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臺達A2系列伺服在精密藥液灌裝生產(chǎn)線上應用

時間:2009-09-09 11:15:58來源:zhangting

導語:?本文以藥品水針劑生產(chǎn)灌裝生產(chǎn)線高精度同步灌裝工藝為案例,詳述了如何利用臺達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控制模式。
摘 要:介紹基于臺達智能型伺服系統(tǒng)的高精度灌裝控制方案。對于藥品液體灌裝生產(chǎn)線的高精度同步灌裝工藝,臺達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控制模式,實現(xiàn)了液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。 1. 引言 今天,隨著制藥企業(yè)“GMP”新標準認證制度的實施,為制藥企業(yè)對制藥裝備提出了更高的目標和要求。同樣為制藥裝備廠家提供了前所未有的發(fā)展機遇和市場空間,但是傳統(tǒng)的制藥機械機械結構已經(jīng)和控制方案已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的制藥行業(yè)發(fā)展的需求,新一代的制藥機械將可以提供更高精度的,更高自動化程度的控制工藝,來不斷迎接市場的挑戰(zhàn)! 本文以藥品水針劑生產(chǎn)灌裝生產(chǎn)線高精度同步灌裝工藝為案例,詳述了如何利用臺達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控制模式,僅以外置編碼器作為命令來源,即可實現(xiàn)液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。同時利用伺服By-pass功能,無需昂貴的運動控制器的參與,即可實現(xiàn)高性價比的一主多從多軸伺服同步控制控制方案。 [b]2. 機械設計和工藝要求 [/b] 1) 機械結構設計 灌裝同步生產(chǎn)線,主要分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構成,如圖1所示。
圖1
早期藥機同步灌裝,送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分動力來源均為送瓶拖鏈電機輸出。多是以機械凸輪通過多級機械傳動,帶動兩個實體凸輪機構來實現(xiàn)同步。實體的凸輪加工需要高精密的CNC加工中心才能生產(chǎn),生產(chǎn)成本較高,而且調(diào)試和安裝起來非常麻煩,并且隨著使用時間增加,機械的磨損會影響到同步灌裝的精度,后期維護費用很高,產(chǎn)品換型困難。 臺達A2系列伺服電子凸輪功能就是針對上述問題而開發(fā)的智能型伺服系統(tǒng)。 伺服灌裝同步生產(chǎn)線,仍然分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構成,只是在機械結構上,摒棄了傳統(tǒng)的機械凸輪連接,取而代之的是兩顆高精度伺服系統(tǒng),通過精密絲桿分別控制水平跟蹤軸(X軸)和垂直跟蹤軸(Y軸)的位移。其伺服系統(tǒng)的命令來源均為安裝在送瓶拖鏈上的高解析度編碼器提供??刂萍軜嬋鐖D2所示:
圖2
詳細機械數(shù)據(jù)如下: 主編碼器分辨率為2000p/r,凸輪一周,編碼器旋轉2圈,采集脈沖數(shù)量16000ppr,5v差動信號。 主電機由變頻器控制工作頻率在0~50hz。 X/Y滑臺絲桿的螺距為10mm,X/Y伺服編碼器分辨率通過電子齒輪比功能設定為100000ppu。 X軸同步的區(qū)域長度為A~B=240mm。Y軸插入的距離為40mm。 2) 工藝要求: 精度要求:  灌裝噴嘴直徑為2mm,藥瓶口直徑為6.5mm,無論何種速度。噴嘴和瓶口不能接觸! 要求伺服在同一灌裝速度下,定位精度在0.5mm內(nèi)。 不論主動軸變頻器速度在0~50HZ內(nèi)任意變換,伺服的加減速都可以保證完全同步,偏移量不得大于1mm。 伺服可以在變頻器10HZ低速運行時,也能保證好的同步效果。 同步灌裝動作要求: X軸水平軸跟蹤伺服,驅動灌裝噴嘴前后運動。灌裝過程分為同步區(qū)間和高速返回區(qū)間。其中同步區(qū)間速度和送料拖鏈速度保持一致。在同步區(qū)域內(nèi),Y軸才可以插針到瓶內(nèi)。同步區(qū)結束后X軸高速返回到原點,等待插入下一組藥瓶。 Y軸垂直軸提升伺服,驅動灌裝噴嘴上下運動,灌裝過程分為快速插入和慢速返回區(qū)間。快速插入時的距離為40mm。并要求在瓶底停留一段時間。然后慢速提升,提升速度和灌裝系統(tǒng)流量相關,任何情況下不允許針管接觸到灌裝液面。 在灌裝過程時,不論在快速插入瓶口和返回區(qū)間Y軸始終和主動軸的編碼器命令同步對應,同樣伺服馬達的速度和藥瓶的輸送速度保持一致,即為同步灌裝要點! 3. 臺達高精度灌裝控制方案 方案配置:
ASD-A2- 0421——B 控制器X2臺 臺達A2系列高解析智能伺服是臺達電子憑借多年的伺服研發(fā)經(jīng)驗于2009年推出的新一代的伺服系統(tǒng),其設計引入了歐系高端伺服智能化的理念和控制架構。大幅提升了產(chǎn)品的性能和應用價值,產(chǎn)品主要特點如下: 20bit高解析編碼器,可以提供1280000ppr的更高定位精度。 內(nèi)含64組PR運動路徑編輯功能,電子凸輪功能。無需高階控制系統(tǒng),就可實現(xiàn)復雜的運動控制和凸輪同步功能, 內(nèi)含伺服By-pass功能,可以實現(xiàn)命令信號逐級傳遞不衰減,輕松構造一主多從的控制架構。 高響應和共振抑制可以滿足各類機械環(huán)境。 4. 方案的制定和實施 綜合上述的分析,但A2智能伺服就完全可以實現(xiàn)的同步灌裝運動控制要求。以下將針對同步灌裝的主要工藝要求對方案可行性逐一進行分析。 1) 動作分析與PR路徑規(guī)劃 同步灌裝動作流程如圖3所示:
下面以X水平跟蹤伺服為例說明,動作要求如下和PR路徑規(guī)劃如下(圖4 ): A.X軸回歸機械原點 PR#00 回機械原點。開機X軸回歸到機械原點。。 PR#01 回到原點,確保伺服因緊急情況脫離后,再次執(zhí)行時處于X軸原點。
圖4
將DI7強制為CAPTURE。故在CAP功能開啟后,DI7只能使用在CAPTURE,因為這個信號經(jīng)過硬體特殊處理為高速處理I/O,響應時間為3μ秒  PR#02 寫參數(shù)P5-39=0 關閉CAPTURE功能,防止誤動作。  PR#03 寫參數(shù)5-38=1 ,只嚙合一次,保證在同步區(qū)間不會出現(xiàn)干擾信號。  PR#4 寫參數(shù)5-39=0XF021,啟動CAP資料抓取功能 。 C. 電子凸輪功能設置。 等待CAPTURE資料抓取信號,由安裝在主動軸上的接近開關信號,觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能,來實現(xiàn)電子凸輪嚙合。 PR#5 寫參數(shù)5-88=0XF2220,關閉電子凸輪功能。 PR#6 寫參數(shù)5-88=0XF2221,開啟電子凸輪功能。 參數(shù)規(guī)劃如下: X凸輪控制=1 啟動電子凸輪。 Y凸輪命令來源=2 PULSE命令。 Z凸輪嚙合時機=2 CAPTURE任一點動作。 U凸輪脫離時機=2 主軸抓取脈沖數(shù)>5-89設定后脫離。 當伺服DI7 CAPTURE檢測到ON上升沿信號時,凸輪就會嚙合,伺服電機根據(jù)A2預先編輯好的凸輪曲線軌跡,按照送瓶伺服主動軸編碼器脈沖指令運動。 當進入到設定同步區(qū)輸出同步范圍后,X軸D0CAM-AREA信號ON,控制提升軸伺服Y軸凸輪嚙合。 當伺服抓取數(shù)值通過比較等于主軸凸輪脈沖P5-89的值時,伺服馬達立刻脫離電子凸輪,追隨結束。 D. 凸輪分離,伺服電機高速返回。 伺服馬達反轉,高速返回起始原點,等待下一次觸發(fā)信號的到來。該階段為伺服自身的PR模式控制,返回時的速度和加減速規(guī)劃,由A2伺服的PR模式實現(xiàn)和完成。 PR#15 絕對定位,高速返回到原點 PR#16 跳轉指令,跳回到PR#02。當流程結束,返回到PR#02,等待下一次嚙合信號到來。 對于垂直提升軸Y軸,除返回時,因返回起始原點速度也由凸輪曲線規(guī)劃,所以除了沒有PR規(guī)劃沒有PR#15,其他情況和水平X跟蹤軸相同,對此不再復述。 使用A2資訊軟體,用戶可以方便的規(guī)劃伺服的運動路徑,新型的PR路徑編輯器不但支持跳轉、插斷、疊加等運動邏輯處理,還支持參數(shù)讀寫等豐富功能。 [b]2) 電子凸輪曲線規(guī)劃 [/b] 水平跟蹤X軸凸輪曲線規(guī)劃 對于水平跟蹤X軸而言,主要保證速度上和主動軸編碼器速度追隨,追求的是速度保持主動軸一致。建造凸輪表格和曲線方法如下: 步驟1,選擇軟體功能E-CAM電子凸輪功能 步驟2 ,建表方法:選擇速度區(qū)域建表(見圖5)
圖5
步驟3,根據(jù)實際情況設定實體機械尺寸 送瓶主動軸同步距離為240mm,編碼器產(chǎn)生1600pulse,因此主軸脈沖數(shù)=66.6666666666Pulse/mm,水平跟蹤X軸,伺服編碼器設定10萬脈沖當量,絲桿螺距為10mm,所以從動軸脈沖數(shù)設定為1000 PUU/mm,此為模擬信息,當在建造凸輪曲線時,系統(tǒng)會參考到這些資料,所以這些信息務必要準確,即主動軸與從動軸移動1mm時所需的脈波數(shù)及PUU,如圖6。
圖6
步驟4,規(guī)劃和建造凸輪曲線 如圖7中標示,設定"等待區(qū)“、"加速區(qū)“、"等速區(qū)“、"減速區(qū)“、"停止區(qū)“等曲線運轉區(qū)域,其中加減速區(qū)的設定,需考慮到電機的實際慣量是否能夠依此設定的加減速曲線而工作。此外,曲線建立的要點是,曲線的規(guī)劃的過程之中,盡可能的保持較長的"等速區(qū)“,因為只有在此段區(qū)域才能實現(xiàn)同步灌裝。同時,要有一定的停止區(qū),否則有時會造成曲線無法回到原點。
圖7
凸輪的導程是指凸輪包含加減速距離在內(nèi)的位移距離,我們設定 為240mm=2400000puu單位。 當上述數(shù)據(jù)完成后,系統(tǒng)就可以產(chǎn)生表格和曲線,如圖8所示:
圖8
其中虛線為模擬器產(chǎn)生的主動軸速度曲線,實線為X水平跟蹤軸的速度曲線。當移動光標,使用者就可以在軟體上清楚地觀察到主動軸模擬速度(即,送瓶伺服的速度)和從動軸速度(即XX水平跟蹤軸)。 虛線和實線重合的區(qū)域就是可以灌裝的同步等速區(qū)。使用者可以通過調(diào)整合理的加減速規(guī)劃,來保證最大化的等速區(qū)域,用以滿足大劑量藥瓶的灌裝速度。這是同步灌裝的工藝要點之一! 當模擬器產(chǎn)生的主動軸速度曲線和X水平跟蹤軸的速度曲線不一致時,使用者可以通過修正“導程”,或者點擊“下一步”修正“主軸脈沖數(shù)5-84”,來保證兩軸的速度曲線盡最大可能的保持接近。只有這樣才能保證同步的穩(wěn)定性和精度! 凸輪曲線和參數(shù)設定完成后要記得下載并燒錄到A2驅動器中,否則掉電凸輪曲線不會被保存。 垂直跟蹤Y軸凸輪曲線規(guī)劃 對于垂直跟蹤Y軸而言,是比較有意思的,因為Y軸工藝要求Y軸最終要保證針頭插入瓶口的有效距離為40mm,追求的位置控制!建表方法如下: 步驟1,選擇軟體功能E-CAM電子凸輪功能。 步驟2,選擇手動建表功能。 步驟3,將曲線規(guī)劃為20等分,凸輪360°對應Y軸21筆位置資料,做出凸輪位移曲線,如圖9:
圖9
對于上述凸輪曲線,可以看到噴嘴的下行和返回行程都規(guī)劃在曲線內(nèi),其Y軸的提升速度可以隨著主動軸的速度同步變化。此外,對于Y軸提升伺服加減速的處理,在不影響最終位置的前提下,可以適當修改表格中加速和減速區(qū)域的數(shù)值,使速度曲線平滑! [b] 3) 凸輪區(qū)間設定和DO:CAM_AREA功能說明 [/b] 伺服系統(tǒng)DO規(guī)劃:CAM_AREA也是A2非常實用的功能之一,他的主要目的就是可以在凸輪曲線上設定2組P5-90~P5-91參數(shù),當凸輪曲線運行到這段范圍后,DO:CAM_AREA就會至ON。 垂直跟蹤 Y軸的CAPTURE信號DI7就是接到水平跟蹤X軸的D02:CAM_AREA信號觸發(fā)凸輪嚙合的,噴嘴輸液泵的開啟也是通過Y軸的D02:CAM_AREA信號來控制的。因為只有水平跟蹤X軸和送瓶主動軸同步后,垂直跟蹤Y軸才能下降,將噴嘴插入瓶口。 而只有噴嘴插入40mm,并停留一定時間,垂直跟蹤Y軸 在穩(wěn)定提升時,噴嘴輸液泵才可以開啟,如圖10描述:
圖10
4) By-pass和一主多從的控制方式的說明 By-pass命令傳遞功能是A2智能伺服的另一大功能特色,利用By-pass功能,主動軸編碼器信號(脈沖命令信號)輸入到其他從動軸CN1,依次串接多顆伺服。即一主軸指揮多從軸同動。
圖11
在從軸上,信號傳遞每級的延遲為50ns,但不會有信號衰減的問題。方案中,垂直跟蹤Y軸的命令來源就是通過水平跟蹤X軸BY-PASS功能實現(xiàn)的! 利用此功能最大可以串接16臺伺服驅動器,而不會產(chǎn)生信號衰減問題。(見圖11) 5. 其他因素對灌裝精度的影響 對于下述問題是一個十分有必要討論的問題,我們在實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)以下問題對于灌裝精度起影響作用,甚至有時左右到方案的結果。 1) 編碼器的精度和安裝方式 主動軸編碼器輸入的脈沖數(shù)量,編碼器聯(lián)軸節(jié)安裝不同心,變形引起的脈沖指令突變。 (見圖12)
圖12
解決的方法是: A.更改編碼器聯(lián)軸節(jié)安裝方式。 B.更換更高精度的編碼器 C.檢查主動軸變頻器速度輸出是否穩(wěn)定。 2) Capture同步命令信號 這個信號由安裝在主動軸上的接近開關信號DI7,觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能,來實現(xiàn)電子凸輪嚙合。因此這個信號響應時間和信號發(fā)出的一致性將從動軸的影響同步效果。 解決: A. 使用高響應的光電開關。 B. 保證遮幕有效距離相等。 6. 結束語 本案只是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個典型應用。目前A2系列伺服除電子凸輪功能外,其他系列機型還包含有CAN-OPEN總線機型,全閉環(huán)機型,以及擴展I/O機型,可以滿足不同應用場合和控制需求,相信隨著市場的不斷深入,我們可以為客戶實現(xiàn)更穩(wěn)定、高性價比的伺服運動控制控制方案。

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