20PM电子凸轮功能在高速追剪系统的应用4

台达20PM 运动控制器电子凸轮功能在高速追剪系统的应用

摘 要：介绍台达DVP-20PM00D 运动控制器电子凸轮（CAM ）功能，阐述高速追剪工作原理、工艺要求及相关控制程式概要。

关键词：运动控制器，电子凸轮，伺服控制，CAM Table，高速脉冲。

一、 前言

傳統的定長送料系統，都是在材料開始加工之前先由送料馬達將材料送出指定的長度，等材料穩定停止之後，隨後再進行正常的加工作業，譬如鋼板裁切、管材鋸斷、套色印刷、…等等。因此基本上，只要送料的長度準確，不論其為何種加工作業，產出成品的質量大都還可以被客戶接受。但是，碰到如斜紋紙管生產線、無縫鋼管生產線、光电缆挤出生产线、钢筋矫直切割生产线…等等，材料是連續不間斷地生產出來的，根本無法採用停止後靜態裁切的方式。以及客户需要提高生产效率的情况下，同步式剪切系统就比较适用。本文介绍的追剪系统，是同步式剪切系统中的一种，其他还有飞剪，旋切。它们之间最大的区别是：追剪是往返运动，而飞剪是为同向运动。对台达20PM 运动控制器来说主要是电子凸轮的CAM 曲线不同。采用本方法，使用户的包装材料护角生产线速度从过去的20M/MIN,提高到一倍，达到50M/MIN,达到国际国内领先水平，减少了机械震動，提高了剪切精度，大幅提高了生產效率。下文介绍的主要是台达20PM 运动控制器电子凸轮功能在高速追剪系统的詳細应用。

二、 追剪机构和原理

1、设备结构

追剪机构共包含以下部分机构，分述如下：

（1） 切刀机构

主要由一个进刀电磁阀和一退刀电磁阀控制切刀的进退。

（2） 測量機構

安装于出來部分，如圖所示，同軸聯接一2500線的A/B相的差分編碼器, 測量进料的速度, 及長度。是电子凸轮运动中的主轴。

（3） 追踪机构

主要由台达B 系列2000W 伺服电机、傳動機構组成，是电子凸轮运动中的從轴。

（4） 进料傳動

包括台达B 系列1.5KW 變頻电机、傳動皮帶等，要求调节进料的速度。

（5） 电气控制

包含电气控制箱、触摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D 运动控制器作为控制核心，触摸屏作为人机交换，伺服电机作为执行机构，实现切割的精确控制。

系统配置

电气控制主要包括切刀、皮帶速度动作控制部分。具体配置如下：

三、 追剪控制及20PM 运动控制器电子凸轮功能应用介绍

1、追剪控制中电子凸轮的主轴长度与从轴速度的关系图

2、电气

同步区

切台速度等于进料速

开始启动

A

高速返回

前置等待 B 切台在HOME 等待

允许切刀动作

切刀动作必须结束

（1）前置状态：送料進行中，長度尚未達到指定裁切長度。20PM 运动控制器隨時偵測輸入材料之當時送料速度，若長度適合即立刻指揮伺服馬達啟動，進入追速狀態。

（2） 追速状态（Ramp up to Tracking）：送料持续进行，20PM 运动控制器在

侦测输入材料之长度及当时送料速度的同时，并指挥伺服电机依照S 曲线

加速至与进料速度同步；在进入同步速度的瞬间，锯/切台与材料的动态

相对位置已经整定完成。接着便进入同步状态。

（3）同步状态（Syncronized Zone）： 一旦进入同步状态，20PM 运动控制器

立刻送出同步信号(CLEAR)给锯/切台控制机构，要求执行切断动作。同时，

运动控制器依然持续侦测进料长度及进料速度，随时保持锯/切台与材料之

间的动态相对位置不变；如此才能确保裁切断面的平整。当裁切完成

之后，切刀自动退出，并发出裁切完成信号(CUTend)。

（4）减速状态（Ramp down Stop）：20PM 运动控制器 指挥伺服电机依照S

曲线减速直到完全停止。同时，仍然持续侦测并累计进料长度。一旦伺服

电机完全停止，接着立刻进入回车状态。

（5 ）回车状态（Return Home）： 回车过程中，20PM 运动控制器仍持续侦测

并累计进料长度。

（6）待机状态： 回车完成之后20PM 运动控制器系统自动进入待机状态，等待下一循环的开始。 上面的从轴速度与主轴位置关系的几个步骤，只是一般常规追剪系统的关系，实际上可根据工艺 要求变更，比如有的设备要求，同步切断以后，有个快推过程，图形如下图

利用20PM 运动控制器的CAM 表功能可根据工艺要求，很方便的生成各种主轴长度与从轴速度的关系图，然后，通过主轴长度与从轴速度的关系图可以自动生成主轴位置与从轴位置的关系图。需要注意的是以上圖中A ，與B 面積必須相等具体生成过程在后文介绍。

2、20PM 电子凸轮的实现方式

（1）获取主轴位置；

获取主轴位置有多种方法：一是采用虚拟轴，计算简单准确；二是从主轴编码器或伺服脉冲获取，将主轴编码器信号进行处理；三是从测量编码器获取。获得编码器信号之后，将其换算成主轴位置。這個追剪系統采用的是第三種方案。由編碼器脉冲获取主轴位置如图

（2）实现主从轴的啮合

实际上是定义主从轴之间的关系（称之为cam table）。cam table有两种方法表述：一是采用X 、Y 的点对点关系；二是采用两者的函数关系。cam table 的获取也有多种途径：根据实际工作中测量到的点与点之间的对应关系，根据主从轴的标准函数关系。cam table可以定义多个cam 曲线。关系确定和实现后，根据主轴的位置，就能得到从轴的位置。在20PM 控制器內，CAM 曲線既可通過手動編程時生成也可通過程序自動生成。本系統通過手动生成。

3、台达20PM 运动控制器电子凸轮功能介绍

20PM00D 为2轴运动控制器，具有2路500KHz 的输入与输出。可以做两轴的直线圆弧插补;20PM00M 为3轴运动控制器，具有3路500KHz 的输入与输出, 可以做任意两轴的直线圆弧插补。本文用的是20PM00D 。台达20PM 运动控制器采用高速双CPU 结构形式，利用独立CPU 处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，除了实现直线/圆弧插补以及定位功能之外，内嵌了电子凸轮功能，使其可以应用在多种运动控制场合。

在电子凸轮功能中定义X 轴为从轴，編碼器輸入轴为主轴，当定义好cam table后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。在高速追剪机构中正是利用了20PM 运动控制器的电子凸轮功能很好的解决了上述高速切割时出现的不垂直、不等長等问题。而且可以用虚拟轴的功能，扩展到29个输出凸轮。

运动控制器DVP-20PM00D

4软件实现

本图是根据一上海客户包装材料追剪的工艺生成的最终CAM 曲线

图1，

由上而下分别为位置，速度，加速度曲线，同时，在PMSOFT 安装程序文件夹下CAMDATA 子文件夹下生成三个文件，如图二所示，

图2

分别为DATA_S.TXT,DATA_V.TXT,DATA_S.TXT,分别对应三个图形的数据，打开DATA_S.TXT文件，可以看到主轴与从轴的三百个对应数据，这三百个数据是由编程者设定解析度，系统自动生成， （20PM 一个CAM 表最大解析度为2048，可以预设三个CAM 表，并可在线随时切换）见最后附表

从附表中，可以看到三百个主轴和从轴一一对应位置，也就是凸轮关系。

因为，我们前面介绍的追剪过程是主轴位置和从轴的速度关系，实际凸轮关系是主轴和从轴一一对应位置关系，如何从主轴位置和从轴的速度关系产生是主轴和从轴一一对应位置关系是我们解决的重点。

PMSOFT 软件有个CAM CHART,使我们可以清楚地利用图形方式设定、修改电子凸轮曲线。当我们点击进入资料表单设定按钮时会弹出下面的区段设置表。使用者需先设定Start Ang, End Ang, Stroke 以及透过下拉式选单选取CAM curve （具有连续、正弦、匀加速等6种曲线，并可加入其他标准曲线和自定义曲线）, 在设定完成后按下Setting completed 按钮, 即可在主画面绘制位移, 速度, 加速度坐标图 。

图3

下面是以高速追剪机构包装材料的护角机为例，来说明如何生成电子凸轮曲线图。

本测量系统编码器为2500线，测量轮为51MM ，伺服转一周需10000 PULSE,伺服与

导轨联结为2：1的减速带轮，导轨牙距为30MM, 通过以上参数，我们可以计算出要

达到线速度同步，输入脉冲与输出脉冲的频率比例关系。

V1=F1*3.14*51/2500

V2=F2*30/(2*10000)

由于V1=V2,所以

F2:F1=3.14*20000*51/30*2500=21.35

因此考虑到PLC 发出频率，与伺服接受频率的合理性，我们把伺服齿轮比设为10，填 表设为2.2，如上图所示。 分别为在测量轴600 PULSE达到速度同步，一直同步到5000

PULSE, 然后是，降速到零，再高速返回。（这里的同步长度设的比较长是因为用户的切刀是 油压系统，从发出切刀动作到动作结束有时间0.3秒延迟，必须有足够长的同步区满足 ）然后，按下DRAW, 按钮，生成主轴位置与

从轴速度的曲线图，

图4

生成的图形是按照主轴位置和从轴的速度关系，并不是主轴和从轴一一对应位置关系，要生成主轴和从轴一一对应位置关系必须在按下步骤進行

按下export 按钮，将数据导出，然后把数据在作为速度信号导入，即再按下import speed DATA 按钮，就自动生成了图1主轴与从轴的位置关系，速度关系，加速度关系图，然后将程序下载， 启动，就会每个循环都按此图执行。畫圖時，PMSOFT 提供了幾種曲綫平滑功能，如圖中所示，可以減少機械震動。

从附表中可以看出本图追剪机构最大行程为10766 pULSE,切割的长度为8200 PULSE,换算成长度分别为700MM, 与480MM, 左右，也就是伺服驅動的機械往返行程是700MM, 切割材料最短長度是480MM, 如果需要在线修改切割长度只需用DTO 指令动态修改追后一个CAM 表的长度即可。20PM 运动控制器电子凸轮表可以建三組，三組之間可以動態切換，具有很大的靈活性。比如用戶可能為了保護設備，需要低速切割短的材料，高速切長的材料，只需分別建一個CAM, 分別調用即可。

20PM 运动控制器电子凸轮表运行方式有三种，分别为1次(ONCE),连续（continue ），及限定 次数，触发方式也有两种外部和内部，等非常方便用户用于定长或套标追切。

四、 主要程序 初始化

长度换算

故障报警及启动CAM 运行

五、

电气控制图

六、 结束语

此外，20PM 运动控制器电子凸轮功能不仅仅可以应用在追剪控制中，通过变换不同的控制曲线，该功能广泛应用于各种较高要求的运动控制中，例如：包装机行业中的飞剪，机床行业中的飞锯，印刷机行业中的电子轴裁切及套印，纺机行业中的精密络筒绕线等等。

CAM 功能也可以扩展到更多的应用领域及应用状况，例如：园压圆模切、圆压圆烫金系统的动作也是需要一个同步区域进行模切、烫金。不干胶标签印刷的同步控制等诸多应用中，也会使用

到电子凸轮CAM 功能。

在纺织机械中电子凸轮细纱机、包装机械的连续灌装动作、立式包装的横切热封动作、金属加工中的弹簧变径加工等。

PLC 产品处 余强 台湾研发 吴鸿志

以下数据为DATA-S.TXT 的数据 0 0

12 0.[**************]1 24 0.[**************]8 36 0.[**************] 48 0.[**************] 60 1.[1**********]491 72 1.[1**********]394 84 2.[1**********]814 96 4.[1**********]684 108 6.[1**********]024 120 8.[1**********]93 132 11.[1**********]71 144 14.[1**********]63 156 18.[1**********]96 168 22.[1**********]61 180 28.[1**********]41 192 33.[1**********]78 204 40.[1**********]77 216 47.[1**********]8 228 55.[1**********]11 240 64.[1**********]67 252 73.[1**********]11 264 84.[1**********]17 276 95.[1**********]56 288 107.[1**********]8 300 119.[1**********]1 312 133.[1**********]7 324 148.[1**********]3 336 163.[1**********]8

348 179.[1**********]1 360 196.[1**********]1 372 213.9326171875 384 232.[1**********]1 396 251.[1**********]5 408 271.[1**********]4 420 292.[1**********]7 432 313.[1**********]2 444 335.[1**********]9 456 357.[1**********]4 468 380.[1**********] 480 404.[1**********]6 492 428.[1**********]9 504 453.[1**********]7 516 478.[1**********]3 528 503.[1**********]6 540 529.[1**********]3 552 554.[1**********]3 564 581.[1**********]9 576 607.[1**********]1 588 633.[1**********]1 600 660.[1**********]6 688 853.[1**********] 776 1047.[1**********] 864 1240.[1**********] 952 1434.[1**********] 1040 1628 1128 1821.[1**********] 1216 2015.[1**********] 1304 2208.[1**********] 1392 2402.[1**********] 1480 2596.[1**********] 1568 2789.[1**********] 1656 2983.[1**********] 1744 3176.[1**********] 1832 3370.[1**********] 1920 3564.[1**********] 2008 3757.[1**********] 2096 3951.[1**********] 2184 4144.80078125 2272 4338.[1**********] 2360 4532.0009765625 2448 4725.[1**********] 2536 4919.201171875

2624 5112.[1**********] 2712 5306.4013671875 2800 5500.[1**********] 2888 5693.6015625 2976 5887.[1**********] 3064 6080.8017578125 3152 6274.[1**********] 3240 6468.001953125 3328 6661.[1**********] 3416 6855.2021484375 3504 7048.[1**********] 3592 7242.40234375 3680 7436.[1**********] 3768 7629.6025390625 3856 7823.[1**********] 3944 8016.802734375 4032 8210.40234375 4120 8404.001953125 4208 8597.6015625 4296 8791.201171875 4384 8984.80078125 4472 9178.400390625 4560 9372 4648 9565.599609375 4736 9759.19921875 4824 9952.798828125 4912 10146.3984375 5000 10339.998046875 5016 10375.142578125 5032 10410.06640625 5048 10444.5498046875 5064 10478.3740234375 5080 10511.32421875 5096 10543.1875 5112 10573.7568359375 5128 10602.828125 5144 10630.2060546875 5160 10655.7001953125 5176 10679.126953125 5192 10700.3125 5208 10719.0908203125 5224 10735.3056640625 5240 10748.8115234375 5256 10759.47265625

5272 10767.1650390625 5288 10771.7763671875 5304 10773.390625 5320 10771.55078125 5336 10766.3662109375 5352 10757.7763671875 5368 10745.732421875 5384 10730.2001953125 5400 10711.158203125 5416 10688.599609375 5432 10662.5322265625 5448 10632.9765625 5464 10599.966796875 5480 10563.55078125 5496 10523.791015625 5512 10480.76171875 5528 10434.55078125 5544 10385.2587890625 5560 10332.998046875 5576 10277.892578125 5592 10220.0771484375 5608 10159.6982421875 5624 10096.9130859375 5640 10031.88671875 5656 9964.79296875 5672 9895.8154296875 5688 9825.1435546875 5704 9752.974609375 5720 9679.51171875 5736 9604.9619140625 5752 9529.537109375 5768 9453.4541015625 5784 9376.9296875 5800 9300.1845703125 5833.501953125 9139.375

5867.00390625 8978.5654296875 5900.505859375 8817.755859375 5934.0078125 8656.9462890625 5967.509765625 8496.13671875 6001.[1**********] 8335.3251953125 6034.[1**********] 8174.515625 6068.[1**********] 8013.7060546875 6101.[1**********] 7852.896484375 6135.[1**********] 7692.0869140625

6168.[1**********] 7531.27734375 6202.[1**********] 7370.4677734375 6235.[1**********] 7209.658203125 6269.0283203125 7048.8466796875 6302.5302734375 6888.037109375 6336.0322265625 6727.2275390625 6369.5341796875 6566.41796875 6403.0361328125 6405.6083984375 6436.5380859375 6244.798828125 6470.0400390625 6083.9892578125 6503.5419921875 5923.1796875 6537.0439453125 5762.3701171875 6570.[1**********] 5601.55859375 6604.[1**********] 5440.7490234375 6637.[1**********] 5279.939453125 6671.[1**********] 5119.1298828125 6704.[1**********] 4958.3203125 6738.[1**********] 4797.5107421875 6771.[1**********] 4636.701171875 6805.060546875 4475.8896484375 6838.5625 4315.080078125

6872.064453125 4154.2705078125 6905.56640625 3993.[1**********] 6939.068359375 3832.[1**********] 6972.5703125 3671.[1**********] 7006.072265625 3511.033203125 7039.57421875 3350.[1**********] 7073.076171875 3189.[1**********] 7106.578125 3028.[1**********] 7140.080078125 2867.7958984375 7173.58203125 2706.[1**********] 7207.083984375 2546.[1**********] 7240.5859375 2385.[1**********] 7274.087890625 2224.55859375 7307.58984375 2063.[1**********] 7341.091796875 1902.[1**********] 7374.59375 1742.[1**********] 7408.095703125 1581.3212890625 7441.59765625 1420.[1**********] 7475.[1**********] 1259.7001953125 7485.[1**********] 1209.[1**********] 7496.[1**********] 1159.[1**********] 7506.[1**********] 1108.[1**********] 7517.[1**********] 1059.[1**********]

7527.58984375 1009.[1**********] 7538.087890625 960.[1**********]8 7548.5859375 912.[1**********]

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