摘 要：在簡要介紹包裝機機電原理的基礎(chǔ)上，深入討論基于臺達(dá)單一機電自動化平臺的運動控制系統(tǒng)集成設(shè)計。給出單軸定位與原點回歸等關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：伺服運動控制 PR單軸定位功能 數(shù)據(jù)交換
1. 引言
炸藥填充包裝機用于乳化炸藥類產(chǎn)品的生產(chǎn)線填充和包裝。作為機電一體化產(chǎn)品，填充包裝機對控制系統(tǒng)可靠性要求很高，同時要求維修和使用方便。通過同類自動化比較，最后選用臺達(dá)工業(yè)自動化產(chǎn)品平臺作為該包裝機的全系列核心控制系統(tǒng)。
該控制系統(tǒng)方案基于DELTA（臺達(dá)）AE系列人機界面、 EH系列PLC、ASD－AB伺服系統(tǒng)等產(chǎn)品的系統(tǒng)集成，借助其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通訊功能能夠很靈活地構(gòu)造控制方案。ASD－AB伺服系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的PLC脈沖運動控制方案具有可靠性更高，控制更精準(zhǔn)的優(yōu)點。
本文重點討論如何利用臺達(dá)伺服的通訊功能和pr單軸定位功能來實現(xiàn)伺服的運動控制和產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換。
2. 機械結(jié)構(gòu)和工藝要求
2.1 原理結(jié)構(gòu)
炸藥包裝機是炸藥生產(chǎn)線上的關(guān)鍵性設(shè)備，主要由工位旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)和伺服電機驅(qū)動裝置組成。伺服電機帶動1:40的行星減速機，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)每次旋轉(zhuǎn)90°。到位后，配合外部氣缸等一系列動作，完成一個循環(huán)的炸藥的填充和封裝。機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 包裝機機械結(jié)構(gòu)
2.2 工藝要求
（1）伺服高定位精度，要求每次定位不超過4個脈沖。
（2）封裝高速度，能夠配合前端灌裝生產(chǎn)線的送料速度，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度1~50r/min可以任意調(diào)節(jié)。即電機速度在0~2000rpm可調(diào)。
（3） 具有原點回歸功能。
（4） 能夠在人機界面上直觀的顯示伺服的工作狀態(tài)和故障信息。
3 包裝機電控系統(tǒng)設(shè)計
3.1 控制系統(tǒng)的硬件配置和架構(gòu)
通過對整個機械工藝特點和功能要求的分析，確定程序控制單元采用臺達(dá)小型運動控制性能突出的EH系列 PLC實現(xiàn)，人機界面選用臺達(dá)AE系列HMI10.4寸
觸摸屏作為監(jiān)控單元，運動控制單元選擇ASDA-AB系列伺服驅(qū)動單元，其電氣系統(tǒng)控制硬件架構(gòu)如圖2所示，滿足單自動化平臺的機電一體化系統(tǒng)集成要求。
圖2 電氣控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)
3.2 臺達(dá)PR單軸定位模式控制模式應(yīng)用
PR控制單軸定位控制方式是臺達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)特有功能，電機旋轉(zhuǎn)的定位角度和伺服速度分別由內(nèi)部位置寄存器和速度寄存器確定。具體應(yīng)用如下：
（1）位置寄存器P1-15和P1-16內(nèi)數(shù)值賦值馬達(dá)的位移距離。
（2）速度寄存器P2-36內(nèi)數(shù)值賦值馬達(dá)位移此段距離，馬達(dá)需要速度設(shè)定。
（3）PR模式DI GTRG 命令觸發(fā)信號上升沿給定，伺服馬達(dá)按照寄存器規(guī)劃運動，如圖3所示。
圖3 臺達(dá)PR單軸定位控制
3.4 填充機伺服運動的實現(xiàn)
（1）
伺服電機經(jīng)過1：40減速機帶動旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)每次旋轉(zhuǎn)90°，則馬達(dá)每次需要旋轉(zhuǎn)10圈整。設(shè)定伺服參數(shù)P1-15內(nèi)部位置指令圈數(shù)設(shè)定參數(shù)=10。設(shè)定P1-16內(nèi)部速度位置指令脈沖數(shù)參數(shù)=0。
（2）速度寄存器P2-36=人機設(shè)定速度值×40，由HMI設(shè)定旋轉(zhuǎn)定位速度1~50，因為涉及1：40的減速關(guān)系，故可以通過HMI宏指令數(shù)學(xué)運算完成后通訊到給定伺服寄存器P2-36。
（3）馬達(dá)運轉(zhuǎn)命令觸發(fā)DI信號GTPG信號由PLC輸出點給定，啟動伺服馬達(dá)運轉(zhuǎn)。
（4）馬達(dá)運轉(zhuǎn)10圈后，到達(dá)完成90°定位后會停止下來。驅(qū)動器會輸出DO信號TPOS位置到達(dá)信號給PLC輸入點，用來控制其他外部電氣回路動作。
3.5 伺服回原點動作的實現(xiàn)
區(qū)別于一般的PLC脈沖控制方式檢測外部傳感器開關(guān)而言，臺達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)特有原點回歸功能，伺服馬達(dá)回零動作規(guī)劃均由
伺服驅(qū)動器參數(shù)P1-47設(shè)定規(guī)劃，PLC不需發(fā)送脈沖即可完成，并可以定位于編碼器的Z相脈沖，定位精度高,如圖4所示，實現(xiàn)過程如下：
圖4臺達(dá)伺服系統(tǒng)原點回歸功能
（1）原點回歸方式參數(shù)設(shè)定P1-47=202。
（2）原點回歸第一段速度設(shè)定P1-48=1000rpm，原點回歸尋找原點減速開關(guān)ORGP的速度。
（3）原點回歸第二段速度設(shè)定P1-49=20rpm尋找到ORGP后，折返尋找伺服馬達(dá)Z相零位脈沖的速度。
（4）原點回歸觸發(fā)SHOME,由信號由PLC輸出點給定，觸發(fā)伺服馬達(dá)回原點功能啟動。
（5）馬達(dá)按照原點回歸第一段速度設(shè)定P1-48=1000rpm，尋找原點減速開關(guān)ORGP。
（6）馬達(dá)尋找到ORGP后減速到零，旋轉(zhuǎn)方向反向折返，速度按照原點回歸第二段速度設(shè)定P1-49=20rpm尋找伺服馬達(dá)Z相零位。
（7）定位于Z向脈沖后，驅(qū)動器會輸出DO信號HOME回原點完成信號給PLC輸入點，用來控制其他電氣動作。
3.6 伺服和HMI人機界面間的數(shù)據(jù)交換
臺達(dá)AE系列HMI支持雙端口聯(lián)機通訊功能，可同時連接2種不同協(xié)議的控制器。本案使用HMI的COM2與PLC進行RS485通訊，用以設(shè)定PLC 程序中的按鈕等元件，并可將PLC的運行狀態(tài)反饋在HMI上，此外還使用了HMI的COM1與SERVO進行RS232通訊，用以與伺服內(nèi)部寄存器交換數(shù)據(jù)。臺達(dá)的HMI軟體還自建了和臺達(dá)伺服的通訊功能，只需簡單的HMI界面規(guī)劃，就可對臺達(dá)伺服寄存器內(nèi)的數(shù)值進行讀取和寫入，彰顯單一自動化平臺方便直接的系統(tǒng)集成優(yōu)勢，如圖5所示。
圖5 臺達(dá)單平臺自動化系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)
4 結(jié)束語
相對于傳統(tǒng)伺服位置控制，包裝機工藝數(shù)據(jù)由人機界面設(shè)定，伺服獨立完成，無需使用專用PLC定位模塊即可實現(xiàn)高精度的運動定位控制，成本低。配線簡單，數(shù)據(jù)通訊控制不會存在命令脈沖受到干擾和脈沖丟失問題控制可靠。馬達(dá)速度寄存器設(shè)定，0~2000rpm任意可調(diào)，無需修改PLC指令脈沖頻率，突破了PLC定位模塊200K脈沖發(fā)送能力的瓶頸。
伺服驅(qū)動器自帶的原點回歸功能，設(shè)置簡單，可以定位于編碼器Z相零位，定位精度更高。便捷的通訊方式，可以通過HMI對伺服所有參數(shù)和伺服工作狀態(tài)實時監(jiān)控，界面直觀，維護便捷。
在基于臺達(dá)全系列自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例中，借助臺達(dá)產(chǎn)品通訊功能的優(yōu)勢和臺達(dá)AB系列伺服豐富的運動控制功能，能夠很靈活的構(gòu)造各類運動控制方案，相對于傳統(tǒng)的PLC脈沖控制方式而言，具有可靠性更高、穩(wěn)定性更好的優(yōu)點。
