基于臺達運動控制型PLC電子凸輪功能的高速繞線機

摘 要：介紹臺達DVP-20PM00D運動控制器電子凸輪（CAM）功能，闡述高速繞線機工作原理、工藝要求及相關控制程序概要。
關鍵詞：運動控制 電子凸輪 主軸 從軸 CAM Table

1 引言

本文介紹的全自動無骨架系列空心電磁線圈高速繞線機，可以繞制傳動線圈，揚聲器線圈，天線線圈以及各種無骨架通用線圈。設備具有性能可靠，高速高效率，自動化程度高，適合于線圈制造業的批量生產，如圖1所示。

圖1 空心電磁線圈

一般普通繞線機采用內置脈沖功能的小型PLC，通過繞線軸編碼器速度輸出到PLC內置高速輸入點，將繞線軸與排線軸的速比進行簡單速度同步，這種方法受PLC運算影響，同步精度差，計算量大，CPU處理時間較長，因此會出現繞線不均勻，堆積，塌陷等問題，嚴重影響繞線成品的質量，舉例來說，PLC對繞線軸編碼器作高速計數，當到達計數值時利用中斷方式控制排線軸電機反向繞制，但受CPU運算處理時間的影響會出現滯后產生誤差，在低速的情況下尚可基本達到繞制要求，但是對于高速繞制多層線圈時就會出現線圈端面不齊整，成品品質下降。

臺達DVP-20PM00D是一款專用運動控制型PLC，采用高速雙CPU結構形式，利用獨立CPU處理運動控制算法，可以很好地實現各種運動軌跡控制、邏輯動作控制，直線/圓弧插補控制等，在高速繞線機中利用了20PM運動控制器的電子凸輪功能很好的解決了繞線換向出現的繞制不均勻、堆積、不平整等問題，如圖2所示。

圖2 運動控制器DVP-20PM00D

2 高速繞線機

2.1 設備結構簡介

高速繞線機共包含九部分機構，如圖3所示。

圖3 高速繞線機

（1）機架。機架由角鋼框架及不銹鋼臺面組成，并設置腳輪便于移動，當設備到位后可將支腳調低作為穩定支撐。

（2）張力機構。安裝于進線部分，作為繞線張力調節，保證線圈繞制時維持張力恒定，張力調節器具有調節旋鈕可針對不同需求進行張力調節設定，調整完畢后，張力調節器自動控制繞線張力。

（4）繞線機構。主要由臺達B系列200W伺服電機、同步齒形帶、繞線飛叉組成，是電子凸輪運動中的繞制主軸，銅線經過飛叉旋轉繞制于繞線模頭上，是繞線機主要運動部件之一。

（5）排線機構。包括臺達B系列100W伺服電機、精密直線螺桿、精密導軌、氣動滑叉等，是電子凸輪運動中的排線從軸，在繞線運動中跟隨繞線主軸正反向往復運動實現排線動作，是繞線機主要運動部件之一。

（6）工作轉臺

由分度步進電機、旋轉臺、線叉、繞線模頭組成，該設備為多任務位繞線機，在繞線同時執行模頭預熱、剪線、加熱、脫模等工藝動作，這需要工作轉臺按不同工位動作完成。

（7）剪線機構。為氣動執行機構，主要是將繞制完成的線圈兩端引線剪斷。

（8）脫模機構。由分度步進電機、氣動脫模組成，將繞制完成的成品從繞線模頭取下。

（9）熱風系統。設備配置兩個可調溫度220V熱風槍，在繞線前將模頭預熱，繞線后對線圈進行熱風處理便于脫模。

（10）電氣控制。包含電氣控制箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D運動控制器作為控制核心，觸摸屏作為人機交換，伺服電機作為執行機構，實現轉軸與排線的精確控制，從而保證繞線的精度。電氣控制系統框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制系統框圖

2.2 工藝流程

繞線頭回原點→進給至起繞點→張力調節→模頭預熱→繞線、排線→加熱→剪線→脫模→成品→退至脫模點→進給至起繞點循環生產。

2.3 電氣系統配置

電氣控制主要包括繞排線部分、步進分度部分、氣缸動作控制部分。具體配置如表1所示。

表1 繞線機電控配置

3 臺達PLC電子凸輪功能

高速繞線機的主要控制功能基于臺達20PM電子凸輪的應用，使繞制產品的成品品質及效率大大提高。以下對電子凸輪功能作簡單介紹：

3.1 什么是電子凸輪

參見圖5，凸輪是用于實現機械三維空間聯動傳動關系與控制的機械結構。自動化運動控制系統用軟件程序與伺服電機實現三維空間聯動傳動關系與控制的軟件系統就是電子凸輪功能。從圖5可以看到，左邊是我們常見的機械式凸輪方式，而右邊就是電子凸輪方式。也就是說利用程序的方式（配合伺服單元）完成機械凸輪控制所需要的軌跡，實現主軸和從軸的嚙合運動。

圖4 電子凸輪功能

3.2 電子凸輪的實現

（1）獲取主軸位置。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。

（2）實現主從軸的嚙合。實際上是定義主從軸之間的關系（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關系。cam table的獲取也有多種途徑：根據實際工作中測量到的點與點之間的對應關系，根據主從軸的標準函數關系。cam table可以定義多個cam曲線。關系確定和實現后，根據主軸的位置，就能得到從軸的位置。

3.3 臺達運動控制型PLC的電子凸輪

臺達20PM運動控制器除了實現直線/圓弧插補以及定位功能之外，內嵌了電子凸輪功能，使其可以應用在多種運動控制場合。20PM為2軸運動控制器，具有2路500KHz的輸入與輸出，在電子凸輪功能中定義X軸為從軸，Y軸為主軸，當定義好cam table后，從軸依據定義的曲線跟隨主軸運動。圖6是電子凸輪圖形化定義軟件主界面。

圖6 臺達電子凸輪軟件圖形化定義主界面

在軟件中我們可以清楚地利用圖形方式設定、修改電子凸輪曲線。當我們點擊進入資料表單設定按鈕時會彈出下面的區段設置表。使用者需先設定Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取CAM curve（具有連續、正弦、勻加速等6種曲線，并可加入其它標準曲線和自定義曲線）,在設定完成后按下Setting completed按鈕, 即可在主畫面繪制位移, 速度, 加速度坐標圖7所示。

圖7 臺達電子凸輪軟件圖形化定義分界面

圖8是以高速繞線機為例的電子凸輪曲線圖，采用CYCLIC模式排線從軸根據繞線主軸連續正反排線。以下是計算主從軸關系算式：

主軸轉一圈所出線的距離(圓周長)=π*D (mm) Or 繞線模具一圈的出線的距離(圓周長)=π*D (mm)；

排線從軸轉一圈所需脈波數=10000P/R=>相對應轉一圈滾珠螺桿移動之距離=10mm；

主軸旋轉一圈所需脈波=3600P/R =>從軸相對應主軸旋轉一圈所轉動的圈數所需脈波= 100P/R =>相對應滾珠螺桿移動之距離=0.1mm

Master/Slave關系式=(主軸旋轉一圈所需脈波*凸輪一周期的匝數)/(從軸相對應主軸旋轉一圈所轉動的圈數所需脈波*線徑*排線寬度的匝數)

圖8 高速繞線機電子凸輪曲線圖

4 繞線控制電子凸輪設計

4.1 程序設計

程序設計的關鍵在于高速繞線機的控制難點分析及解決方案。

（1）系統難點。繞線機在換向處出現繞線不均勻、堆積；繞線機換向處出現螺旋紋、不平整；無法進行斜排繞線，奇偶數繞線。

（2）難點分析。換向處繞線不均勻、堆積情況出現主要是由于普通PLC的速度指令處理時間長，換向受程序掃描周期影響，沒有同步指令且無法實時刷新，同時伺服剛性參數，動態響應速度也是原因之一。

換向處出現螺紋主要是因為螺旋繞線方式造成，可采用最后半圈定位繞線解決。

斜排繞線在爬坡時每圈需要增加一個線寬和線厚，奇偶數繞線是在每繞一層變換繞線匝數奇偶性，兩種繞線方式都需要每次繞線后進行計算，由于普通小型PLC運算時間長，導致無法進行高速斜排和奇偶數繞線。

4.2 臺達解決方案

由以上分析可以看出，高速繞線機的瓶頸在于高速運算及響應，而臺達20PM運動控制器除邏輯控制CPU外具有獨立的高速運算CPU，由硬件直接完成高速運算響應，2軸同步控制時間小于0.5ms，達到高速繞線需求。關于臺達20PM運動控制器電子凸輪功能及應用在上面章節已有描述。

此外，對于程序編寫也十分簡單方便，利用PMSoft編程軟件設置好cam table后，直接控制對應的內部寄存器即可完成電子凸輪運行。表2為X軸排線軸內部寄存器表，例如在對應的D1511中傳送不同數值即可實現0（停止）、1（正向點動）、2（反向點動）、3（單段速運動）、4（電子凸輪運動），其它寄存器同樣有各自功能。

表2 X軸排線軸內部寄存器表

X軸排線軸梯形圖如下：

5 結束語

基于臺達20PM電子凸輪功能的繞線機控制系統系統已經投產使用，繞線速度最高可達2500r/min，繞制產品品質達到用戶需求，臺達20PM電子凸輪功能成功應用于高速繞線機中。
電子凸輪功能不僅僅可以應用在繞線機控制中，通過變換不同的控制曲線，該功能廣泛應用于各種較高要求的運動控制中，例如：包裝機行業中的飛剪，機床行業中的飛鋸，印刷機行業中的電子軸裁切及套印，紡機行業中的精密絡筒繞線等等。