20pm運動控制器電子凸輪功能在高速繞線機的應(yīng)用

1、臺達 20PM 運動控制器電子凸能在高速繞線機的應(yīng)用摘 要：介紹臺達 DVP-20PM00D 運動控制器電子凸輪（CAM）功能，闡述高速繞線機工作原理、工藝要求及相關(guān)控制程式概要。：運動控制器，電子凸輪，伺服控制，繞制主軸，排線從軸，CAM Table，高速脈沖。一、前言本文介紹的是全自動無骨架系列高速繞線機，可以繞制不同規(guī)格的空心線圈，如：傳動線圈，揚聲器線圈，天線線圈以及各種無骨架通用線圈。設(shè)備具有性能可靠，高速高效率，自動化程度高，適合于線圈的大批量生產(chǎn)。繞制各種線圈如下圖：一般普通繞線機采用內(nèi)置脈沖功能的小型 PLC，通過繞線軸編速度輸出到 PLC 內(nèi)置高速輸入點，將繞線軸與排線軸的速

2、比進行簡單速度同步，這種方法受 PLC 運算影響，同步精度差，計算量大，CPU 處理時間較長，因此會出現(xiàn)繞線不均勻，堆積，塌陷等問題，嚴重影響繞線成品的質(zhì)量，舉例來說，PLC 對繞線軸編作高速計數(shù)，當?shù)竭_計數(shù)值時利用中斷方式控制排線軸電機反向繞制，但受 CPU 運算處理時間的影響會出現(xiàn)滯后產(chǎn)生誤差，在低速的情況下尚可基本達到繞制要求，但是對于高速繞制多層線圈時就會出現(xiàn)線圈端面不齊整，成品品質(zhì)下降。臺達DVP-20PM00D 是一款運動控制型 PLC，采用高速雙 CPU 結(jié)構(gòu)形式，利用獨立 CPU處理運動控制算法，可以很好地實現(xiàn)各種運動軌跡控制、邏輯動作控制，直線/圓弧插補控制等，在高速繞線機中

3、正是利用了 20PM 運動控制器的電子凸在換向時出現(xiàn)的繞制不均勻、堆積、不平整等問題。能很好的解決了上述繞線機架機架由角鋼框架及不銹鋼臺面組成，并設(shè)置腳輪便于移動，當設(shè)備到位后可將支腳調(diào)低作為穩(wěn)定支撐。張力機構(gòu)安裝于進線部分，作為繞線張力調(diào)節(jié)，保證線圈繞制時維持張力恒定，張力調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)旋鈕可針對不同需求進行張力調(diào)節(jié)設(shè)定，調(diào)整完畢后，張力調(diào)節(jié)器自動控制繞線張力。繞線機構(gòu)主要由臺達 B 系列 200W 伺服電機、同步齒形帶、繞線飛叉組成，是電子凸輪運動中的繞制主軸，銅線經(jīng)過飛叉旋轉(zhuǎn)繞制于繞線模頭上，是繞線機主要運動部件之一。排線機構(gòu)包括臺達 B 系列 100W 伺服電機、精密直線螺桿、精密導(dǎo)軌

4、、氣動滑叉等，是電子凸輪運動中的排線從軸，在繞線運動中跟隨繞線主軸正反向往復(fù)運動實現(xiàn)排線動作，是繞線機主要運動部件之一。工作轉(zhuǎn)臺由分度步進電機、旋轉(zhuǎn)臺、線叉、繞線模頭組成，該設(shè)備為多工位繞線機，在繞線同時執(zhí)行模頭預(yù)熱、剪線、加熱、脫模等工藝動作，這需要工作轉(zhuǎn)臺按不同工位動作完成。剪線機構(gòu)為氣動執(zhí)行機構(gòu)，主要是將繞制完成的線圈兩端引線剪斷。脫模機構(gòu)由分度步進電機、氣動脫模組成，將繞制完成的成品從繞線模頭取下。熱風系統(tǒng)設(shè)備配置兩個可調(diào)溫度 220V 熱風槍，在繞線前將模頭預(yù)熱，繞線后對線圈進行熱風處理便于脫模。電氣控制包含電氣控制箱、觸摸屏操作盒。采用 DVP-20PM00D 運動控制器作為控制，

5、觸摸屏作為人機交換，伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與排線的精確控制，從而保證繞線的精度。2、技術(shù)指標1）適用線徑：0.010.1 mm，最大 0.2 mm；2）最大線圈外徑：2.0015.00 mm，需配合不同繞線模頭；3）最大繞線幅度：0.058.00 mm；4）起繞間距：020 mm；5）繞線角度分辨率：0.01；5）排線間距分辨率：0.0001 mm；6）主電機：AC 伺服 200W；7）排線電機：AC 伺服 100W；8）主軸轉(zhuǎn)速：3000RPMmax9）固定方式：熱粘結(jié)；10）氣源：約 80L/min （5kg/cm2）3、設(shè)備工藝流程繞線頭回原點進給至起繞點張力調(diào)節(jié)模頭預(yù)熱繞線、排

6、線加熱剪線脫模成品退至脫模點進給至起繞點循環(huán)生產(chǎn)4、電氣系統(tǒng)配置電氣控制主要包括繞排線部分、步進分度部分、氣缸動作控制部分。具體配置如下：運動控制器運動控制器臺達 DVP-20PM00D可編程控制器臺達 DVP-32EH00T2觸摸屏臺達 DOP-A57BSTD氣缸傳感器X 軸伺服電機開關(guān)按鈕S 軸伺服電機觸摸屏三、電子凸能及應(yīng)用介紹高速繞線機的主要控制功能在于 20PM 電子凸輪的應(yīng)用，使繞制產(chǎn)品的成品品質(zhì)及效率大大提高。以下對電子凸能作簡單介紹：1、電子凸輪普通機械凸輪是經(jīng)?？梢钥匆姷?，如果知道普通的凸輪的話，那么電子凸輪也就會很快明白，真實的凸輪是一件物體，你若想用來描繪這個三維物體就要

7、輸入程序，然后這個程序展現(xiàn)出來的功能就是電子凸其發(fā)揮本有的功能。能。簡單說就是用電子特性勾勒出一個物體，并使從上圖可以看到，左邊是常見的機械式凸輪方式，而右邊就是電子凸輪方式。也就是說利用程序的方式（配合伺服單元）完成機械凸輪控制所需要的軌跡，實現(xiàn)主軸和從軸的嚙合運動。2、電子凸輪的實現(xiàn)方式（1）獲取主軸位置；獲取主軸位置有多種方法：一是采用虛擬軸，計算簡單準確；二是從主軸編或伺服脈沖獲取，將主軸編其換算成主軸位置。信號進行處理；三是從測量編獲取。獲得編信號之后，將繞線伺服電機及驅(qū)動器臺達 ECMA-C30602ES、ASD-B0221-A排線伺服電機及驅(qū)動器臺達 ECMA-C30401ES、

8、ASD-B0121-A旋轉(zhuǎn)臺分度步進電機脫模分度步進電機由主軸輸出脈沖獲取主軸位置（2）實現(xiàn)主從軸的嚙合實際上是定義主從軸之間的關(guān)系（稱之為 cam table）。cam table 有兩種方法表述：一是采用 X、Y 的點對點關(guān)系；二是采用兩者的函數(shù)關(guān)系。cam table 的獲取也有多種途徑：根據(jù)實際工作中測量到的點與點之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主從軸的標準函數(shù)關(guān)系。cam table可以定義多個 cam 曲線。關(guān)系確定和實現(xiàn)后，根據(jù)主軸的位置，就能得到從軸的位置。3、臺達 20PM 運動控制器電子凸能介紹臺達 20PM 運動控制器除了實現(xiàn)直線/圓弧插補以及定位功能之外，內(nèi)嵌了電子凸能，使其可以應(yīng)

9、用在多種運動控制場合。20PM 為 2 軸運動控制器，具有 2 路 500KHz 的輸入與輸出，在電子凸能中定義 X 軸為從軸，Y 軸為主軸，當定義好 cam table 后，從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運動。下圖是電子凸輪設(shè)定的界面。位移坐標圖速度坐標圖度坐標圖進 入 資料 設(shè) 定表單 在中可以清楚地利用圖形方式設(shè)定、修改電子凸輪曲線。當點擊進入資料表單設(shè)定按鈕時會彈出下面的區(qū)段設(shè)置表。使用者需先設(shè)定 Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取 CAM curve（具有連續(xù)、正弦、勻等 6 種曲線，并可加入其他標準曲線和自定義曲線）,在設(shè)定完成后按下 Setti

10、ng completed 按鈕, 即可在主畫面繪制位移, 速度,度坐標圖區(qū)段區(qū)段起始位置區(qū)段結(jié)束位置區(qū)段所需行程曲線型式表單資料資料設(shè)定完成取消設(shè)定調(diào)用表單資料清除表單資料下圖是以高速繞線機為例的電子凸輪曲線圖，采用 CYCLIC 模式排線從軸根據(jù)繞線主軸連續(xù)正反排線。以下是計算主從軸關(guān)系算式：主軸轉(zhuǎn)一圈所出線的距離(圓周長)=*D (mm) Or 繞線模具一圈的出線的距離(圓周長)=*D (mm)；排線從軸轉(zhuǎn)一圈所需脈波數(shù)=10000P/R=相對應(yīng)轉(zhuǎn)一圈滾珠螺桿移動之距離=10mm；主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波=3600P/R =從軸相對應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)所需脈波= 100P/R =相對應(yīng)滾

11、珠螺桿移動之距離=0.1mmMaster/Slave 關(guān)系式=(主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波*凸輪一周期的匝數(shù))/(從軸相對應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)所需脈波*線徑*排線寬度的匝數(shù))四、電氣控制1、 系統(tǒng) I/O 表DVP-32EH00T2X0復(fù)位Y0A 分度轉(zhuǎn)脈沖X1啟動Y1A 分度轉(zhuǎn)方向X2急停Y2B 分度轉(zhuǎn)脈沖X3氣壓檢測Y3B 分度轉(zhuǎn)方向X4A 分度盤Y4A 剎車X5B 分度盤Y5B 剎車X61 抽模芯后（原）Y61 抽模芯閥X71 抽模芯前Y72 脫模前后X102 脫模后（原）Y103 脫模上下X112 脫模前Y114 卸料上下X123 脫模下（原）Y125 吹氣X133 脫模上Y131#熱

12、槍X144 卸料下Y142#熱槍X154 卸料上限（原）Y15備用X16主軸Y16備用X17排軸Y17備用DVP-20PM00D2、 上位觸摸屏控制觸摸屏主要用于人機和主要參數(shù)。（1）手動操作畫面：，對設(shè)備相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置以及顯示設(shè)備運行過程中動作狀態(tài)設(shè)置有主繞線軸和排線軸動操作按鈕，實現(xiàn)調(diào)機時動調(diào)整，同時可通過“回原”按鈕將主軸和從軸回歸機械原點，并設(shè)有分度盤調(diào)試按鈕和教導(dǎo)調(diào)機按鈕便于操作。（2）自動操作畫面可預(yù)設(shè)產(chǎn)量，顯示當前總產(chǎn)量、當班總產(chǎn)量、熱風控制溫度、已繞圈數(shù)、已繞線長等參數(shù)，并且可通過“循環(huán)開/關(guān)”按鈕控制單個繞線還是連續(xù)繞線。（3）參數(shù)設(shè)置畫面主要用于設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速、總匝數(shù)、第一

13、層匝數(shù)、線徑、加時間等等重要參數(shù)，并可LSP0排線左極限FP0+排線軸差分脈沖輸出LSN0排線由極限FP0-排線軸差分脈沖輸出DOG0排線軸原點RP0+排線軸差分脈沖輸出DOG1繞線軸原點RP0-排線軸差分脈沖輸出A0+繞線軸位置 A+相脈沖反饋FP1+繞線軸差分脈沖輸出A0-繞線軸位置 A-相脈沖反饋FP1-繞線軸差分脈沖輸出B0+繞線軸位置 B+相脈沖反饋RP1+繞線軸差分脈沖輸出B0-繞線軸位置 B-相脈沖反饋RP1-繞線軸差分脈沖輸出通過配方保存多組不同繞制參數(shù)。3、 程序設(shè)計程序設(shè)計的關(guān)鍵在于高速繞線機的控制難點分析及解決方案。系統(tǒng)難點繞線機在換向處出現(xiàn)繞線不均勻、堆積；繞線機換向處

14、出現(xiàn)螺旋紋、不平整；無法進行斜排繞線，奇偶數(shù)繞線難點分析換向處繞線不均勻、堆積情況出現(xiàn)主要是由于普通 PLC 的速度指令處理時間長，換向受程序掃描周期影響，沒有同步指令且無法實時刷新，同時伺服剛性參數(shù)，動態(tài)響應(yīng)速度也是原因之一。換向處出現(xiàn)螺紋主要是因為螺旋繞線方式造成，可采用最后半圈定位繞線解決。斜排繞線在爬坡時每圈需要增加一個線寬和線厚，奇偶數(shù)繞線是在每繞一層變換繞線匝數(shù)奇偶性，兩種繞線方式都需要每次繞線后進行計算，由于普通小型 PLC 運算時間長，導(dǎo)致無法進行高速斜排和奇偶數(shù)繞線。臺達解決方案由以上分析可以看出，高速繞線機的瓶頸在于高速運算及響應(yīng)，而臺達 20PM 運動控制器除邏輯控制 C

15、PU 外具有獨立的高速運算 CPU，由硬件直接完成高速運算響應(yīng)，2 軸同步控制時間小于 0.5ms，達到高速繞線需求。關(guān)于臺達 20PM 運動控制器電子凸能及應(yīng)用在上面章節(jié)已有描述。此外，對于程序編寫也十分簡單方便，利用 PMSoft 編程設(shè)置好 cam table 后，直接控制對應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可完成電子凸輪運行。下表為 X 排線軸內(nèi)部寄存器表，例如在對應(yīng)的D1511 中傳送不同數(shù)值即可實現(xiàn) 0（停止）、1（正向點動）、2（反向點動）、3（單段速運動）、4（電子凸輪運動），其他寄存器同樣有各自功能。EH2CRPMspDAxisContentDirection(EH2,PM)0D1500PM

16、ID10D1510XS us Word11D1511XControl Word0, Stop1,Jog+2, Jog-3, 1seg4, CAM12D1512XData1jogjogitionMasterX 排線軸梯形圖如下：五、結(jié)束語目前系統(tǒng)已正式投產(chǎn)使用，連續(xù)無故障運行 2 周，繞線速度最高可達 2500r/min，繞制產(chǎn)品品質(zhì)達到用戶需求，臺達 20PM 電子凸能成功應(yīng)用于高速繞線機中。13D1513XData2SpeedSpeedRatio14D1514XData3SpeedSlave Ratio15D1515XData416D1516XData5Yition17D1517XData618D1518XData7Y Speed19D151