台达20PM在精密冲压成型机上的应用

摘要: 本文主要介绍精密冲压成型机的生产工艺，及通过台达运动型控制器20PM电子凸轮功能配合台达高性能ASD-A+伺服驱动器的实现方式。
关键词：精密冲压成型机；20PM；多组电子凸轮；虚拟主轴；CAM曲线偏移；CAM曲线平滑
1 引言
一般普通冲压成型机如：冲床，主要是通过马达带动飞轮，传动至偏心曲轴，从而带动冲压模上下运动，完成工件冲压过程。这种传统的冲压方式，上模随模头上下运动，下模固定，一套模具只能生产单一产品，噪音大，调模时间长，生产效率低；本章介绍精密冲压成型机上模、母模、浮动、送料全部采用伺服驱动，整套模具都是活动的，通过各个活动模的位置关系同一套模具就可以生产不同规格的产品，设备调试时间短，生产工艺更加灵活，可以满足客户高精度、高效率冲压精密工件的复杂要求。
台达DVP-20PM00D是一款专用运动控制型PLC，其高速的运算处理能力和灵活的电子凸轮功能，可以很好地实现各活动模运动轨迹控制、逻辑动作控制、直线/圆弧插补控制等，解决了传统冲压成型机噪音大、产品单一、调机时间长、精度低等问题。
本文基于台达20PM型号PLC产品配合台达高性能ASD-A+伺服驱动器来实现精密冲压成型机的控制，为业界起到重要的借鉴作用。
2 系统电气配置
系统电气配置表如表1所示。
表1 系统电气配置表

3 系统控制架构
系统控制架构如图1所示。

图1 系统控制架构图
4 系统功能实现
4.1 电子凸轮的实现方式
（1）X/Y/Z轴系统参数初始化
a)工作模式设定:单位、倍率、脉冲形式、原点回归方式、坐标系，参数设置如表2所示。
X轴：D1816；Y轴：D1896；Z轴：D1976。
表2 X/Y/Z轴系统初始化参数设定表

b)参数设定：马达运转一圈脉冲数/移动距离、最高速度、激活速度、原点回归速度、原点复位速度、单段速定位速度；
X轴：D1818～D1832；Y轴：D1898～D1912；Z轴：D1976～D1992.
（2）凸轮工作模式设定
X轴：D1847；Y轴：D1927；Z轴：D2007. 工作模式设置如表3所示。
表3 X/Y轴工作模式设定表

D1847/D1927/D2007的bit11=1,就开启该轴为电子凸轮的从轴。同时也可以通过此功能设定Y/Z从轴是否参与电子凸轮运动。
（3）主轴来源
获取主轴位置有多种方法：一是采用虚拟轴，计算简单准确；二是从主轴编码器或伺服脉冲获取，将主轴编码器信号进行处理；三是从测量编码器获取。获得编码器信号之后，将其换算成主轴位置；本案采用的虚拟主轴方式，通过20PM特有功能，无需配线即可方便实现多个电子凸轮从轴共享一个虚拟主轴。
本案采用虚拟主轴方式。虚轴讯号可以启动M1909让第一台20PM的Y轴作为虚拟主轴，第一台及后续20PM的X轴执行电子凸轮从轴，M1910可以控制从轴是否追随虚拟主轴。M1909和M1910的相关连线图如图2所示。

图2 M1909和M1910的相关连线图
多个20PM共享一个虚拟主轴处理方式，而且无需担心虚拟主轴经多个20PM后通讯延迟和信号衰减。
1#20PM M1909=1,M1910=0；
2#20PM M1909=0,M1910=1；
3#20PM M1909=0,M1910=1。
（4）电子凸轮啮合
实际上是获取主从轴之间的关系（称之为cam table）。cam table有两种方法表述：一是采用X、Y的点对点关系；二是采用两者的函数关系。X-Y轴运转命令设置如表4所示。
表4 X-Y轴运转命令设置表

X轴运行命令D1846=H2000,电子凸轮啮合模式激活。如果Y轴也为从轴D1927不需要单独设定。
4.2 电子凸轮曲线生成
a)CAM Chart建立
CAM 曲线上主要分为4个部份分别为主从轴相对位置、主从轴相对速度、主从轴相对加速度、及最下方的数据设定。
前三部份用来显示使用者所设定的CAM Data，其中横轴的部份皆为主轴的位置，纵轴分别为从轴的位置，从轴跟主轴的速度比，从轴跟主轴的加速度比。在数据的输入上 CAM Data 有两种方法表述：
一是采用主从轴的函数关系；二是采用两者的点对点关系。
此处采用第二种方式，配合台达触摸屏强大的配方功能实现主轴角度、从轴位置的灵活输入、保存；上位机参数设置图如图3所示。

图3 上位机参数设置图
b)CAM data动态修改
DVP-PM透过 DTO/DFROM 二个指令动态修改 CAM Data ，使用者可以在程序中依照不同的条件动态修改 CAM Data 形成不同的凸轮曲线。CAM Data 是浮点数型态，所以使用动态写入的数据要先使用 DFLT 指令转成二进制浮点数。
4.3 电子凸轮曲线偏移
CAM表生成后，主轴从轴位置关系就确定下来。根据工艺要求该电子凸轮起始点并非0点，需偏移到指定角度280度位置开始运行，此时各个从轴位置相距最远；因此必须通过电子凸轮偏移功能，透过CAM Chart查询到偏移角度所对应各个从轴的位置量，并单段速定位，以确保凸轮啮合时候各个从轴位于偏移位置点。相关梯形图如图4所示。

图4 电子凸轮相关设置梯形图
a) 电子凸轮曲线偏移功能
电子凸轮主轴偏移量：D1863..D1862；起始角度偏移标志：M1752。
b) 当前位置写入使能
如表5所示：
表5 当前位置写入使能表

c) 从轴位置同步更新
X轴：M1750；Y轴：M1830；Z轴：M1990
4.4 周期电子凸轮停止
周期式电子凸轮周期结束标志位M1813,通过该标志位可以计算电子凸轮周期只执行的次数。其停止方式可以分成两种：
电子凸轮主轴周期停止位置：D1819..D1818；电子凸轮周期停止标志：M1841
1） 暂停：直接停止主轴，但保持啮合状态；主轴再运行时，各从轴从停止点继续按CAM曲线方式运行。如图5所示：

图5 电子凸轮暂停梯形图
2） 周期停止：可以根据要求指定主轴停止角度，当检测到周期停止信号时，主轴幷不立即停止，而是继续运行到所设定主轴角度位置，同时各从轴也根据CAM曲线停止在该角度对应位置，电子凸轮仍然保持啮合。主轴再运行时，各从轴从停止点继续按CAM曲线方式运行。如图6所示：

图6 电子凸轮周期停止梯形图
4.5 电子凸轮曲线平滑
采用点对点方式生成CAMdata，由于设定点数的限制，CAM曲线相对比较粗糙，伺服马达在运行的过程中会出现明显的噪音，如果采用伺服P1-08参数限制，又会导致命令的延迟或变形，所以必须对CAM曲线进行细化(最大2048点),以保证速度曲线平滑。如图7所示：

图7 电子凸轮曲线平滑梯形图
（1） B样条曲线
如图8所示：

图8 B样条曲线图
平滑结果：速度、加速度平滑，但不经过原始点，插入的点数和平滑系数再高也只能无限靠近原始点。
（2） C样条曲线
如图9所示：

图9 C样条曲线图
平滑结果：速度、加速度平滑，也经过原始点，但会出现冲现象；
（4）CC样条曲线
如图10所示：

图10 CC样条曲线
平滑结果：速度、加速度平滑，也经过原始点，无过冲现象；
（5） 摆线Cycloid
如图11所示：

图11 摆线Cycloid 曲线
平滑结果：速度、加速度平滑，也经过原始点，无过冲现象；从轴以设定最大速度做区间定位。
5 结语
目前该设备已经投入使用，生产效率及重复定位精度均满足客户要求，并已申请专利。台达20PM运动型PLC灵活的电子凸轮功能：CAM曲线自动生成、动态修改、偏移、平滑等为精密成型机提供了良好的技术基础，同时单个虚拟主轴多个从轴运动方式为多轴协调运动控制提供了新的解决方案。可推广应用于机械手搬运填充、喷涂等多轴运动场合。
【参考文献】
[1] 台达全系列可编程序控制器 台达内部资料 2008
[2] 郭宗仁等. 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术. 人民邮电出版社，2002
[3] 宋伯生.可编程序控制器.中国劳动出版社， 1993.