高性能中小功率驅(qū)動器，其產(chǎn)品特點:

（1）1.2HZ速度環(huán)響應帶寬。

（2）EtherCAT總線伺服可支持1 ms內(nèi)同步100個軸。

（3）23bit絕對值編碼器，1圈800萬脈沖，可記憶65535圈絕對位置。

（4）通過EtherCAT分布時鐘的精準調(diào)整來實現(xiàn)300個節(jié)點 ，120 m距離，15 ns同步誤差、±20 ns同步抖動。

3 控制重點以及解決方案

3.1 凸輪挺桿簡介

本文控制重點是凸輪挺桿功能，這里所述凸輪為電子凸輪，帶有主從關系，根據(jù)主運動變化產(chǎn)生從軸配套運動。電子凸輪的一個重要功能：挺桿，可以在程序中設置，如圖4。對于挺桿的作用，類似于機械凸輪上有挺桿或者連桿的使用，一般來說，挺桿就是凸輪主軸在規(guī)定的位置，給出個高電平信號或者低電平信號，用這個信號再去做其他邏輯功能。

圖4 CAM表

從圖4可知，挺桿點的標識ID，1個點對應一個ID，若設置3個挺桿點，就有3個ID；X:即X軸的坐標位置，也就是凸輪主軸的位置，表示當前ID的挺桿在該位置進行對應的動作；正向通過/反向通過，以設置的X=60為例，從0開始逐漸增大，超過60為正向通過，從360開始逐漸減小，小于60為反向通過，在本文應用中，一般只會用到一種方向；挺桿動作有3種狀態(tài)可設置，打開，關閉，反轉(zhuǎn)，通過狀態(tài)我們可以知道，挺桿點對應的必須是開關量，即可以通過挺桿點狀態(tài)的變化來控制繼電器，以達到操控電機啟?；蛘咂渌盘柕膭幼鳎U動作其實就是通過一個上升沿或者下降沿對挺桿點執(zhí)行信號，去做其他邏輯功能，達到我們控制的目的。

3.2 控制解決方案及編程

本文中，建立虛軸做主軸，在凸輪運動中以虛軸為參考，實現(xiàn)聯(lián)動，可以避免實軸帶來的問題，不會因為現(xiàn)場的環(huán)境而有所誤差。其他6個伺服為從軸，分別為送片工位：送片軸；成型工位：成型A軸和成型B軸；剪切工位：裁切A軸和裁切B軸；堆疊工位：下料軸。

本控制系統(tǒng)的難點在于各伺服軸之間的協(xié)調(diào)運行關系，所以必須以主軸位置為基本參考點，周期長度設定為360°，相當于完成一個運行周期，主軸模態(tài)完成一個圓周。通過主軸應用凸輪挺桿功能，發(fā)送信號驅(qū)動各從軸的啟停，主軸完成一個周期，相應的各從軸也完成一個周期。

本文系統(tǒng)軟件是InoProshop,這是匯川技術基于國際通用codesys平臺二次開發(fā)，這里我們通過InoProshop完成設備項目的管理，為AM600系列PLC提供配置方案和程序的編程、調(diào)試、下載等功能。

首先，配置各軸，見圖5。設定各軸EtherCAT參數(shù)，包括概述、過程數(shù)據(jù)、啟動參數(shù)和Ethercat I/O映射等（如圖6）。

圖5 Ethercat總線

圖6 Ethercat參數(shù)

其次，通過軟件ST語言建立用戶自定義挺桿FB功能塊，首先定義輸入變量（挺桿起點、終點）、輸出變量及中間變量（當前、上周、首周、起點、終點的位置值），如圖7。

然后在主程序中調(diào)用挺桿功能塊(即挺桿FB),值得注意的是設置開模及關膜角度時需設置一個小的區(qū)間，如5°，見圖8。

圖8 各區(qū)間程序

最后，在觸摸屏建立配方管理，添加配方變量。根據(jù)主軸周期360°，完成其他各從軸的啟動和停止，如表2所示，例如送片工位的送片軸，送片在當前周期345°～350°時，完成一次送片，送片距離在觸摸屏中設置；成型工位的成型A軸，在當前周期40°～45°之間完成開膜，在當前220°～225°之間完成關膜。以此類推。

然后在觸摸屏上啟動各工位，如下圖9中，以送片和成型工位為例，啟動按鍵變量“HMI_OB_送料啟用”和“HMI_OB_成型啟用”時，挺桿的輸出指令被傳遞到送片和成型工位，這兩個工位的“相對定位”信號使能，從兩個工位上的材料將以設定的速度運行到指定的位置。

圖9 送片和成型輸出程序

圖9 各軸配方

4 結(jié)論

應用匯川AM600系列PLC系統(tǒng)，通過EtherCAT控制匯川伺服放大器，同時使用IT7150E觸摸屏進行參數(shù)設定，校準整定，報警監(jiān)控等。其操作簡單，各項工藝指標滿足生產(chǎn)工藝的技術要求，自調(diào)試完畢后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，已經(jīng)投入到實際生產(chǎn)中，效果良好。