《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC電子凸輪功能的高速繞線機(jī)
摘要: 介紹臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪(CAM)功能,闡述高速繞線機(jī)工作原理、工藝要求及相關(guān)控制程序概要。
Abstract:
Key words :

1 引言

本文介紹的全自動(dòng)無(wú)骨架系列空心電磁線圈高速繞線機(jī),可以繞制傳動(dòng)線圈,揚(yáng)聲器線圈,天線線圈以及各種無(wú)骨架通用線圈。設(shè)備具有性能可靠,高速高效率,自動(dòng)化程度高,適合于線圈制造業(yè)的批量生產(chǎn),如圖1所示。


圖1 空心電磁線圈

一般普通繞線機(jī)采用內(nèi)置脈沖功能的小型PLC,通過繞線軸編碼器速度輸出到PLC內(nèi)置高速輸入點(diǎn),將繞線軸與排線軸的速比進(jìn)行簡(jiǎn)單速度同步,這種方法受 PLC運(yùn)算影響,同步精度差,計(jì)算量大,CPU處理時(shí)間較長(zhǎng),因此會(huì)出現(xiàn)繞線不均勻,堆積,塌陷等問題,嚴(yán)重影響繞線成品的質(zhì)量,舉例來說,PLC對(duì)繞線軸編碼器作高速計(jì)數(shù),當(dāng)?shù)竭_(dá)計(jì)數(shù)值時(shí)利用中斷方式控制排線軸電機(jī)反向繞制,但受CPU運(yùn)算處理時(shí)間的影響會(huì)出現(xiàn)滯后產(chǎn)生誤差,在低速的情況下尚可基本達(dá)到繞制要求,但是對(duì)于高速繞制多層線圈時(shí)就會(huì)出現(xiàn)線圈端面不齊整,成品品質(zhì)下降。

臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D是一款專用運(yùn)動(dòng)控制型PLC,采用高速雙CPU結(jié)構(gòu)形式,利用獨(dú)立CPU處理運(yùn)動(dòng)控制算法,可以很好地實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡控制、邏輯動(dòng)作控制,直線/圓弧插補(bǔ)控制等,在高速繞線機(jī)中利用了20PM運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪功能很好的解決了繞線換向出現(xiàn)的繞制不均勻、堆積、不平整等問題,如圖2所示。 
 


圖2 運(yùn)動(dòng)控制器DVP-20PM00D

2   高速繞線機(jī)

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

高速繞線機(jī)共包含九部分機(jī)構(gòu),如圖3所示。
 


圖3 高速繞線機(jī)
 
(1)機(jī)架。機(jī)架由角鋼框架及不銹鋼臺(tái)面組成,并設(shè)置腳輪便于移動(dòng),當(dāng)設(shè)備到位后可將支腳調(diào)低作為穩(wěn)定支撐。

(2)張力機(jī)構(gòu)。安裝于進(jìn)線部分,作為繞線張力調(diào)節(jié),保證線圈繞制時(shí)維持張力恒定,張力調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)旋鈕可針對(duì)不同需求進(jìn)行張力調(diào)節(jié)設(shè)定,調(diào)整完畢后,張力調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制繞線張力。

(3)繞線機(jī)構(gòu)。主要由臺(tái)達(dá)B系列200W伺服電機(jī)、同步齒形帶、繞線飛叉組成,是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的繞制主軸,銅線經(jīng)過飛叉旋轉(zhuǎn)繞制于繞線模頭上,是繞線機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件之一。

(4)排線機(jī)構(gòu)。包括臺(tái)達(dá)B系列100W伺服電機(jī)、精密直線螺桿、精密導(dǎo)軌、氣動(dòng)滑叉等,是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的排線從軸,在繞線運(yùn)動(dòng)中跟隨繞線主軸正反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)排線動(dòng)作,是繞線機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件之一。

(5)工作轉(zhuǎn)臺(tái)

由分度步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、線叉、繞線模頭組成,該設(shè)備為多任務(wù)位繞線機(jī),在繞線同時(shí)執(zhí)行模頭預(yù)熱、剪線、加熱、脫模等工藝動(dòng)作,這需要工作轉(zhuǎn)臺(tái)按不同工位動(dòng)作完成。

(6)剪線機(jī)構(gòu)。為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要是將繞制完成的線圈兩端引線剪斷。

(7)脫模機(jī)構(gòu)。由分度步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)脫模組成,將繞制完成的成品從繞線模頭取下。

(8)熱風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)備配置兩個(gè)可調(diào)溫度220V熱風(fēng)槍,在繞線前將模頭預(yù)熱,繞線后對(duì)線圈進(jìn)行熱風(fēng)處理便于脫模。

(9)電氣控制。包含電氣控制箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D運(yùn)動(dòng)控制器作為控制核心,觸摸屏作為人機(jī)交換,伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與排線的精確控制,從而保證繞線的精度。電氣控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。
 

 
圖4 電氣控制系統(tǒng)框圖
 
2.2 工藝流程

繞線頭回原點(diǎn)→進(jìn)給至起繞點(diǎn)→張力調(diào)節(jié)→模頭預(yù)熱→繞線、排線→加熱→剪線→脫模→成品→退至脫模點(diǎn)→進(jìn)給至起繞點(diǎn)循環(huán)生產(chǎn)。

2.3 電氣系統(tǒng)配置

電氣控制主要包括繞排線部分、步進(jìn)分度部分、氣缸動(dòng)作控制部分。具體配置如表1所示。
 
表1 繞線機(jī)電控配置


 
3   臺(tái)達(dá)PLC電子凸輪功能

高速繞線機(jī)的主要控制功能基于臺(tái)達(dá)20PM電子凸輪的應(yīng)用,使繞制產(chǎn)品的成品品質(zhì)及效率大大提高。以下對(duì)電子凸輪功能作簡(jiǎn)單介紹:

3.1 什么是電子凸輪

參見圖5,凸輪是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械三維空間聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系與控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用軟件程序與伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三維空間聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系與控制的軟件系統(tǒng)就是電子凸輪功能。從圖5可以看到,左邊是我們常見的機(jī)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(jī)械凸輪控制所需要的軌跡,實(shí)現(xiàn)主軸和從軸的嚙合運(yùn)動(dòng)。
 


圖4 電子凸輪功能
 
3.2 電子凸輪的實(shí)現(xiàn)

(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(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確;二是從主軸編碼器或伺服脈沖獲取,將主軸編碼器信號(hào)進(jìn)行處理;三是從測(cè)量編碼器獲取。獲得編碼器信號(hào)之后,將其換算成主軸位置。

(2)實(shí)現(xiàn)主從軸的嚙合。實(shí)際上是定義主從軸之間的關(guān)系(稱之為cam table)。cam table有兩種方法表述:一是采用X、Y的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系;二是采用兩者的函數(shù)關(guān)系。cam table的獲取也有多種途徑:根據(jù)實(shí)際工作中測(cè)量到的點(diǎn)與點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)主從軸的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系。 cam table可以定義多個(gè)cam曲線。關(guān)系確定和實(shí)現(xiàn)后,根據(jù)主軸的位置,就能得到從軸的位置。

3.3 臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC的電子凸輪

臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器除了實(shí)現(xiàn)直線/圓弧插補(bǔ)以及定位功能之外,內(nèi)嵌了電子凸輪功能,使其可以應(yīng)用在多種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。20PM為2軸運(yùn)動(dòng)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(dāng)定義好cam table后,從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運(yùn)動(dòng)。圖6是電子凸輪圖形化定義軟件主界面。
 


圖6 臺(tái)達(dá)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(shè)定、修改電子凸輪曲線。當(dāng)我們點(diǎn)擊進(jìn)入資料表單設(shè)定按鈕時(shí)會(huì)彈出下面的區(qū)段設(shè)置表。使用者需先設(shè)定 Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取CAM curve(具有連續(xù)、正弦、勻加速等6種曲線,并可加入其它標(biāo)準(zhǔn)曲線和自定義曲線),在設(shè)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(biāo)圖7所示。 
 

圖7臺(tái)達(dá)電子凸輪軟件圖形化定義分界面
 
圖8是以高速繞線機(jī)為例的電子凸輪曲線圖,采用CYCLIC模式排線從軸根據(jù)繞線主軸連續(xù)正反排線。以下是計(jì)算主從軸關(guān)系算式:

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

排線從軸轉(zhuǎn)一圈所需脈波數(shù)=10000P/R=>相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)一圈滾珠螺桿移動(dòng)之距離=10mm;

主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波=3600P/R =>從軸相對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)所需脈波= 100P/R =>相對(duì)應(yīng)滾珠螺桿移動(dòng)之距離=0.1mm

Master/Slave關(guān)系式=(主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波*凸輪一周期的匝數(shù))/(從軸相對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)所需脈波*線徑*排線寬度的匝數(shù))
 


圖8  高速繞線機(jī)電子凸輪曲線圖
 
4 繞線控制電子凸輪設(shè)計(jì)

4.1 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于高速繞線機(jī)的控制難點(diǎn)分析及解決方案。

(1)系統(tǒng)難點(diǎn)。繞線機(jī)在換向處出現(xiàn)繞線不均勻、堆積;繞線機(jī)換向處出現(xiàn)螺旋紋、不平整;無(wú)法進(jìn)行斜排繞線,奇偶數(shù)繞線。

(2)難點(diǎn)分析。換向處繞線不均勻、堆積情況出現(xiàn)主要是由于普通PLC的速度指令處理時(shí)間長(zhǎng),換向受程序掃描周期影響,沒有同步指令且無(wú)法實(shí)時(shí)刷新,同時(shí)伺服剛性參數(shù),動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也是原因之一。

換向處出現(xiàn)螺紋主要是因?yàn)槁菪@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(shí)每圈需要增加一個(gè)線寬和線厚,奇偶數(shù)繞線是在每繞一層變換繞線匝數(shù)奇偶性,兩種繞線方式都需要每次繞線后進(jìn)行計(jì)算,由于普通小型PLC運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行高速斜排和奇偶數(shù)繞線。
4.2  臺(tái)達(dá)解決方案
由以上分析可以看出,高速繞線機(jī)的瓶頸在于高速運(yùn)算及響應(yīng),而臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器除邏輯控制CPU外具有獨(dú)立的高速運(yùn)算CPU,由硬件直接完成高速運(yùn)算響應(yīng),2軸同步控制時(shí)間小于0.5ms,達(dá)到高速繞線需求。關(guān)于臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)控制器電子凸輪功能及應(yīng)用在上面章節(jié)已有描述。

此外,對(duì)于程序編寫也十分簡(jiǎn)單方便,利用PMSoft編程軟件設(shè)置好cam table后,直接控制對(duì)應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可完成電子凸輪運(yùn)行。表2 為X軸排線軸內(nèi)部寄存器表,例如在對(duì)應(yīng)的D1511中傳送不同數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)0(停止)、1(正向點(diǎn)動(dòng))、2(反向點(diǎn)動(dòng))、3(單段速運(yùn)動(dòng))、4(電子凸輪運(yùn)動(dòng)),其它寄存器同樣有各自功能。
 
表2  X軸排線軸內(nèi)部寄存器表


 
X軸排線軸梯形圖如下:


 
5 結(jié)束語(yǔ)

基于臺(tái)達(dá)20PM電子凸輪功能的繞線機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)使用,繞線速度最高可達(dá)2500r/min,繞制產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到用戶需求,臺(tái)達(dá)20PM電子凸輪功能成功應(yīng)用于高速繞線機(jī)中。

電子凸輪功能不僅僅可以應(yīng)用在繞線機(jī)控制中,通過變換不同的控制曲線,該功能廣泛應(yīng)用于各種較高要求的運(yùn)動(dòng)控制中,例如:包裝機(jī)行業(yè)中的飛剪,機(jī)床行業(yè)中的飛鋸,印刷機(jī)行業(yè)中的電子軸裁切及套印,紡機(jī)行業(yè)中的精密絡(luò)筒繞線等等。

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