【摘要】此案例詳述台达伺服系统应用于玻璃生产线高精度追剪切割工艺，其电子凸轮功能配合伺服电机PR运动控制模式，实现玻璃连续不停机输送过程中的定长切割，提供「一主多从」飞剪伺服控制解决方案。

[Abstract] This solution applies Delta AC Servo System for high precision flying shear and cutting technique of glass production line. With its electronic cam and PR movement control mode, Delta’s AC Servo System realizes the fixed-length cutting in the continuously non-stop glass delivery and a flying shear servo control solution of “one leader with multi-followers.”

【关键字】电子凸轮 追剪功能 PR模式 CAPTURE资料抓取

[Key words] Electronic cams, flying shear, PR mode, data capture

前言

建筑玻璃主要以平板玻璃为主，已经被广泛的应用在人们日常生活中。根据不同规格，生产线浇注出的玻璃，在输送线上被分割成指定长度的单块玻璃，以利于运输和安装。

本案例利用台达伺服独有的电子凸轮功能，应用于玻璃生产线高精度追剪切割工艺，配合伺服电机PR运动控制模式，仅以输送伺服编码器作为命令来源，即可实现在玻璃连续不停机输送过程中的定长切割。同时，利用伺服系统中的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」飞剪伺服控制解决方案。

一、 机械设计和工艺要求

1. 伺服追剪同步生产线机械结构

玻璃后续生产线，主要分为玻璃输送链、水平切割轴和气动垂直轴3部分构成，如图1所示。

图1 玻璃后续生产线

早期的玻璃切割，多以PLC作为控制器，其运作过程是将输送链的伺服马达编码器信号采集进入PLC，然后利用脉冲方式控制水平伺服马达的运动和气动回路动作实现切割。若采用进口国外产线，则多使用运动控制器实现飞剪技术。前者往往受到PLC扫描周期的影响，其切割精度和效率较低；后者的采购和维护成本较高。采取台达解决方案前，客户皆使用上述两种方案：首先由进口产线分割成较小尺寸玻璃的长度，再经过3个缓冲区域，并利用输送伺服轴订定长尺寸，再分段切割的老旧产线。随着前端熔炉玻璃产能的提升，此二方案已不能满足生产需求，因此客户提出连续不间断切割的改造要求。

2.伺服控制架构

台达交流伺服系统ASDA-A2系列的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。

伺服追剪同步生产线，仍分为玻璃输送链轴、水平切割轴和气动垂直轴3部分构成，但是在控制架构上，摒弃了传统的PLC脉冲控制，取而代之的是伺服系统直接控制，其命令来源均为安装在输送拖链上的高分辨率编码器提供。控制架构如图2所示。

图2 伺服控制架构图

（1）详细机械数据如下：

①　输送编码器分辨率为1280000p/r，PG分周比定义为1000PUU；

②　追剪伺服凸轮一周，编码器旋转40圈，采集脉冲数量40000ppr；

③　追剪轴同步的区域长度为10000mm。

（2）工艺要求：

①　精度要求：

切割玻璃尺寸精度在3mm以内；在同一切割速度下，伺服定位精度在2mm内。当输送轴伺服速度在0~1500rpm内任意变换时，追剪伺服的加减速需完全同步，且偏移量不得大于2mm；当伺服在低速运行时，也能保证良好的同步效果。

②　同步切割动作要求：

    利用7.5kw伺服驱动器，以速度控制方式驱动玻璃输送线。跟踪伺服驱动追剪砂轮机构前后运动，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需保持一致，追剪机构才能控制垂直快速气缸下降到玻璃表面。而后，追剪高速返回到原点，等待插入下一次切割触发信号。切割过程中，追剪伺服马达的速度和玻璃的输送速度保持一致，即为同步追剪要点。

二、台达高精度追剪控制方案

1. 方案配置

台达交流伺服系统ASDA-A2系列是台达凭借多年的伺服研发经验，于2009年推出的新一代的高分辨率智能伺服系统，其设计引入高端伺服智能化的理念和控制架构，大幅提升产品的性能和应用价值。该项目方案采用ASD-A2-7523-M 伺服驱动器1台，ASD-A2-1521-M 伺服驱动器1台。产品主要特点如下：

(1) 20bit高分辨率编码器，可提供1280000ppr高定位精度。

(2) 内含64组PR运动路径编辑功能与电子凸轮功能。无需高阶控制系统，即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，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满足各类机械环境。

2.方案的制定和实施

综合上述分析，ASDA-A2系列智能伺服追剪功能完全可以实现同步追剪的运动控制要求。以下针对同步追剪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

同步追剪动作流程如图3所示，下面以水平追剪伺服为例说明，动作要求和PR路径规划如下：

图3 同步追剪动作流程图

 追剪轴回归机械原点

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，再次执行时回归X轴原点。操作界面如图4.

图4 追剪轴回归机械原点

‚ 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，并存放至资料阵列中，作为后续运动控制使用。

此外，当伺服驱动器使用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转为CAPTURE。因此，在CAP功能开启后，DI7只能使用于CAPTURE，此信号经过硬体特殊处理为高速处理I/O,响应时间为3μs。

    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 。

ƒ 电子凸轮功能设置

等待CAPTURE资料抓取信号，由安装在输送轴上的光电开关信号检测第一片玻璃的上升沿，触发ASDA-A2系列CAPTURE和E-CAM功能，来实现第一片电子凸轮啮合。

    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=4 主轴抓取脉冲数>5-89设定后脱离。

当伺服驱动器的DI7 CAPTURE检测到ON上升沿信号时，凸轮就会啮合，伺服电机便根据ASDA-A2系列预先编辑好的凸轮曲线轨迹，按照输送伺服主动轴编码器脉冲指令运动。

当伺服驱动器抓取较接近主轴凸轮脉冲P5-89的值时，伺服马达立刻脱离电子凸轮，结束追随功能。

④ 凸轮分离，伺服电机高速返回机构原点

伺服马达反转并高速返回起始原点，等待下一次触发信号的到来。该阶段利用ASDA-A2系列内建的PR模式控制，完成返回时的速度和加减速规划。

    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。

ASDA-A2系列资讯软体能方便用户规划伺服系统的运动路径；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

 追剪轴凸轮曲线规划

追剪轴需保持与主动轴编码器一致的速度追随。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，如图5；

图5 建表方法示意

    步骤3，根据实际情况设定实体机械尺寸。在建造凸轮曲线时，系统会参考这些资料，因此所填信息务必准确，即主动轴与从动轴移动1mm时所需的脉波数及PUU，如图6所示。

图6 机械尺寸设定示意

步骤4，规划和建造凸轮曲线。如图7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，需考虑电机的实际惯量是否符合所设定的加减速曲线。此外，曲线建立与规划需尽可能保持较长的“等速区”，因为只有在此段区域才能实现同步追剪。同时，要有一定的停止区，否则会造成曲线无法回到原点。

图7 建造凸轮曲线示意

当完成设定上述数据后，系统即产生表格和曲线，如图8所示：

图8 凸轮表格和曲线生成图

图中的虚线为模拟器产生的主动轴速度曲线，实线则为追剪跟踪轴的速度曲线。当移动光标，使用者可在软体上清楚地观察到主动轴模拟速度（即输送伺服）和从动轴速度（即跟踪轴）。

 同步追剪曲线修正虚线和实线重合的区域为追剪同步等速区。使用者可通过调整合理的加减速规划，确保最大化的等速区域，以满足生产线的追剪速度，此为同步追剪的工艺要点之一。

当模拟器产生的主动轴速度曲线和跟踪轴的速度曲线不一致时，使用者可通过修正“导程”，或点击“下一步”修正“主轴脉冲数5-84”，以维持两轴的速度接近一致，并保证同步的稳定性和精度！

凸轮曲线和参数设定完成后需下载并烧录至ASDA-A2系列驱动器中，避免掉电后，凸轮曲线不被保存。

（3）电子凸轮脱离后的再次啮合

伺服马达在完成一个凸轮周期后，以PR模式回到原点，等待下次啮合命令。但是只有在第一片玻璃才能检测玻璃的上升沿送出DI7信号，后续的玻璃，由于是连续的，无法送出第二次啮合信号，此时可利用5-92凸轮前置功能处理。

5-92参数为配合P5-88, U=4（啮合超出指定长度则脱离）之选项：即凸轮由啮合状态脱离后，不进入停止状态，直接进入前置状态，前置量由本参数指定即为玻璃的切割长度。

主动轴(Master)发送的脉波数若超过本参数设定值，凸轮就会再次啮合。

三、其他因素对追剪精度的影响

在实际调试时，发现以下问题能影响追剪精度及方案结果：

1.输送伺服的编码器精度

早期的机构设计是通过外部的编码器采集输送轮信号，再通过PLC发脉冲控制输送和追剪伺服驱动系统的速度实现同步。起初本方案也采用了外部编码器信号作为主动轴信号，但是发现由于玻璃的光滑表面和脉冲干扰，很容易在一个凸轮周期里面产生很大的计数偏差。

解决方法：直接采集输送轴伺服PG信号做主动轴信号，其精度更高、差动输出抗干扰能力更强。

2. Capture同步命令信号

这个信号由安装在主动轴上的光电开关信号DI7，触发ASDA-A2系列Capture和E-CAM功能，实现电子凸轮啮合，此信号响应时间和信号发出的一致性将影响从动轴的同步效果。

解决办法：使用高响应的光电开关或确保遮幕的有效距离相等。

结束语

该案例为台达伺服驱动系统电子凸轮功能的一个典型应用。目前ASDA-A2系列除电子凸轮功能外，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，透过不断深入市场，台达可满足不同应用场合和控制需求，为客户实现更稳定、高性价比的伺服运动控制方案。

作者简介：

张广伟 男 1976年， 毕业于洛阳拖学院， 现任，台达集团-中达电通股份有限公司运动控制产品处资深应用工程师，从事运动控制器和伺服产品的营销应用和技术支持。