台达A2系列伺服在精密药液灌装生产线上成功应用

摘  要：介绍基于台达智能型伺服系统的高精度灌装控制方案。对于药品液体灌装生产线的高精度同步灌装工艺，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，实现了液体灌装速度和送瓶速度实时保持高精度同步。
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
       今天，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已经不能满足现有的制药行业发展的需求，新一代的制药机械将可以提供更高精度的，更高自动化程度的控制工艺，来不断迎接市场的挑战！
      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，即可实现高性价比的一主多从多轴伺服同步控制控制方案。

2. 机械设计和工艺要求
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，如下图所示。

       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。控制架构如下图所示：

? 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) 工艺要求：
? 精度要求：
? 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！
? 要求伺服在同一灌装速度下，定位精度在0.5mm内。
? 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。
? 伺服可以在变频器10HZ低速运行时，也能保证好的同步效果。
? 同步灌装动作要求：
? 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。
? 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。
? 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
方案配置：
? ASD-A2- 0421－－B 控制器X2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：
? 20bit高解析编码器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。
? 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，
? 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。
? 高响应和共振抑制可以满足各类机械环境。
4. 方案的制定和实施
      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。
1) 动作分析与PR路径规划
同步灌装动作流程如下图所示：
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。

B. 开启CAPTURE资料抓取功能。
       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。
2) 电子凸轮曲线规划
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,选择软体功能E-CAM电子凸轮功能
? 步骤2  ,建表方法：选择速度区域建表

? 步骤3，根据实际情况设定实体机械尺寸
      送瓶主动轴同步距离为240mm，编码器产生1600pulse，因此主轴脉冲数=66.6666666666Pulse/mm，水平跟踪X轴，伺服编码器设定10万脉冲当量，丝杆螺距为10mm，所以从动轴脉冲数设定为1000 PUU/mm，此为模拟信息，当在建造凸轮曲线时，系统会参考到这些资料，所以这些信息务必要准确，即主动轴与从动轴移动1mm时所需的脉波数及PUU，如下图。

步骤4，规划和建造凸轮曲线

      如上图中标示，设定＂等待区“、＂加速区“、＂等速区“、＂减速区“、＂停止区“等曲线运转区域，其中加减速区的设定，需考虑到电机的实际惯量是否能够依此设定的加减速曲线而工作。此外，曲线建立的要点是，曲线的规划的过程之中，尽可能的保持较长的＂等速区“，因为只有在此段区域才能实现同步灌装。同时，要有一定的停止区，否则有时会造成曲线无法回到原点。
凸轮的导程是指凸轮包含加减速距离在内的位移距离，我们设定为240mm=2400000puu单位。
当上述数据完成后，系统就可以产生表格和曲线，如下图所示：

        其中虚线为模拟器产生的主动轴速度曲线，实线为X水平跟踪轴的速度曲线。当移动光标，使用者就可以在软体上清楚地观察到主动轴模拟速度（即，送瓶伺服的速度）和从动轴速度（即XX水平跟踪轴）。
       虚线和实线重合的区域就是可以灌装的同步等速区。使用者可以通过调整合理的加减速规划，来保证最大化的等速区域，用以满足大剂量药瓶的灌装速度。这是同步灌装的工艺要点之一！
       当模拟器产生的主动轴速度曲线和X水平跟踪轴的速度曲线不一致时，使用者可以通过修正“导程”，或者点击“下一步”修正“主轴脉冲数5-84”，来保证两轴的速度曲线尽最大可能的保持接近。只有这样才能保证同步的稳定性和精度！
凸轮曲线和参数设定完成后要记得下载并烧录到A2驱动器中，否则掉电凸轮曲线不会被保存。
垂直跟踪Y轴凸轮曲线规划
对于垂直跟踪Y轴而言，是比较有意思的，因为Y轴工艺要求Y轴最终要保证针头插入瓶口的有效距离为40mm，追求的位置控制！建表方法如下：
? 步骤1，选择软体功能E-CAM电子凸轮功能。
? 步骤2，选择手动建表功能。
? 步骤3，将曲线规划为20等分，凸轮360°对应Y轴21笔位置资料，做出凸轮位移曲线，如下图：

      对于上述凸轮曲线，可以看到喷嘴的下行和返回行程都规划在曲线内，其Y轴的提升速度可以随着主动轴的速度同步变化。此外，对于Y轴提升伺服加减速的处理，在不影响最终位置的前提下，可以适当修改表格中加速和减速区域的数值，使速度曲线平滑！
3) 凸轮区间设定和DO:CAM_AREA功能说明
     伺服系统DO规划：CAM_AREA也是A2非常实用的功能之一，他的主要目的就是可以在凸轮曲线上设定2组P5-90~P5-91参数，当凸轮曲线运行到这段范围后，DO：CAM_AREA就会至ON。
     垂直跟踪 Y轴的CAPTURE信号DI7就是接到水平跟踪X轴的D02:CAM_AREA信号触发凸轮啮合的，喷嘴输液泵的开启也是通过Y轴的D02:CAM_AREA信号来控制的。因为只有水平跟踪X轴和送瓶主动轴同步后，垂直跟踪Y轴才能下降，将喷嘴插入瓶口。   
    而只有喷嘴插入40mm，并停留一定时间，垂直跟踪Y轴
在稳定提升时，喷嘴输液泵才可以开启，如下图描述：
4) By-pass和一主多从的控制方式的说明
       By-pass命令传递功能是A2智能伺服的另一大功能特色，利用By-pass功能，主动轴编码器信号（脉冲命令信号）输入到其他从动轴CN1,依次串接多颗伺服。即一主轴指挥多从轴同动。
       在从轴上，信号传递每级的延迟为50ns，但不会有信号衰减的问题。方案中，垂直跟踪Y轴的命令来源就是通过水平跟踪X轴BY-PASS功能实现的！ 利用此功能最大可以串接16台伺服驱动器，而不会产生信号衰减问题。

5. 其他因素对灌装精度的影响
      对于下述问题是一个十分有必要讨论的问题，我们在实际调试时发现以下问题对于灌装精度起影响作用，甚至有时左右到方案的结果。
1) 编码器的精度和安装方式
主动轴编码器输入的脉冲数量，编码器联轴节安装不同心，变形引起的脉冲指令突变。
       解决的方法是：
A. 更改编码器联轴节安装方式。
B. 更换更高精度的编码器
C. 检查主动轴变频器速度输出是否稳定。
2)    Capture同步命令信号
这个信号由安装在主动轴上的接近开关信号DI7，触发A2伺服Capture和E-CAM功能，来实现电子凸轮啮合。因此这个信号响应时间和信号发出的一致性将从动轴的影响同步效果。
解决
A. 使用高响应的光电开关。
B. 保证遮幕有效距离相等。
6. 结束语
      本案只是A2高解析智能伺服电子凸轮功能的一个典型应用。目前A2系列伺服除电子凸轮功能外，其他系列机型还包含有CAN-OPEN总线机型，全闭环机型，以及扩展I/O机型，可以满足不同应用场合和控制需求，相信随着市场的不断深入，我们可以为客户实现更稳定、高性价比的伺服运动控制控制方案。