摘　要: 本文主要介紹精密沖壓成型機的生產工藝，及通過臺達運動型控制器20PM電子凸輪功能配合臺達高性能ASD-A+伺服驅動器的實現方式。

      關鍵詞：精密沖壓成型機；20PM；多組電子凸輪；虛擬主軸；CAM曲線偏移；CAM曲線平滑

      1 引言
      一般普通沖壓成型機如：沖床，主要是通過馬達帶動飛輪，傳動至偏心曲軸，從而帶動沖壓模上下運動，完成工件沖壓過程。這種傳統的沖壓方式，上模隨模頭上下運動，下模固定，一套模具只能生產單一產品，噪音大，調模時間長，生產效率低；本章介紹精密沖壓成型機上模、母模、浮動、送料全部采用伺服驅動，整套模具都是活動的，通過各個活動模的位置關系同一套模具就可以生產不同規格的產品，設備調試時間短，生產工藝更加靈活，可以滿足客戶高精度、高效率沖壓精密工件的復雜要求。
      臺達DVP-20PM00D是一款專用運動控制型PLC，其高速的運算處理能力和靈活的電子凸輪功能，可以很好地實現各活動模運動軌跡控制、邏輯動作控制、直線/圓弧插補控制等，解決了傳統沖壓成型機噪音大、產品單一、調機時間長、精度低等問題。
      本文基于臺達20PM型號PLC產品配合臺達高性能ASD-A+伺服驅動器來實現精密沖壓成型機的控制，為業界起到重要的借鑒作用。

      2 系統電氣配置
      系統電氣配置表如表1所示。

表1  系統電氣配置表

      3  系統控制架構
系統控制架構如圖1所示。

圖1 系統控制架構圖

      4  系統功能實現
      4.1  電子凸輪的實現方式
      （1）X/Y/Z軸系統參數初始化
      a)工作模式設定:單位、倍率、脈沖形式、原點回歸方式、坐標系，參數設置如表2所示。
X軸：D1816；Y軸：D1896；Z軸：D1976。

 
表2  X/Y/Z軸系統初始化參數設定表

      b)參數設定：馬達運轉一圈脈沖數/移動距離、最高速度、激活速度、原點回歸速度、原點復位速度、單段速定位速度；
X軸：D1818～D1832；Y軸：D1898～D1912；Z軸：D1976～D1992.
      （2）凸輪工作模式設定
X軸：D1847；Y軸：D1927；Z軸：D2007. 工作模式設置如表3所示。

 
表3  X/Y軸工作模式設定表

      D1847/D1927/D2007的bit11=1,就開啟該軸為電子凸輪的從軸。同時也可以通過此功能設定Y/Z從軸是否參與電子凸輪運動。

      （3）主軸來源
      獲取主軸位置有多種方法：一是采用虛擬軸，計算簡單準確；二是從主軸編碼器或伺服脈沖獲取，將主軸編碼器信號進行處理；三是從測量編碼器獲取。獲得編碼器信號之后，將其換算成主軸位置；本案采用的虛擬主軸方式，通過20PM特有功能，無需配線即可方便實現多個電子凸輪從軸共享一個虛擬主軸。
      本案采用虛擬主軸方式。虛軸訊號可以啟動M1909讓第一臺20PM的Y軸作為虛擬主軸，第一臺及后續20PM的X軸執行電子凸輪從軸，M1910可以控制從軸是否追隨虛擬主軸。M1909和M1910的相關連線圖如圖2所示。

 
圖2  M1909和M1910的相關連線圖

      多個20PM共享一個虛擬主軸處理方式，而且無需擔心虛擬主軸經多個20PM后通訊延遲和信號衰減。
1#20PM   M1909=1,M1910=0；
2#20PM   M1909=0,M1910=1；
3#20PM   M1909=0,M1910=1。

      （4）電子凸輪嚙合
      實際上是獲取主從軸之間的關系（稱之為cam table）。cam table有兩種方法表述：一是采用X、Y的點對點關系；二是采用兩者的函數關系。X-Y軸運轉命令設置如表4所示。

 
表4  X-Y軸運轉命令設置表

      X軸運行命令D1846=H2000,電子凸輪嚙合模式激活。如果Y軸也為從軸D1927不需要單獨設定。

      4.2  電子凸輪曲線生成
      a)CAM Chart建立
      CAM 曲線上主要分為4個部份分別為主從軸相對位置、主從軸相對速度、主從軸相對加速度、及最下方的數據設定。
      前三部份用來顯示使用者所設定的CAM Data，其中橫軸的部份皆為主軸的位置，縱軸分別為從軸的位置，從軸跟主軸的速度比，從軸跟主軸的加速度比。在數據的輸入上 CAM Data 有兩種方法表述：
      一是采用主從軸的函數關系；二是采用兩者的點對點關系。
      此處采用第二種方式，配合臺達觸摸屏強大的配方功能實現主軸角度、從軸位置的靈活輸入、保存；上位機參數設置圖如圖3所示。

 
圖3   上位機參數設置圖

      b)CAM data動態修改
      DVP-PM透過 DTO/DFROM 二個指令動態修改 CAM Data ，使用者可以在程序中依照不同的條件動態修改 CAM Data 形成不同的凸輪曲線。CAM Data 是浮點數型態，所以使用動態寫入的數據要先使用 DFLT 指令轉成二進制浮點數。

      4.3  電子凸輪曲線偏移
      CAM表生成后，主軸從軸位置關系就確定下來。根據工藝要求該電子凸輪起始點并非0點，需偏移到指定角度280度位置開始運行，此時各個從軸位置相距最遠；因此必須通過電子凸輪偏移功能，透過CAM Chart查詢到偏移角度所對應各個從軸的位置量，并單段速定位，以確保凸輪嚙合時候各個從軸位于偏移位置點。相關梯形圖如圖4所示。

 
圖4  電子凸輪相關設置梯形圖

      a) 電子凸輪曲線偏移功能
電子凸輪主軸偏移量：D1863..D1862；起始角度偏移標志：M1752。
      b) 當前位置寫入使能
如表5所示：

表5 當前位置寫入使能表

      c) 從軸位置同步更新
      X軸：M1750；Y軸：M1830；Z軸：M1990

      4.4  周期電子凸輪停止
      周期式電子凸輪周期結束標志位M1813,通過該標志位可以計算電子凸輪周期只執行的次數。其停止方式可以分成兩種：
      電子凸輪主軸周期停止位置：D1819..D1818；電子凸輪周期停止標志：M1841
      1） 暫停：直接停止主軸，但保持嚙合狀態；主軸再運行時，各從軸從停止點繼續按CAM曲線方式運行。如圖5所示:

 
圖5  電子凸輪暫停梯形圖

      2） 周期停止：可以根據要求指定主軸停止角度，當檢測到周期停止信號時，主軸幷不立即停止，而是繼續運行到所設定主軸角度位置，同時各從軸也根據CAM曲線停止在該角度對應位置，電子凸輪仍然保持嚙合。主軸再運行時，各從軸從停止點繼續按CAM曲線方式運行。如圖6所示：

 
圖6   電子凸輪周期停止梯形圖

      4.5  電子凸輪曲線平滑
      采用點對點方式生成CAMdata，由于設定點數的限制，CAM曲線相對比較粗糙，伺服馬達在運行的過程中會出現明顯的噪音，如果采用伺服P1-08參數限制，又會導致命令的延遲或變形，所以必須對CAM曲線進行細化(最大2048點),以保證速度曲線平滑。如圖7所示：

 
圖7  電子凸輪曲線平滑梯形圖

      （1） B樣條曲線
      如圖8所示：

 
圖8  B樣條曲線圖

      平滑結果：速度、加速度平滑，但不經過原始點，插入的點數和平滑系數再高也只能無限靠近原始點。

      （2） C樣條曲線
      如圖9所示：

 
圖9  C樣條曲線圖

      平滑結果：速度、加速度平滑，也經過原始點，但會出現沖現象；

      （4）CC樣條曲線
如圖10所示：
 

圖10  CC樣條曲線

      平滑結果：速度、加速度平滑，也經過原始點，無過沖現象；

      （5） 擺線Cycloid 
如圖11所示：

 
圖11  擺線Cycloid  曲線

      平滑結果：速度、加速度平滑，也經過原始點，無過沖現象；從軸以設定最大速度做區間定位。

      5 結語
      目前該設備已經投入使用，生產效率及重復定位精度均滿足客戶要求，并已申請專利。臺達20PM運動型PLC靈活的電子凸輪功能：CAM曲線自動生成、動態修改、偏移、平滑等為精密成型機提供了良好的技術基礎，同時單個虛擬主軸多個從軸運動方式為多軸協調運動控制提供了新的解決方案。可推廣應用于機械手搬運填充、噴涂等多軸運動場合。

      【參考文獻】
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[3] 宋伯生.可編程序控制器.中國勞動出版社， 1993.