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摘要:隨著社會的發(fā)展工業(yè)自動化水平不斷提高，前緣送紙設(shè)備中電子凸輪的應(yīng)用越來越廣泛，為此設(shè)計了基于nj控制器的前緣送紙機控制系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)由NJ運動控制器、觸摸屏、伺服驅(qū)動器、伺服電機等硬件組成，使用SysmacStudio軟件進行編程，NJ控制器通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信控制G5伺服，伺服電機隨主軸做電子凸輪運動，實現(xiàn)瓦楞紙的輸送動作。實際應(yīng)用中控制系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性高、精確定位、調(diào)節(jié)速度方便等特點。

關(guān)鍵詞:SysmacStudio;NJ運動控制器;G5伺服;電子凸輪;前緣送紙

0引言

傳統(tǒng)的瓦楞紙的紙箱印刷機或模切機［1］送紙方式是鏈板式，每張瓦楞紙板要人工一片一片放到鏈板上，印刷效率很低。后來又出現(xiàn)了進口的機械式凸輪帶動的前緣送紙系統(tǒng)，但機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備成本很高，一般用戶投資不起。在進口機械式凸輪前緣送紙系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又發(fā)展出國產(chǎn)機械凸輪前緣送紙系統(tǒng)、機械凸輪后踢式前緣送紙系統(tǒng)、伺服前緣送紙系統(tǒng)，前兩者雖然機械成本下降了，但機械結(jié)構(gòu)磨損很快，設(shè)備正常使用周期短，并且使用一段時間后隨著機械凸輪的磨損送紙精度也降低了，而伺服前緣送紙系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡單利于裝配和維護，伺服電機送紙精度與速度高，使用壽命長，維護少，該型送紙系統(tǒng)正越來越受到廣大設(shè)備制造廠家和設(shè)備使用者的青睞。

1前緣送紙設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工藝流程

1．1前緣送紙設(shè)備的結(jié)構(gòu)

前緣送紙的主要功能是將瓦楞紙一張張的送到印刷部或者模切部。前緣送紙部分主要由拉紙輥、送紙輥、格柵組成。拉紙輥由變頻器電機控制，按照設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn);送紙輥跟隨拉紙輥動作，將瓦楞紙一張張的送到拉紙輥下面。整個送紙過程中，格柵會根據(jù)送紙輥旋轉(zhuǎn)的角度做升降動作，以便瓦楞紙紙能夠更好地送入到拉紙輥。瓦楞紙前緣送紙的機械結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示

1．2送紙過程控制分析

前緣送紙是瓦楞紙印刷設(shè)備的前端工藝，用來將所需要印刷的瓦楞紙輸送到后面的印刷輥中進行印刷或者是模切機進行模切。其中印刷輥或者模切工位是由變頻器控制，印刷或者模切轉(zhuǎn)一周，送紙部分就要送入一張紙。前緣送紙部分，拉紙輥作為主軸(編碼器軸)，送紙輥作為從軸，跟著主軸做電子凸輪動作，前緣送紙工藝如圖2所示。

2瓦楞紙前緣送紙控制系統(tǒng)設(shè)計

2．1系統(tǒng)控制要求分析

(1)拉紙輥每轉(zhuǎn)一周，都要送一張紙進來;送紙輥轉(zhuǎn)三周，最多送出一張紙;(2)送紙輥和拉紙輥之間的距離是140mm，為了包裝印刷或者模切的線速度同步，因此在送紙輥送140mm之前就要保證和拉紙輥線速度同步;(3)同步結(jié)束位置是在送紙輥將紙完全送入的位置，同時為了保證下一張紙不和上一張紙重疊進去，格柵在同步結(jié)束時要升起(4)同步結(jié)束后，送紙輥減速到初始位置，同時格柵降下;(5)等主軸的相位到了以后，送紙輥重復(fù)(1)～(4)動作;(6)在不同速度(高低速或者加速階段)下，印刷或者模切都需要在同一位置上。

2．2控制系統(tǒng)的電子凸輪及糾偏算法設(shè)計

(1)電子凸輪設(shè)計電子凸輪位點與機械手追蹤軸位移關(guān)系一般函數(shù)表達式為:S(x)=C0+C1x+C2x2+C3x3+…+Cnxn(1)追趕階段，速度由0先增加至最大值，最后減為0;追蹤軸實際加速度也由0增加，最后減少至0;將上述邊界條件帶入上式得到五次多項式優(yōu)化后的追趕階段電子凸輪表達式:S(x)=L77760x3－L2099520x4+L201553920x5，x∈［0，36］(2)同步階段，追蹤軸加速度恒為0，其電子凸輪曲線表達式為:S(x)=L360x，x∈［36，108］(3)加速階段，脈沖加速度從0開始增加最后減小到某個值，經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖加速度與箱體移動距離L成一定比例時會使躍度突變最小，即:A(180)→－520911L，ΔJmin→0帶入邊界值，得到加速階段時電子凸輪曲線:S(x)=－11908709L+7131134Lx－404383Lx2+823397Lx3－L4469895x4+L3334739607x5，x∈［108，180］(4)回車階段，追蹤軸實際加速度由－269687L(mm/s)逐漸增加，最后減小至0;其加速度由－520911L(mm/p)逐漸增加，最后減為0。帶入邊界值可得，回車階段電子凸輪曲線表達式為:S(x)=－8585812L+6253562Lx－5960588Lx2+L448438x3－L574231299x4+L5113908383271x5，x∈［180，352．8］(5)待機階段，電子凸輪表達式為:S(x)=0，x∈［352．8，360］(6)主軸為拉紙輥(編碼器)，負載轉(zhuǎn)一圈的距離是1433．5mm。送紙輥為伺服電機軸，減速比是負載轉(zhuǎn)一圈是307．87mm。根據(jù)工藝要求，送紙輥轉(zhuǎn)3圈多送一張紙，拉紙輥轉(zhuǎn)一周。因此根據(jù)以上要求，設(shè)計以下電子凸輪。主軸為編碼器軸，環(huán)形最大1433．5mm，從軸為送紙軸，環(huán)形最大值為1000mm。根據(jù)實際工藝要求，將電子凸輪分為5段。主軸0～15mm時從軸等待;15～210mm時從軸進行加速;210～828mm時從軸進行線速度與大滾筒同步;828～1310mm時從軸進行減速;1310～1433．5mm時從軸等待;通過SS軟件的CAM功能將上述主從軸的對應(yīng)關(guān)系生成以下電子凸輪表，如圖4所示。(2)糾偏算法設(shè)計從軸跟著主軸做電子凸輪動作，主軸的位置發(fā)生變化，從軸的位置也會立刻發(fā)生變化。無論主軸的速度如何的變化，從軸的位置應(yīng)該始終是如果所示的黑色實線。但是命令位置還要發(fā)送給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器響應(yīng)命令然后輸出動作。由于伺服自身需要處理發(fā)給它的命令位置，且需要一定的時間，所以從軸的實際位置會滯后于從軸的命令位置。并且命令位置的速度越大，其滯后量越大。因此就造成在主軸不同的速度時，從軸的命令曲線雖然一樣，但是伺服的滯后量不同，導(dǎo)致從軸的實際位置曲線也都不相同。為了保證在不同的速度下，印刷或者模切都能在相同的位置上，要對前緣送紙部分進行糾偏控制。如果在不同的速度下，不采取糾偏對策的話，就可能出現(xiàn)如圖5所示的結(jié)果。具體的糾偏措施:以10P/min的速度時模切或者印刷的位置為基準，分別測量一下在不同速度下，模切或者印刷位置與基準位置的偏差。然后通過程序，將不同速度下的偏差值進行補償，才能保證位置的準確性。該次設(shè)計采用的是根據(jù)速度實時修改從軸的電子凸輪表的方式，將偏差進行補償?shù)摹＜赐ㄟ^補償，保證在不同的速度下，從軸的指令位置曲線都要重合。補償后主從軸位置如圖6所示。veSyncDitance;從軸移動距離:=SlaveSyncDistance+SlaveAc-cDistance+SlaveDecDistance;(3)傳感器位置主軸加速距離:=SenorPosition*2;主軸減速距離:=SlaveDecDistance*2;主軸運動距離:=MoveLink．MasterDistanceIn-ACC+MoveLink．MasterDistanceInDEC+SlaveSync-Distance;從軸移動距離:=SlaveSyncDistance+SlaveAc-cDistance+SlaveDecDistance;(4)主軸從軸位置關(guān)系主軸加速距離:=SlaveAccDistance*2;主軸減速距離:=SlaveDecDistance*2;主軸運動距離:=MoveLink．MasterDistanceIn-ACC+MoveLink．MasterDistanceInDEC+SlaveSync-Distance;從軸移動距離:=SlaveSyncDistance+SlaveAc-cDistance+SlaveDecDistance;從軸啟動追剪位置:=TouchProbe．RecordedPo-sition+SenorPosition－SlaveAccDistance;

2．3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NJ的CPU單元內(nèi)置了一種軟件模塊，稱為運動控制功能模塊，簡稱MC功能模塊。通過內(nèi)置在CPU單元上的EtherCAT端口，MC功能模塊可完成多達64軸的運動控制［2］。MC功能模塊進行運動控制時，通過EtherCAT端口與連接到該端口的網(wǎng)絡(luò)型伺服驅(qū)動器進行周期通信，從而實現(xiàn)高速度、高精度的伺服驅(qū)動控制，是進行大規(guī)模復(fù)雜運動控制的一種理想選擇［3］。控制系統(tǒng)由NJ運動控制器［4］通過EtherCAT端口與2個網(wǎng)絡(luò)型伺服驅(qū)動器通信進而控制伺服電機。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3前緣送紙設(shè)備控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1PLC控制程序設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)手動和自動運行狀態(tài)的控制要求，通過SysmacStudio軟件制作電子凸輪表，編程非常簡單，通過調(diào)用內(nèi)部功能模塊指令如伺服鎖定(MC_Power)、原點返回(MC_Home)、電子凸輪(MC_Cam-In)、停止電子凸輪(MC_CamOut)等運動功能塊，即可完成相應(yīng)的送紙動作。具體程序如圖8所示。其補償后運動程序如下:(1)追剪觸發(fā)模式追剪觸發(fā)式．Mode:=_eMC_TRIGGER_MODE#_mcController;追剪觸發(fā)模式．LatchID:=_eMC_TRIGGER_LATCH_ID#_mcLatch2;追剪觸發(fā)模式．InputDrive:=_eMC_TRIGGER_INPUT_DRIVE#_mcEXT;(2)主軸運動距離主軸加速距離:=SlaveAccDistance*2;主軸減速距離:=SlaveDecDistance*2;主軸移動距離:=MoveLink．MasterDistanceIn-ACC+MoveLink．MasterDistanceDistanceInDEC+Sla-

4結(jié)論

通過SysmacStudio編寫的程序極大提高了系統(tǒng)的可靠性，送紙的速度和精度得到極大提高。使用歐姆龍NJ控制器和通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與伺服驅(qū)動進行通訊組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對設(shè)備的精準控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。另外通過SysmacStudio系統(tǒng)軟件，完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服等現(xiàn)場的設(shè)備簡單設(shè)定與調(diào)試，并且通過軟件內(nèi)部功能塊完成對設(shè)備的復(fù)雜控制。系統(tǒng)運行后，達到了預(yù)想的結(jié)果。

參考文獻:

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作者：王偉 邱巧迪 徐世許 單位：歐姆龍自動化(中國)有限公司 北京分公司青島大學(xué)自動化學(xué)院