摘　要: 本文主要介紹精密沖壓成型機(jī)的生產(chǎn)工藝，及通過(guò)臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)型控制器20PM電子凸輪功能配合臺(tái)達(dá)高性能ASD-A+伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方式。  

    關(guān)鍵詞：精密沖壓成型機(jī)；20PM；多組電子凸輪；虛擬主軸；CAM曲線偏移；CAM曲線平滑 

1、引言 

    一般普通沖壓成型機(jī)如：沖床，主要是通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)飛輪，傳動(dòng)至偏心曲軸，從而帶動(dòng)沖壓模上下運(yùn)動(dòng)，完成工件沖壓過(guò)程。這種傳統(tǒng)的沖壓方式，上模隨模頭上下運(yùn)動(dòng)，下模固定，一套模具只能生產(chǎn)單一產(chǎn)品，噪音大，調(diào)模時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；本章介紹精密沖壓成型機(jī)上模、母模、浮動(dòng)、送料全部采用伺服驅(qū)動(dòng)，整套模具都是活動(dòng)的，通過(guò)各個(gè)活動(dòng)模的位置關(guān)系同一套模具就可以生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品，設(shè)備調(diào)試時(shí)間短，生產(chǎn)工藝更加靈活，可以滿(mǎn)足客戶(hù)高精度、高效率沖壓精密工件的復(fù)雜要求。 

    臺(tái)達(dá)DVP-20PM00D是一款專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制型PLC，其高速的運(yùn)算處理能力和靈活的電子凸輪功能，可以很好地實(shí)現(xiàn)各活動(dòng)模運(yùn)動(dòng)軌跡控制、邏輯動(dòng)作控制、直線/圓弧插補(bǔ)控制等，解決了傳統(tǒng)沖壓成型機(jī)噪音大、產(chǎn)品單一、調(diào)機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、精度低等問(wèn)題。 

    本文基于臺(tái)達(dá)20PM型號(hào)PLC產(chǎn)品配合臺(tái)達(dá)高性能ASD-A+伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)精密沖壓成型機(jī)的控制，為業(yè)界起到重要的借鑒作用。 

2、系統(tǒng)電氣配置        
   

                            表1  系統(tǒng)電氣配置表 

3  系統(tǒng)控制架構(gòu) 
系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖1所示。 
   

                            圖1 系統(tǒng)控制架構(gòu)圖 

4  系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 
4.1  電子凸輪的實(shí)現(xiàn)方式 
    （1）X/Y/Z軸系統(tǒng)參數(shù)初始化  
    a)工作模式設(shè)定:單位、倍率、脈沖形式、原點(diǎn)回歸方式、坐標(biāo)系，參數(shù)設(shè)置如表2所示。 
X軸：D1816；Y軸：D1896；Z軸：D1976。
      
                            表2  X/Y/Z軸系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)定表  

    b)參數(shù)設(shè)定：馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù)/移動(dòng)距離、最高速度、激活速度、原點(diǎn)回歸速度、原點(diǎn)復(fù)位速度、單段速定位速度；  
    X軸：D1818～D1832；Y軸：D1898～D1912；Z軸：D1976～D1992.  

    （2）凸輪工作模式設(shè)定  
    X軸：D1847；Y軸：D1927；Z軸：D2007. 工作模式設(shè)置如表3所示。
      
                            表3  X/Y軸工作模式設(shè)定表  

    D1847/D1927/D2007的bit11=1,就開(kāi)啟該軸為電子凸輪的從軸。同時(shí)也可以通過(guò)此功能設(shè)定Y/Z從軸是否參與電子凸輪運(yùn)動(dòng)。  

    （3）主軸來(lái)源  
    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；本案采用的虛擬主軸方式，通過(guò)20PM特有功能，無(wú)需配線即可方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)電子凸輪從軸共享一個(gè)虛擬主軸。  
    本案采用虛擬主軸方式。虛軸訊號(hào)可以啟動(dòng)M1909讓第一臺(tái)20PM的Y軸作為虛擬主軸，第一臺(tái)及后續(xù)20PM的X軸執(zhí)行電子凸輪從軸，M1910可以控制從軸是否追隨虛擬主軸。M1909和M1910的相關(guān)連線圖如圖2所示。
      
                            圖2  M1909和M1910的相關(guān)連線圖  

    多個(gè)20PM共享一個(gè)虛擬主軸處理方式，而且無(wú)需擔(dān)心虛擬主軸經(jīng)多個(gè)20PM后通訊延遲和信號(hào)衰減。  
    1#20PM   M1909=1,M1910=0；  
    2#20PM   M1909=0,M1910=1；  
    3#20PM   M1909=0,M1910=1。  

    （4）電子凸輪嚙合  
    實(shí)際上是獲取主從軸之間的關(guān)系（稱(chēng)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。X-Y軸運(yùn)轉(zhuǎn)命令設(shè)置如表4所示。
      
                            表4  X-Y軸運(yùn)轉(zhuǎn)命令設(shè)置表  

    X軸運(yùn)行命令D1846=H2000,電子凸輪嚙合模式激活。如果Y軸也為從軸D1927不需要單獨(dú)設(shè)定。 

4.2  電子凸輪曲線生成  
    a)CAM Chart建立  
    CAM 曲線上主要分為4個(gè)部份分別為主從軸相對(duì)位置、主從軸相對(duì)速度、主從軸相對(duì)加速度、及最下方的數(shù)據(jù)設(shè)定。   

    前三部份用來(lái)顯示使用者所設(shè)定的CAM Data，其中橫軸的部份皆為主軸的位置，縱軸分別為從軸的位置，從軸跟主軸的速度比，從軸跟主軸的加速度比。在數(shù)據(jù)的輸入上 CAM Data 有兩種方法表述：  
    一是采用主從軸的函數(shù)關(guān)系；二是采用兩者的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系。  
    此處采用第二種方式，配合臺(tái)達(dá)觸摸屏強(qiáng)大的配方功能實(shí)現(xiàn)主軸角度、從軸位置的靈活輸入、保存；上位機(jī)參數(shù)設(shè)置圖如圖3所示。
      
                            圖3   上位機(jī)參數(shù)設(shè)置圖  

    b)CAM data動(dòng)態(tài)修改  
    DVP-PM透過(guò) DTO/DFROM 二個(gè)指令動(dòng)態(tài)修改 CAM Data ，使用者可以在程序中依照不同的條件動(dòng)態(tài)修改 CAM Data 形成不同的凸輪曲線。CAM Data 是浮點(diǎn)數(shù)型態(tài)，所以使用動(dòng)態(tài)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)要先使用 DFLT 指令轉(zhuǎn)成二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)。 

4.3  電子凸輪曲線偏移  

    CAM表生成后，主軸從軸位置關(guān)系就確定下來(lái)。根據(jù)工藝要求該電子凸輪起始點(diǎn)并非0點(diǎn)，需偏移到指定角度280度位置開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)各個(gè)從軸位置相距最遠(yuǎn)；因此必須通過(guò)電子凸輪偏移功能，透過(guò)CAM Chart查詢(xún)到偏移角度所對(duì)應(yīng)各個(gè)從軸的位置量，并單段速定位，以確保凸輪嚙合時(shí)候各個(gè)從軸位于偏移位置點(diǎn)。相關(guān)梯形圖如圖4所示。
      
                            圖4  電子凸輪相關(guān)設(shè)置梯形圖  

    a) 電子凸輪曲線偏移功能  
    電子凸輪主軸偏移量：D1863..D1862；起始角度偏移標(biāo)志：M1752。  
    b)  當(dāng)前位置寫(xiě)入使能 
如表5所示：  
   
                            表5 當(dāng)前位置寫(xiě)入使能表  
    c) 從軸位置同步更新  
    X軸：M1750；Y軸：M1830；Z軸：M1990 

4.4  周期電子凸輪停止  

    周期式電子凸輪周期結(jié)束標(biāo)志位M1813,通過(guò)該標(biāo)志位可以計(jì)算電子凸輪周期只執(zhí)行的次數(shù)。其停止方式可以分成兩種：  
    電子凸輪主軸周期停止位置：D1819..D1818；電子凸輪周期停止標(biāo)志：M1841  
    1）  暫停：直接停止主軸，但保持嚙合狀態(tài)；主軸再運(yùn)行時(shí)，各從軸從停止點(diǎn)繼續(xù)按CAM曲線方式運(yùn)行。如圖5所示: 
    
                            圖5  電子凸輪暫停梯形圖  

    2）  周期停止：可以根據(jù)要求指定主軸停止角度，當(dāng)檢測(cè)到周期停止信號(hào)時(shí)，主軸幷不立即停止，而是繼續(xù)運(yùn)行到所設(shè)定主軸角度位置，同時(shí)各從軸也根據(jù)CAM曲線停止在該角度對(duì)應(yīng)位置，電子凸輪仍然保持嚙合。主軸再運(yùn)行時(shí)，各從軸從停止點(diǎn)繼續(xù)按CAM曲線方式運(yùn)行。如圖6所示：
     
                            圖6   電子凸輪周期停止梯形圖 

4.5  電子凸輪曲線平滑  

    采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式生成CAMdata，由于設(shè)定點(diǎn)數(shù)的限制，CAM曲線相對(duì)比較粗糙，伺服馬達(dá)在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的噪音，如果采用伺服P1-08參數(shù)限制，又會(huì)導(dǎo)致命令的延遲或變形，所以必須對(duì)CAM曲線進(jìn)行細(xì)化(最大2048點(diǎn)),以保證速度曲線平滑。如圖7所示：
      
                            圖7  電子凸輪曲線平滑梯形圖  

    （1） B樣條曲線  
    如圖8所示：
      
                            圖8  B樣條曲線圖   

    平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，但不經(jīng)過(guò)原始點(diǎn)，插入的點(diǎn)數(shù)和平滑系數(shù)再高也只能無(wú)限靠近原始點(diǎn)。  

    （2）C樣條曲線  
    如圖9所示：
      
                            圖9  C樣條曲線圖  

    平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，也經(jīng)過(guò)原始點(diǎn)，但會(huì)出現(xiàn)沖現(xiàn)象；  

    （4）CC樣條曲線  
    如圖10所示：
      
                            圖10  CC樣條曲線  

    平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，也經(jīng)過(guò)原始點(diǎn)，無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象；  

    （5）擺線Cycloid    
    如圖11所示： 
     
                            圖11  擺線Cycloid  曲線  

    平滑結(jié)果：速度、加速度平滑，也經(jīng)過(guò)原始點(diǎn)，無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象；從軸以設(shè)定最大速度做區(qū)間定位。 
5 結(jié)語(yǔ)  

    目前該設(shè)備已經(jīng)投入使用，生產(chǎn)效率及重復(fù)定位精度均滿(mǎn)足客戶(hù)要求，并已申請(qǐng)專(zhuān)利。臺(tái)達(dá)20PM運(yùn)動(dòng)型PLC靈活的電子凸輪功能：CAM曲線自動(dòng)生成、動(dòng)態(tài)修改、偏移、平滑等為精密成型機(jī)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)單個(gè)虛擬主軸多個(gè)從軸運(yùn)動(dòng)方式為多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制提供了新的解決方案。可推廣應(yīng)用于機(jī)械手搬運(yùn)填充、噴涂等多軸運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。 

【參考文獻(xiàn)】 
[1] 臺(tái)達(dá)全系列可編程序控制器  臺(tái)達(dá)內(nèi)部資料  2008 
[2] 郭宗仁等. 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 人民郵電出版社，2002 
[3] 宋伯生.可編程序控制器.中國(guó)勞動(dòng)出版社， 1993.