許志勝，楊鳳龍，劉英

(1.大連三壘科技有限公司，遼寧 大連 116000；2.歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司，遼寧 大連 116000；3. 大連海林博格機(jī)電設(shè)備有限公司，遼寧 大連 116000)

在塑料管道行業(yè)中，隨著農(nóng)業(yè)建設(shè)的發(fā)展，節(jié)水與灌溉的市場(chǎng)也在迅速擴(kuò)大，打孔機(jī)作為整條生產(chǎn)線的重要設(shè)備，應(yīng)用越來越廣泛，尤其在國(guó)外。以前的打孔機(jī)用變頻器與小型PLC進(jìn)行控制，工藝比較落后，精度不高，一般為線下單獨(dú)操作。新一代的打孔機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。相對(duì)比具有可在高速線上同步生產(chǎn)，噪音低，打孔均勻，廢屑集中回收，調(diào)整簡(jiǎn)單，打孔尺寸準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

1 打孔機(jī)的原理

打孔機(jī)（圖1）采用螺旋銑打孔原理，在圓周方向共布置6把打孔刀，銑刀片安裝在螺旋導(dǎo)論上，導(dǎo)輪的導(dǎo)程同波紋管的波距相等，其中三個(gè)導(dǎo)輪為左旋，三個(gè)導(dǎo)輪為右旋，整個(gè)導(dǎo)輪安裝在氣動(dòng)滑軌上。當(dāng)工作時(shí)，氣動(dòng)閥得電，氣動(dòng)滑軌伸出，使導(dǎo)輪落到波紋管波谷內(nèi)；不工作時(shí)，氣動(dòng)閥失電，氣動(dòng)滑軌退回，導(dǎo)輪回到原位，整個(gè)氣動(dòng)滑軌的伸出長(zhǎng)度可以通過電機(jī)調(diào)整，不同的規(guī)格可以隨意更換。

螺旋導(dǎo)輪通過電機(jī)控制，對(duì)速度精度，和瞬時(shí)的大扭矩有很高的要求。螺旋導(dǎo)輪安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，通過六根萬向軸節(jié)于傳動(dòng)裝置相聯(lián)，其中三根為左旋導(dǎo)輪，三根為右旋導(dǎo)輪。刀片安裝在導(dǎo)輪上，刀片伸出的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)，這樣可以控制管材孔的長(zhǎng)度。

當(dāng)在線生產(chǎn)時(shí)，為了保持管材在打孔時(shí)，速度的同步一致，增加牽引電機(jī)。必須保持螺旋導(dǎo)輪的線速度和管材生產(chǎn)的速度同步，使孔距一致。在全線聯(lián)機(jī)的控制方式下，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打孔。

圖1 打孔機(jī)

2 打孔機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求

打孔機(jī)主要應(yīng)用于在線生產(chǎn)帶長(zhǎng)條孔的波紋管（圖2），機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，采用了純齒輪傳動(dòng)，集中回轉(zhuǎn)切條等先進(jìn)結(jié)構(gòu)。本規(guī)格的打孔機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)為：生產(chǎn)規(guī)格：Ф90～Ф160 塑料波紋管打孔；打孔尺寸（長(zhǎng)×寬):15(-30)mm ×2(-5)mm；打孔數(shù)量：6孔，周向分布；主電機(jī)：5.5 kW；牽引電機(jī)：2×0.4 kW。

該打孔機(jī)主要有三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，由三軸伺服電機(jī)拖動(dòng)，伺服采用歐姆龍EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)G5伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。三軸伺服分別為：螺旋導(dǎo)輪伺服電機(jī)為主軸，兩個(gè)牽引伺服電機(jī)為從軸，控制上采用三軸伺服同步運(yùn)行。采用觸摸屏終端進(jìn)行速度設(shè)定、伺服使能、伺服停止、故障報(bào)警、故障復(fù)位、手動(dòng)操作、刀具調(diào)整、電機(jī)調(diào)整等。

打孔機(jī)的正常運(yùn)行對(duì)電氣控制系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)要求：

（1）傳動(dòng)系統(tǒng)需要快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行，主軸30 s內(nèi)扭矩150%正常運(yùn)行。

（2）適應(yīng)設(shè)備打孔要求，三軸伺服速度同步一致。（3）同時(shí)必須同步線速度，實(shí)現(xiàn)在線管材生產(chǎn)。（4）為了方便數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，在觸摸屏可以進(jìn)行速度設(shè)定，長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)，報(bào)警管理，遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控設(shè)備狀況等。

（5）快速響應(yīng)的安全保護(hù)。

因此要求控制系統(tǒng)必須具有高效的運(yùn)動(dòng)控制性能和高速的網(wǎng)絡(luò)通訊。

圖2 打孔管材圖

3 打孔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì)

考慮到成本，控制精度，同步性，實(shí)時(shí)高速網(wǎng)絡(luò)等要求。

本系統(tǒng)采用歐姆龍的帶有ECT網(wǎng)絡(luò)接口的新一代小型運(yùn)動(dòng)控制器NX1P，它是一體封裝緊湊機(jī)器自動(dòng)化控制器，其主要特點(diǎn)：①整合時(shí)序控制與運(yùn)動(dòng)控制；②標(biāo)配控制用網(wǎng)絡(luò)EtherCAT；③標(biāo)配EtherNet/IP通信功能端口；④控制器本體內(nèi)置輸入輸出；⑤可進(jìn)行無蓄電池運(yùn)行，等等。這些特點(diǎn)非常適用本設(shè)備。

伺服驅(qū)動(dòng)采用歐姆龍ECT 網(wǎng)絡(luò)G5伺服，導(dǎo)輪主軸一臺(tái)為R88D-KN50F-ECT,牽引從軸兩臺(tái)為R88D-KN04H-ECT。高速、高精度G5系列適用于超高速EtherCAT通信，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高精度定位，標(biāo)準(zhǔn)配備全閉環(huán)控制。

伺服電機(jī)采用高性能的G5通用伺服電機(jī)R88M系列。

上位采用歐姆龍NB7W-TW01B，帶有EtherNet/IP以太網(wǎng)口的7"工業(yè)級(jí)觸摸屏，進(jìn)行速度設(shè)定，速度比例系數(shù)設(shè)定，報(bào)警顯示等?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

具體采用的型號(hào)為NX1P2-9024DT1，自身帶有24個(gè)輸入，16個(gè)輸出的IO點(diǎn)，節(jié)省了單獨(dú)采購(gòu)IO模塊的成本，并且具有EtherCAT和Ethenet網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)可擴(kuò)展I/O輸入輸出的數(shù)字和模擬量模塊，RS232，RS485等串行通信接口和各類總線接口模塊。NP1X集成了歐姆龍NJ高性能運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)，具有功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，亦可以連接第三方ECT網(wǎng)絡(luò)伺服與遠(yuǎn)程IO，編程界面友好等特點(diǎn)。

在波紋管產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，打孔機(jī)作為整個(gè)產(chǎn)線中越來越重要的設(shè)備之一，其核心傳動(dòng)環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)中三軸伺服的速度同步運(yùn)行，因此，電子凸輪技術(shù)是此設(shè)備控制中的重要組成部分。為了準(zhǔn)確進(jìn)行速度同步控制，采用歐姆龍的G5系列伺服電機(jī)，該系列伺服速度響應(yīng)頻率2 kHz，脈沖輸入頻率響應(yīng)頻率4M pps，最大轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min，配備高分辨率20bit的增量編碼器和多圈的絕對(duì)值編碼器，全閉環(huán)控制，加強(qiáng)抑振控制功能，兼顧安全性與生產(chǎn)效率[2]。

整套控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCat以及EtherNet。NX1P運(yùn)動(dòng)控制器與G5 伺服之間采用EtherCat網(wǎng)絡(luò)，觸摸屏與NX1P 之間采用EtherNet網(wǎng)絡(luò)。EtherCat為工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，已經(jīng)成為工業(yè)通訊的主流，網(wǎng)絡(luò)通信速度可達(dá)到100 M級(jí)別，可連接伺服驅(qū)動(dòng)器，視覺傳感器，安全，I/O等設(shè)備。具有通信速度快，安全可靠，省配線等特點(diǎn)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件為歐姆龍的Susmac Studio，該軟件是歐姆龍公司2013年之后推出的最新軟件，主要為新一代伺服控制器NJ、NP1X提供軟件支持，具有功能非常強(qiáng)大，界面操作相對(duì)簡(jiǎn)單，編程語言豐富等特點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件主要采用FB編程方式，同時(shí)利用NX1P控制器循環(huán)掃描方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。程序設(shè)計(jì)主要采用電子凸輪技術(shù)實(shí)現(xiàn)伺服的同步控制，電子凸輪技術(shù)由機(jī)械凸輪演變而來，機(jī)械凸輪（Mechanical CAM）是一種能夠按照動(dòng)力學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的要求，具有曲線或者曲面輪廓作為副元素的構(gòu)件[3～4]。機(jī)械凸輪設(shè)計(jì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不可變，動(dòng)作不具有變化性。相對(duì)于機(jī)械凸輪而言，電子凸輪具有靈活性，軌跡易于改動(dòng)，可以根據(jù)需求更改加工軌跡，減少了設(shè)計(jì)周期。

NX1P運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)置電子凸輪功能，采用兩牽引軸跟隨螺旋導(dǎo)輪主軸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。電子凸輪的實(shí)現(xiàn)方式分為三步：第一，設(shè)定導(dǎo)輪主軸與牽引從軸參數(shù)。第二，設(shè)定合理電子凸輪曲線。第三，實(shí)現(xiàn)電子凸輪運(yùn)動(dòng)。電子凸輪實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)流程圖如下所示：

圖4 電子凸輪結(jié)構(gòu)流圖

初始化程序包括：伺服原點(diǎn)預(yù)設(shè)，錯(cuò)誤復(fù)位，速度，加減速度設(shè)定以及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)定等。

凸輪運(yùn)動(dòng)程序：?jiǎn)?dòng)MC_CamIn（圖5）電子凸輪指令，當(dāng)各軸嚙合后，通過MC_MoveVelocity（圖6）速度控制指令，運(yùn)行導(dǎo)輪主軸進(jìn)行速度控制，牽引從軸跟隨主軸進(jìn)行同步運(yùn)行，運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控牽引從軸與主軸的位置偏差，偏差超過預(yù)設(shè)值，進(jìn)行位置補(bǔ)償。

觸摸屏與NX1P 之間采用EtherNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)直接讀取伺服當(dāng)前的狀態(tài)，如速度、電流。在觸摸屏可以進(jìn)行速度設(shè)定，長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)，報(bào)警管理，遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控設(shè)備狀況等。也可以通過觸摸屏來進(jìn)行設(shè)備規(guī)格選擇、手動(dòng)進(jìn)刀、手動(dòng)退刀等手動(dòng)操作，并增加檢修時(shí)，安全鎖解除、報(bào)警提示等功能。

圖5 MC_CamIn電子凸輪指令

圖6 MC_MoveVelocity指令

4 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試過程主要是進(jìn)行硬件檢查，軟件測(cè)試。

4.1 硬件檢查

首先要保證硬件接線正確，保證輸入輸出的I/O信號(hào)和觸摸屏能夠與NX1P運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行正常通信。

4.2 軟件測(cè)試

其次是進(jìn)行伺服參數(shù)調(diào)節(jié)，設(shè)置物體剛性、位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)等參數(shù)，保證主軸和從軸的同步性和速度的穩(wěn)定性，保證伺服同步性和穩(wěn)定性的同時(shí)，要提高它的響應(yīng)性。因?yàn)榇蚩讜r(shí)，扭矩最大，很容易造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)。利用其精確的自動(dòng)調(diào)諧，完全閉環(huán)控制，達(dá)到了理想的效果。利用歐姆龍的軟件Susmac Studio的監(jiān)控功能，圖5可以看到當(dāng)?shù)对诖蚩讜r(shí)，瞬時(shí)的最大扭矩在120%，平均80%左右，完全在伺服電機(jī)的控制范圍之內(nèi)，基本滿足了對(duì)扭矩的要求。

圖7 扭矩監(jiān)控曲線

4.3 程序調(diào)試

最后進(jìn)行程序調(diào)試，優(yōu)化程序，根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)行程序修改完善，在現(xiàn)場(chǎng)牽引從軸和導(dǎo)輪主軸同步效果良好，保證了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

通過這次應(yīng)用歐姆龍運(yùn)動(dòng)控制器NP1X，使大連三壘打孔機(jī)控制技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，這也是打孔機(jī)第一次使用伺服凸輪功能，效果非常好，實(shí)現(xiàn)了波紋管管材在線上同步速度下生產(chǎn)，一次性生產(chǎn)出成品，減少了二次加工的麻煩。并且在全線聯(lián)機(jī)的控制方式下，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打孔。同時(shí)使用觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，報(bào)警監(jiān)控，曲線監(jiān)視等。操作簡(jiǎn)單，各項(xiàng)工藝指標(biāo)滿足生產(chǎn)工藝的技術(shù)要求，自調(diào)試完畢后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已經(jīng)投入到實(shí)際生產(chǎn)中，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]三壘科技 SKC160B說明書.

[2]歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司. AC伺服電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器 G5系列，2012-07.

[3]徐宏偉，王龍英，郝發(fā)義.電子凸輪在印刷機(jī)中應(yīng)用的前景展望[J].印刷雜志，2005(11):70～72.

[4]張閣，鄒慧君.電子凸輪的概念和設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2000(12):89～91.