摘　要: 本文主要介紹精密沖壓成型機的生產(chǎn)工藝，及通過臺達運動型控制器20PM電子凸輪功能配合臺達高性能ASD-A+伺服驅(qū)動器的實現(xiàn)方式。

      關鍵詞：精密沖壓成型機；20PM；多組電子凸輪；虛擬主軸；CAM曲線偏移；CAM曲線平滑

      1 引言
      一般普通沖壓成型機如：沖床，主要是通過馬達帶動飛輪，傳動至偏心曲軸，從而帶動沖壓模上下運動，完成工件沖壓過程。這種傳統(tǒng)的沖壓方式，上模隨模頭上下運動，下模固定，一套模具只能生產(chǎn)單一產(chǎn)品，噪音大，調(diào)模時間長，生產(chǎn)效率低；本章介紹精密沖壓成型機上模、母模、浮動、送料全部采用伺服驅(qū)動，整套模具都是活動的，通過各個活動模的位置關系同一套模具就可以生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品，設備調(diào)試時間短，生產(chǎn)工藝更加靈活，可以滿足客戶高精度、高效率沖壓精密工件的復雜要求。
      臺達DVP-20PM00D是一款專用運動控制型PLC，其高速的運算處理能力和靈活的電子凸輪功能，可以很好地實現(xiàn)各活動模運動軌跡控制、邏輯動作控制、直線/圓弧插補控制等，解決了傳統(tǒng)沖壓成型機噪音大、產(chǎn)品單一、調(diào)機時間長、精度低等問題。
      本文基于臺達20PM型號PLC產(chǎn)品配合臺達高性能ASD-A+伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)精密沖壓成型機的控制，為業(yè)界起到重要的借鑒作用。

      2 系統(tǒng)電氣配置
      系統(tǒng)電氣配置表如表1所示。

表1  系統(tǒng)電氣配置表

      3  系統(tǒng)控制架構(gòu)
系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制架構(gòu)圖

      4  系統(tǒng)功能實現(xiàn)
      4.1  電子凸輪的實現(xiàn)方式
      （1）X/Y/Z軸系統(tǒng)參數(shù)初始化
      a)工作模式設定:單位、倍率、脈沖形式、原點回歸方式、坐標系，參數(shù)設置如表2所示。
X軸：D1816；Y軸：D1896；Z軸：D1976。

 
表2  X/Y/Z軸系統(tǒng)初始化參數(shù)設定表

      b)參數(shù)設定：馬達運轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù)/移動距離、最高速度、激活速度、原點回歸速度、原點復位速度、單段速定位速度；
X軸：D1818～D1832；Y軸：D1898～D1912；Z軸：D1976～D1992.
      （2）凸輪工作模式設定
X軸：D1847；Y軸：D1927；Z軸：D2007. 工作模式設置如表3所示。

 
表3  X/Y軸工作模式設定表

      D1847/D1927/D2007的bit11=1,就開啟該軸為電子凸輪的從軸。同時也可以通過此功能設定Y/Z從軸是否參與電子凸輪運動。

      （3）主軸來源
      獲取主軸位置有多種方法：一是采用虛擬軸，計算簡單準確；二是從主軸編碼器或伺服脈沖獲取，將主軸編碼器信號進行處理；三是從測量編碼器獲取。獲得編碼器信號之后，將其換算成主軸位置；本案采用的虛擬主軸方式，通過20PM特有功能，無需配線即可方便實現(xiàn)多個電子凸輪從軸共享一個虛擬主軸。
      本案采用虛擬主軸方式。虛軸訊號可以啟動M1909讓第一臺20PM的Y軸作為虛擬主軸，第一臺及后續(xù)20PM的X軸執(zhí)行電子凸輪從軸，M1910可以控制從軸是否追隨虛擬主軸。M1909和M1910的相關連線圖如圖2所示。

 
圖2  M1909和M1910的相關連線圖

      多個20PM共享一個虛擬主軸處理方式，而且無需擔心虛擬主軸經(jīng)多個20PM后通訊延遲和信號衰減。
1#20PM   M1909=1,M1910=0；
2#20PM   M1909=0,M1910=1；
3#20PM   M1909=0,M1910=1。

      （4）電子凸輪嚙合
      實際上是獲取主從軸之間的關系（稱之為cam table）。cam table有兩種方法表述：一是采用X、Y的點對點關系；二是采用兩者的函數(shù)關系。X-Y軸運轉(zhuǎn)命令設置如表4所示。

 
表4  X-Y軸運轉(zhuǎn)命令設置表

      X軸運行命令D1846=H2000,電子凸輪嚙合模式激活。如果Y軸也為從軸D1927不需要單獨設定。

      4.2  電子凸輪曲線生成
      a)CAM Chart建立
      CAM 曲線上主要分為4個部份分別為主從軸相對位置、主從軸相對速度、主從軸相對加速度、及最下方的數(shù)據(jù)設定。
      前三部份用來顯示使用者所設定的CAM Data，其中橫軸的部份皆為主軸的位置，縱軸分別為從軸的位置，從軸跟主軸的速度比，從軸跟主軸的加速度比。在數(shù)據(jù)的輸入上 CAM Data 有兩種方法表述：
      一是采用主從軸的函數(shù)關系；二是采用兩者的點對點關系。
      此處采用第二種方式，配合臺達觸摸屏強大的配方功能實現(xiàn)主軸角度、從軸位置的靈活輸入、保存；上位機參數(shù)設置圖如圖3所示。

 
圖3   上位機參數(shù)設置圖

      b)CAM data動態(tài)修改
      DVP-PM透過 DTO/DFROM 二個指令動態(tài)修改 CAM Data ，使用者可以在程序中依照不同的條件動態(tài)修改 CAM Data 形成不同的凸輪曲線。CAM Data 是浮點數(shù)型態(tài)，所以使用動態(tài)寫入的數(shù)據(jù)要先使用 DFLT 指令轉(zhuǎn)成二進制浮點數(shù)。

      4.3  電子凸輪曲線偏移
      CAM表生成后，主軸從軸位置關系就確定下來。根據(jù)工藝要求該電子凸輪起始點并非0點，需偏移到指定角度280度位置開始運行，此時各個從軸位置相距最遠；因此必須通過電子凸輪偏移功能，透過CAM Chart查詢到偏移角度所對應各個從軸的位置量，并單段速定位，以確保凸輪嚙合時候各個從軸位于偏移位置點。相關梯形圖如圖4所示。

 
圖4  電子凸輪相關設置梯形圖

      a) 電子凸輪曲線偏移功能
電子凸輪主軸偏移量：D1863..D1862；起始角度偏移標志：M1752。
      b) 當前位置寫入使能
如表5所示：

表5 當前位置寫入使能表

      c) 從軸位置同步更新
      X軸：M1750；Y軸：M1830；Z軸：M1990

      4.4  周期電子凸輪停止
      周期式電子凸輪周期結(jié)束標志位M1813,通過該標志位可以計算電子凸輪周期只執(zhí)行的次數(shù)。其停止方式可以分成兩種：
      電子凸輪主軸周期停止位置：D1819..D1818；電子凸輪周期停止標志：M1841
      1） 暫停：直接停止主軸，但保持嚙合狀態(tài)；主軸再運行時，各從軸從停止點繼續(xù)按CAM曲線方式運行。如圖5所示:

 
圖5  電子凸輪暫停梯形圖

      2） 周期停止：可以根據(jù)要求指定主軸停止角度，當檢測到周期停止信號時，主軸幷不立即停止，而是繼續(xù)運行到所設定主軸角度位置，同時各從軸也根據(jù)CAM曲線停止在該角度對應位置，電子凸輪仍然保持嚙合。主軸再運行時，各從軸從停止點繼續(xù)按CAM曲線方式運行。如圖6所示：

 
圖6   電子凸輪周期停止梯形圖

      4.5  電子凸輪曲線平滑
      采用點對點方式生成CAMdata，由于設定點數(shù)的限制，CAM曲線相對比較粗糙，伺服馬達在運行的過程中會出現(xiàn)明顯的噪音，如果采用伺服P1-08參數(shù)限制，又會導致命令的延遲或變形，所以必須對CAM曲線進行細化(最大2048點),以保證速度曲線平滑。如圖7所示：

 
圖7  電子凸輪曲線平滑梯形圖

      （1） B樣條曲線
      如圖8所示：

 
圖8  B樣條曲線圖

      平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，但不經(jīng)過原始點，插入的點數(shù)和平滑系數(shù)再高也只能無限靠近原始點。

      （2） C樣條曲線
      如圖9所示：

 
圖9  C樣條曲線圖

      平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，也經(jīng)過原始點，但會出現(xiàn)沖現(xiàn)象；

      （4）CC樣條曲線
如圖10所示：
 

圖10  CC樣條曲線

      平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，也經(jīng)過原始點，無過沖現(xiàn)象；

      （5） 擺線Cycloid 
如圖11所示：

 
圖11  擺線Cycloid  曲線

      平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，也經(jīng)過原始點，無過沖現(xiàn)象；從軸以設定最大速度做區(qū)間定位。

      5 結(jié)語
      目前該設備已經(jīng)投入使用，生產(chǎn)效率及重復定位精度均滿足客戶要求，并已申請專利。臺達20PM運動型PLC靈活的電子凸輪功能：CAM曲線自動生成、動態(tài)修改、偏移、平滑等為精密成型機提供了良好的技術基礎，同時單個虛擬主軸多個從軸運動方式為多軸協(xié)調(diào)運動控制提供了新的解決方案?？赏茝V應用于機械手搬運填充、噴涂等多軸運動場合。

      【參考文獻】
[1] 臺達全系列可編程序控制器  臺達內(nèi)部資料  2008
[2] 郭宗仁等. 可編程序控制器應用系統(tǒng)設計及通信網(wǎng)絡技術. 人民郵電出版社，2002
[3] 宋伯生.可編程序控制器.中國勞動出版社， 1993.