台达A2系列伺服在精密药液灌装生产线上应用设计

［摘要］：本文以药品水针剂生产灌装生产线高精度同步灌装工艺为案例，详述了如何利用台达A2伺服独有的电子凸轮功能配合全新pr运动控制模式，仅以外置编码器作为命令来源，即可实现液体灌装速度和送瓶速度实时保持高精度同步。同时利用伺服By-pass功能，无需昂贵的运动控制器的参与，实现一主多从多轴伺服同步控制方案，实际运行证明：系统稳定可靠，性价比高，值得推广。
［关键词］：高解析智能伺服 同步灌装 电子凸轮 新PR模式 CAPTURE资料抓取 By-PASS一主多从
　　
1. 引言
       当前随着制药企业“GMP”新标准认证制度的实施，为制药企业对制药装备提出了更高的目标和要求。同样为制药装备厂家提供了前所未有的发展机遇和市场空间，但是传统的制药机械机械结构已经和控制方案存在控制精度差、设备故障率高等问题，这明显已经不能满足现有的制药行业发展的需求。新一代的基于伺服装置控制的制药机械将可以提供更高精度的，更高自动化程度的制程工艺，以满足市场新的要求。
        本文基于台达A2伺服独有的电子凸轮功能配合全新pr运动控制模式，针对药品水针剂生产灌装生产线高精度同步灌装工艺工程，实现了一套高性价比的主从多轴伺服同步控制方案。
2 机械设计和工艺要求
2.1 机械结构设计
　　灌装同步生产线，主要分为送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分构成，如图1所示。

　　早期药机同步灌装，送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分动力来源均为送瓶拖链电机输出。多是以机械凸轮通过多级机械传动，带动两个实体凸轮机构来实现同步。实体的凸轮加工需要高精密的CNC加工中心才能生产，生产成本较高，而且调试和安装起来非常麻烦，并且随着使用时间增加，机械的磨损会影响到同步灌装的精度，后期维护费用很高，产品换型困难。
　　台达A2系列伺服电子凸轮功能就是针对上述问题而开发的智能型伺服系统。
　　伺服灌装同步生产线，仍然分为送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分构成，只是在机械结构上，摒弃了传统的机械凸轮连接，取而代之的是两颗高精度伺服系统，通过精密丝杆分别控制水平跟踪轴（X轴）和垂直跟踪轴（Y轴）的位移。其伺服系统的命令来源均为安装在送瓶拖链上的高解析度编码器提供。控制架构如图2所示。

其详细机械数据如下：
? 主编码器分辨率为2000p/r，凸轮一周，编码器旋转2圈，采集脉冲数量16000ppr，5v差动信号。
? 主电机由变频器控制工作频率在0~50hz。
? X/Y滑台丝杆的螺距为10mm，X/Y伺服编码器分辨率通过电子齿轮比功能设定为100000ppu。
? X轴同步的区域长度为A~B=240mm。Y轴插入的距离为40mm。
2.2 工艺要求
A、精度要求：
　　（1）灌装喷嘴直径为2mm，药瓶口直径为6.5mm，无论何种速度。喷嘴和瓶口不能接触
　　（2）要求伺服在同一灌装速度下，定位精度在0.5mm内。
　　（3）不论主动轴变频器速度在0~50HZ内任意变换，伺服的加减速都可以保证完全同步，偏移量不得大于1mm。
　　（4）伺服可以在变频器10HZ低速运行时，也能保证好的同步效果。
B、同步灌装动作要求：
　　（1）X轴水平轴跟踪伺服，驱动灌装喷嘴前后运动。灌装过程分为同步区间和高速返回区间。其中同步区间速度和送料拖链速度保持一致。在同步区域内，Y轴才可以插针到瓶内。同步区结束后X轴高速返回到原点，等待插入下一组药瓶。
? （2）Y轴垂直轴提升伺服，驱动灌装喷嘴上下运动，灌装过程分为快速插入和慢速返回区间。快速插入时的距离为40mm。并要求在瓶底停留一段时间。然后慢速提升，提升速度和灌装系统流量相关，任何情况下不允许针管接触到灌装液面。
? （3）在灌装过程时，不论在快速插入瓶口和返回区间Y轴始终和主动轴的编码器命令同步对应，同样伺服马达的速度和药瓶的输送速度保持一致，即为同步灌装要点！
3  台达高精度灌装控制方案
3.1 方案配置
本方案配置ASD-A2- 0421－－B 控制器2台。
　　台达A2系列高解析智能伺服是台达电子凭借多年的伺服研发经验于2009年推出的新一代的伺服系统，其设计引入了欧系高端伺服智能化的理念和控制架构。大幅提升了产品的性能和应用价值，产品主要特点如下：
　　（1）20bit高解析编码器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。
　　（2）内含64组PR运动路径编辑功能，电子凸轮功能。无需高阶控制系统，就可实现复杂的运动控制和凸轮同步功能，
　　（3）内含伺服By-pass功能，可以实现命令信号逐级传递不衰减，轻松构造一主多从的控制架构。
　　（4）高响应和共振抑制可以满足各类机械环境。
3.2 方案实施
　　综合上述的分析，但A2智能伺服就完全可以实现的同步灌装运动控制要求。以下将针对同步灌装的主要工艺要求对方案可行性逐一进行分析。
3.2.1动作分析与PR路径规划
同步灌装动作流程如图3所示：

图3  同步灌装动作流程
下面以X水平跟踪伺服为例说明，动作要求如下和PR路径规划如下：
A. X轴回归机械原点
? PR#00 回机械原点。开机X轴回归到机械原点。。
? PR#01 回到原点,确保伺服因紧急情况脱离后，再次执行时处于X轴原点。
参数设定图如图4所示：

　　CAPTURE 的概念是利用外部的触发信号DI7，达到瞬间抓取运动轴的位置资料，并存放到资料阵列中，作为后续运动控制使用.
　　需要特别说明的是，当伺服使用CAPTURE资料抓取功能时，伺服系统将强制关闭原有DI 功能规划，将DI7强制为CAPTURE。故在CAP功能开启后，DI7只能使用在CAPTURE，因为这个信号经过硬体特殊处理为高速处理I/O,响应时间为3μ秒
? PR#02  写参数P5-39=0 关闭CAPTURE功能，防止误动作。
? PR#03  写参数5-38=1 ，只啮合一次，保证在同步区间不会出现干扰信号。
? PR#4  写参数5-39=0XF021，启动CAP资料抓取功能 。
C. 电子凸轮功能设置。
　　等待CAPTURE资料抓取信号，由安装在主动轴上的接近开关信号，触发A2伺服Capture和E-CAM功能，来实现电子凸轮啮合。
? PR#5  写参数5-88=0XF2220，关闭电子凸轮功能。
? PR#6  写参数5-88=0XF2221，开启电子凸轮功能。
　　参数规划如下：
　　X凸轮控制=1      启动电子凸轮。
　　Y凸轮命令来源=2  PULSE命令。
　　Z凸轮啮合时机=2  CAPTURE任一点动作。
　　U凸轮脱离时机=2  主轴抓取脉冲数>5-89设定后脱离。
　　当伺服DI7 CAPTURE检测到ON上升沿信号时，凸轮就会啮合，伺服电机根据A2预先编辑好的凸轮曲线轨迹，按照送瓶伺服主动轴编码器脉冲指令运动。
　　当进入到设定同步区输出同步范围后，X轴D0CAM-AREA信号ON，控制提升轴伺服Y轴凸轮啮合。
　　当伺服抓取数值通过比较等于主轴凸轮脉冲P5-89的值时，伺服马达立刻脱离电子凸轮，追随结束。
D. 凸轮分离，伺服电机高速返回。
　　伺服马达反转，高速返回起始原点，等待下一次触发信号的到来。该阶段为伺服自身的PR模式控制，返回时的速度和加减速规划，由A2伺服的PR模式实现和完成。
　　PR#15  绝对定位，高速返回到原点
　　PR#16   跳转指令，跳回到PR#02。当流程结束，返回到PR#02，等待下一次啮合信号到来。
　　对于垂直提升轴Y轴，除返回时，因返回起始原点速度也由凸轮曲线规划，所以除了没有PR规划没有PR#15，其他情况和水平X跟踪轴相同，对此不再复述。
　　使用A2资讯软体，用户可以方便的规划伺服的运动路径，新型的PR路径编辑器不但支持跳转、插断、叠加等运动逻辑处理，还支持参数读写等丰富功能。
3.2.2 电子凸轮曲线规划
A、水平跟踪X轴凸轮曲线规划
　　对于水平跟踪X轴而言，主要保证速度上和主动轴编码器速度追随，追求的是速度保持主动轴一致。建造凸轮表格和曲线方法如下：
步骤1,选择软体