【摘要】本文重點介紹臺達機電產品在高速鋼板精密裁切中的應用。

【關鍵字】伺服電機；變頻器

【Keywords】servo motor；inverter

過去，鋼板定長裁切通用方案一般采用在切刀主軸下端裝一光電，當切刀提起時，送料伺服發一高速定位脈沖信號，驅動送料伺服定位。其弊端是不知主軸切刀的實時位置，不能把送料與主軸實時聯系起來，導致高速定位精度不準。圖1為鋼板定長裁切實物圖。

圖1鋼板定長裁切實物

1、系統架構

下圖為臺達機電產品在高速鋼板精密裁切中的應用的系統架構。

圖2 臺達機電產品的系統架構

2、采用電子凸輪方案的工作原理

電子凸輪方案的主要功能及工作原理有以下幾步。圖3為高速鋼板裁切機工作原理圖。

圖3 高速鋼板裁切機工作原理圖

（1）機床主電機采用變頻調速電機驅動，能實現無級調速，滿足不同厚度鋼板裁切的變頻調速要求。在變頻電機所帶的主軸上，裝有一個1000線的增量編碼器，這是電子凸輪的主軸信號。同時，利用在主軸上編碼器的Z相信號作為促發，第一周期滯后設定角度，表示切刀提起，送料電子凸輪開始循環跟蹤。

（2）運動系統采用臺達運動控制器20PM，20PM將電源功能、CPU功能、I/O功能以及通訊功能集為一體。

（3）更換產品時，通過人機界面（觸摸屏）完成以下參數的設定，即鋼板裁切長度、起始

角度、結束角度和第一周期滯后角度的設定。如圖4所示。

圖4 人機界面設定圖

（4）具有故障報警及自診斷功能，確保設備運行在良好狀態，同時可根據顯示的故障信息及時解決問題。具有故障報警及自診斷功能，確保設備運行在良好狀態，同時可根據顯示的故障信息及時解決問題。

（5）通過程序選項、觸摸屏設置可實現規律可變長度的裁切。流程圖如圖5所示。

圖5 電氣控制流程圖

3  控制簡介

整個系統主要是以20PM控制伺服完成高速精確送料為主，裁切變頻主要是速度控制觸摸屏完成資料的顯示與輸入以及指令的下達，控制系統接線如圖6所示。

圖6 控制系統接線圖

客戶現場要求每分鐘裁切500次，平均一次動作200ms，并且在裁切到鋼片時，一定要伺服完全靜止。實際要求運行100ms，停止100ms。現場送料10000個脈沖，10000個脈沖除以100ms，則運行頻率為100kHz。要在如此高的頻率下定位精準，所以對送料的啟停加減速平滑要求就非常高。該系統不同與飛剪系統，飛剪系統裁切的鋼板基本上是比較薄和輕的鋼板；送料軸要連續運行；而飛剪軸根據送料長度，走電子凸輪。而目前我們所說的系統屬于裁切厚重的鋼板。裁切軸是大功率變頻器，必須高速運行才能切斷厚板。這里裁切軸是主軸，送料軸是從動電子凸輪軸。下圖是根據送料長度加上20PM的曲線平滑功能得到的位置速度加速度曲線。

圖7 位置速度加速度曲線

圖8是實際高速運行時得到的命令位置，反饋位置，以及速度曲線。由圖中可看到一個送料過程基本靜止和高速送料各占50%，所以沒有好的平滑曲線是實現不了高速精準的控制。

圖8 高速運動時的命令位置，反饋位置，以及速度曲線

另外，尤其重要一點的是在線可變長度問題。所謂在線可變長度舉個例子來看，如上送料3.6m，伺服需要36000個脈沖，如果開始希望開始裁切10個3.6m，在裁切40個1.8m，在裁切60個0.9m，利用20PM的凸輪刷新高效率指令可在2ms之內，完成凸輪表的實施更改執行。一個運行最快周期為200ms。留給刷新凸輪數據表的時間綽綽有余。

4程序詳細介紹

整個程序的重點在于建立平滑的凸輪曲線。平滑處理用意為針對主軸的數據點數做插值與倍率調整動作，讓最后匯出的電子凸輪曲線會因解晰度更高而較為平滑，能夠提高機件在運行中更加平順穩定。平滑處理過程以下為例，假設原始數據點數為24點，平滑處理設定主軸最大值為10000點，則數據間隔所調整的倍率為10000/23=434倍，接著依據插值總點數和平滑系數設定生成每個區間新增點數的數據，最后從軸依據原本與主軸的比例關系繪出10000點電子凸輪曲線。下圖為原始24點數據。

圖9 原始24點數據

主軸最大值設定為10000點，經由倍率調整后，原本位置0～23乘上調整倍率后變為

位置0～10000。

圖10 主軸最大值設定10000點后變化示意圖

在原始數據點與點之間放大的區間插入數值，使生成曲線的變化更加平滑；插入比較主軸數據點與點之間執行插值與未執行插值，曲線生成后的差異。

圖11 執行插值與未執行插值曲線生成后差異示意圖

具體在程序里主要執行兩步，一是寫入幾筆凸輪數據；二是執行平滑功能。圖12為凸輪寫表指令。

圖12 凸輪寫表指令

圖13為執行平滑凸輪曲線指令執行。

圖13 執行平滑凸輪曲線指令執行

圖14 曲線平滑前設定的數據與平湖后設定的數據

5調試過程

主要的亮點的是高速和高定位精度要求，誤差只能在在一兩絲。這就要求在定位過程中升降速曲線一定要規劃好，現場采用20PM的電子凸輪功能，曲線形式選擇擺線功能，采用三次指數平滑和高速定位，觀察100次，定位脈沖10000個，定位誤差在1～2個脈沖。剛開始試機，實際開始裁切的時候出現問題，老是出現伺服沒停，沖機就下來，觀察伺服波形，200ms停頓時間有100ms，理論上不會有問題，判斷出在起始相位關系上，采用非周期促發模式，可以解決這個問題但是非周期促發模式下，會出現不允許修改電子凸輪，（實際運用中，由于客戶是成組設置，需要4個10285個脈沖長度的送料，10組8000個脈沖的長度，凸輪從軸長度要可以動態改變），后采用中斷促發方式，通過開始外部光電中斷促發周期凸輪，解決起始相位問題，并解決動態修改從軸長度的問題。再次裁切，定位效果很好。然后按照客戶的要求，加入其需要的各種動作，尤其加入了過去不具有的暫停功能。過去如果高速裁切的時候，如果中途暫停會導致廢片，必須從頭開始，現在，可以從當前位置繼續，客戶比較滿意。

傳統鋼板裁切機每次改變鋼板裁切長度精度不高。由于鋼板裁切速度限制,鋼板裁切效率不高。高速鋼板裁切機用20PM的電子凸輪,不斷檢測外部主軸編碼器的變化，通過相位控制，給伺服軸，并帶位置補償來保證裁切的精度。利用電子凸輪的功能來保證伺服軸與切刀位置的一一對應。使切刀在裁切時，伺服軸為穩定停止狀態。用20PM采用相位控制、電子凸輪方式(可變凸輪)，使鋼板裁切數和鋼板裁切長度可隨時改變，并能在保證沖壓精度的情況下高速鋼板裁切。

6結束語

由臺達人機、PLC、變頻器和伺服組成的高速鋼板裁切控制系統可輕松實現用戶提出的要求。穩定可靠的產品品質，簡單便易的操作方法，體現了臺達機電產品整合系統的優越性；此外，系統實現了全自動生產，大大提高了生產效率；而豐富的故障診斷功能提高了作業人員檢修設備的便利性，為行業企業的設備升級提供了很好的案例。