【摘要】本文重點介紹臺達(dá)機電產(chǎn)品在高速鋼板精密裁切中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵字】伺服電機；變頻器

【Keywords】servo motor；inverter

過去，鋼板定長裁切通用方案一般采用在切刀主軸下端裝一光電，當(dāng)切刀提起時，送料伺服發(fā)一高速定位脈沖信號，驅(qū)動送料伺服定位。其弊端是不知主軸切刀的實時位置，不能把送料與主軸實時聯(lián)系起來，導(dǎo)致高速定位精度不準(zhǔn)。圖1為鋼板定長裁切實物圖。

圖1鋼板定長裁切實物

1、系統(tǒng)架構(gòu)

下圖為臺達(dá)機電產(chǎn)品在高速鋼板精密裁切中的應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 臺達(dá)機電產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)

2、采用電子凸輪方案的工作原理

電子凸輪方案的主要功能及工作原理有以下幾步。圖3為高速鋼板裁切機工作原理圖。

圖3 高速鋼板裁切機工作原理圖

（1）機床主電機采用變頻調(diào)速電機驅(qū)動，能實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足不同厚度鋼板裁切的變頻調(diào)速要求。在變頻電機所帶的主軸上，裝有一個1000線的增量編碼器，這是電子凸輪的主軸信號。同時，利用在主軸上編碼器的Z相信號作為促發(fā)，第一周期滯后設(shè)定角度，表示切刀提起，送料電子凸輪開始循環(huán)跟蹤。

（2）運動系統(tǒng)采用臺達(dá)運動控制器20PM，20PM將電源功能、CPU功能、I/O功能以及通訊功能集為一體。

（3）更換產(chǎn)品時，通過人機界面（觸摸屏）完成以下參數(shù)的設(shè)定，即鋼板裁切長度、起始

角度、結(jié)束角度和第一周期滯后角度的設(shè)定。如圖4所示。

圖4 人機界面設(shè)定圖

（4）具有故障報警及自診斷功能，確保設(shè)備運行在良好狀態(tài)，同時可根據(jù)顯示的故障信息及時解決問題。具有故障報警及自診斷功能，確保設(shè)備運行在良好狀態(tài)，同時可根據(jù)顯示的故障信息及時解決問題。

（5）通過程序選項、觸摸屏設(shè)置可實現(xiàn)規(guī)律可變長度的裁切。流程圖如圖5所示。

圖5 電氣控制流程圖

3  控制簡介

整個系統(tǒng)主要是以20PM控制伺服完成高速精確送料為主，裁切變頻主要是速度控制觸摸屏完成資料的顯示與輸入以及指令的下達(dá)，控制系統(tǒng)接線如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)接線圖

客戶現(xiàn)場要求每分鐘裁切500次，平均一次動作200ms，并且在裁切到鋼片時，一定要伺服完全靜止。實際要求運行100ms，停止100ms。現(xiàn)場送料10000個脈沖，10000個脈沖除以100ms，則運行頻率為100kHz。要在如此高的頻率下定位精準(zhǔn)，所以對送料的啟停加減速平滑要求就非常高。該系統(tǒng)不同與飛剪系統(tǒng)，飛剪系統(tǒng)裁切的鋼板基本上是比較薄和輕的鋼板；送料軸要連續(xù)運行；而飛剪軸根據(jù)送料長度，走電子凸輪。而目前我們所說的系統(tǒng)屬于裁切厚重的鋼板。裁切軸是大功率變頻器，必須高速運行才能切斷厚板。這里裁切軸是主軸，送料軸是從動電子凸輪軸。下圖是根據(jù)送料長度加上20PM的曲線平滑功能得到的位置速度加速度曲線。

圖7 位置速度加速度曲線

圖8是實際高速運行時得到的命令位置，反饋位置，以及速度曲線。由圖中可看到一個送料過程基本靜止和高速送料各占50%，所以沒有好的平滑曲線是實現(xiàn)不了高速精準(zhǔn)的控制。

圖8 高速運動時的命令位置，反饋位置，以及速度曲線

另外，尤其重要一點的是在線可變長度問題。所謂在線可變長度舉個例子來看，如上送料3.6m，伺服需要36000個脈沖，如果開始希望開始裁切10個3.6m，在裁切40個1.8m，在裁切60個0.9m，利用20PM的凸輪刷新高效率指令可在2ms之內(nèi)，完成凸輪表的實施更改執(zhí)行。一個運行最快周期為200ms。留給刷新凸輪數(shù)據(jù)表的時間綽綽有余。

4程序詳細(xì)介紹

整個程序的重點在于建立平滑的凸輪曲線。平滑處理用意為針對主軸的數(shù)據(jù)點數(shù)做插值與倍率調(diào)整動作，讓最后匯出的電子凸輪曲線會因解晰度更高而較為平滑，能夠提高機件在運行中更加平順穩(wěn)定。平滑處理過程以下為例，假設(shè)原始數(shù)據(jù)點數(shù)為24點，平滑處理設(shè)定主軸最大值為10000點，則數(shù)據(jù)間隔所調(diào)整的倍率為10000/23=434倍，接著依據(jù)插值總點數(shù)和平滑系數(shù)設(shè)定生成每個區(qū)間新增點數(shù)的數(shù)據(jù)，最后從軸依據(jù)原本與主軸的比例關(guān)系繪出10000點電子凸輪曲線。下圖為原始24點數(shù)據(jù)。

圖9 原始24點數(shù)據(jù)

主軸最大值設(shè)定為10000點，經(jīng)由倍率調(diào)整后，原本位置0～23乘上調(diào)整倍率后變?yōu)?/p>

位置0～10000。

圖10 主軸最大值設(shè)定10000點后變化示意圖

在原始數(shù)據(jù)點與點之間放大的區(qū)間插入數(shù)值，使生成曲線的變化更加平滑；插入比較主軸數(shù)據(jù)點與點之間執(zhí)行插值與未執(zhí)行插值，曲線生成后的差異。

圖11 執(zhí)行插值與未執(zhí)行插值曲線生成后差異示意圖

具體在程序里主要執(zhí)行兩步，一是寫入幾筆凸輪數(shù)據(jù)；二是執(zhí)行平滑功能。圖12為凸輪寫表指令。

圖12 凸輪寫表指令

圖13為執(zhí)行平滑凸輪曲線指令執(zhí)行。

圖13 執(zhí)行平滑凸輪曲線指令執(zhí)行

圖14 曲線平滑前設(shè)定的數(shù)據(jù)與平湖后設(shè)定的數(shù)據(jù)

5調(diào)試過程

主要的亮點的是高速和高定位精度要求，誤差只能在在一兩絲。這就要求在定位過程中升降速曲線一定要規(guī)劃好，現(xiàn)場采用20PM的電子凸輪功能，曲線形式選擇擺線功能，采用三次指數(shù)平滑和高速定位，觀察100次，定位脈沖10000個，定位誤差在1～2個脈沖。剛開始試機，實際開始裁切的時候出現(xiàn)問題，老是出現(xiàn)伺服沒停，沖機就下來，觀察伺服波形，200ms停頓時間有100ms，理論上不會有問題，判斷出在起始相位關(guān)系上，采用非周期促發(fā)模式，可以解決這個問題但是非周期促發(fā)模式下，會出現(xiàn)不允許修改電子凸輪，（實際運用中，由于客戶是成組設(shè)置，需要4個10285個脈沖長度的送料，10組8000個脈沖的長度，凸輪從軸長度要可以動態(tài)改變），后采用中斷促發(fā)方式，通過開始外部光電中斷促發(fā)周期凸輪，解決起始相位問題，并解決動態(tài)修改從軸長度的問題。再次裁切，定位效果很好。然后按照客戶的要求，加入其需要的各種動作，尤其加入了過去不具有的暫停功能。過去如果高速裁切的時候，如果中途暫停會導(dǎo)致廢片，必須從頭開始，現(xiàn)在，可以從當(dāng)前位置繼續(xù)，客戶比較滿意。

傳統(tǒng)鋼板裁切機每次改變鋼板裁切長度精度不高。由于鋼板裁切速度限制,鋼板裁切效率不高。高速鋼板裁切機用20PM的電子凸輪,不斷檢測外部主軸編碼器的變化，通過相位控制，給伺服軸，并帶位置補償來保證裁切的精度。利用電子凸輪的功能來保證伺服軸與切刀位置的一一對應(yīng)。使切刀在裁切時，伺服軸為穩(wěn)定停止?fàn)顟B(tài)。用20PM采用相位控制、電子凸輪方式(可變凸輪)，使鋼板裁切數(shù)和鋼板裁切長度可隨時改變，并能在保證沖壓精度的情況下高速鋼板裁切。

6結(jié)束語

由臺達(dá)人機、PLC、變頻器和伺服組成的高速鋼板裁切控制系統(tǒng)可輕松實現(xiàn)用戶提出的要求。穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品品質(zhì)，簡單便易的操作方法，體現(xiàn)了臺達(dá)機電產(chǎn)品整合系統(tǒng)的優(yōu)越性；此外，系統(tǒng)實現(xiàn)了全自動生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率；而豐富的故障診斷功能提高了作業(yè)人員檢修設(shè)備的便利性，為行業(yè)企業(yè)的設(shè)備升級提供了很好的案例。