隨著現(xiàn)代工業(yè)逐步地向工業(yè)4.0時(shí)代邁進(jìn)，對自動化設(shè)備的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)由于其一些弊端，逐漸難以滿足客戶的需求，為了克服傳統(tǒng)的脈沖型伺服帶來的各種弊端，市面上很多伺服廠家正在積極研發(fā)現(xiàn)場總線型伺服驅(qū)動器。目前市面上零零總總已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種較成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，其中EtherCAT現(xiàn)場總線以其優(yōu)異的性能，開放式的通訊協(xié)議得到了世界上絕大部分伺服廠家的青睞。本文將以“EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)在膠帶高速分條機(jī)上的應(yīng)用案例”來簡單說明EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及在實(shí)際現(xiàn)場中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：偉創(chuàng)總線型伺服、EtherCAT、超高速分條機(jī)

1.EtherCAT簡介及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.EtherCAT現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)

通訊速度快：相比其他現(xiàn)場總線，EtherCAT現(xiàn)場總線采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣壬嫌酗@著地提升，達(dá)到了100Mbps的通訊速率，而且采用的是全雙工傳輸方式，使數(shù)據(jù)傳輸效率得到了進(jìn)一步提高。

支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型多：EtherCAT總線支持星型，總線型，樹型等大多數(shù)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在布線上具有更大的靈活性，而且支持地址自動分配，無需設(shè)置IP地址。

分布式時(shí)鐘功能：分布式時(shí)鐘功能使得兩個(gè)伺服軸間同步時(shí)間誤差不超過1微秒，在伺服軸同步控制上起到了至關(guān)重要的作用。

安全性高：由于使用了TwinSAFE安全技術(shù)，現(xiàn)在可以使用EtherCAT安全協(xié)議，在同一網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行安全相關(guān)通訊和控制通訊，這樣使得EtherCAT總線安全性可達(dá)到安全集成級別SIL3，在采取相關(guān)措施后甚至可達(dá)到SIL4。

1.2EtherCAT現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀

EtherCAT現(xiàn)場總線自從推出以來在世界上已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，去年年底倍福公司進(jìn)一步推出第二代EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)-EtherCATG。EtherCATG采用千兆以太網(wǎng)通訊技術(shù)，將EtherCAT性能提升到了一個(gè)全新的高度。EtherCATG不僅完全兼容上一代百兆EtherCAT技術(shù)，這使得客戶在不修改主站參數(shù)的前提下進(jìn)行可靠地通訊，而且也具有同樣簡單易用的優(yōu)勢。此外，EtherCATG的分支控制器模式可以并行實(shí)現(xiàn)多個(gè)子網(wǎng)段的高效運(yùn)行。在倍福公司推出EtherCATG千兆級EtherCAT的時(shí)候，同時(shí)也提出了萬兆級別EtherCAT10G的設(shè)計(jì)構(gòu)想，萬兆級別的EtherCAT10G具有更高的通訊速率（100Gbit/s），因此支持高密度數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

2.EtherCAT現(xiàn)場總線在超高速膠帶分條機(jī)上的應(yīng)用

2.1膠帶的生產(chǎn)過程

封箱膠帶不僅在我們?nèi)粘Ｉ钪惺潜夭豢缮俚娜沼闷?，在工業(yè)生產(chǎn)中也具有十分廣泛的用途，特別是在物流，包裝等行業(yè)使用量十分巨大。膠帶的制作從原材料到成品膠帶要經(jīng)過以下數(shù)十道復(fù)雜的工序：

封箱膠帶生產(chǎn)工藝流程圖

（1）添加原料：在膠帶生產(chǎn)工藝流程當(dāng)中首先要做的就是添加膠帶原材料，比如：丙烯酸。

（2）乳化槽：然后將丙烯酸這種膠帶原材料添加到乳化槽進(jìn)行乳化。

（3）反應(yīng)鍋：丙烯酸加入到乳化槽里面進(jìn)行乳化后，再將其放到反應(yīng)鍋里面進(jìn)行加熱。

（4）膠水：通過以上膠帶生產(chǎn)工藝步驟后生產(chǎn)出膠水成品。

（5）涂布機(jī)：將剛制成的膠水放在薄膜進(jìn)行上膠。

（6）半成品：通過這些膠帶生產(chǎn)工藝就制成的膠帶半成品—母卷。

（7）切管機(jī)：將剛剛制成的膠帶母卷采用切管機(jī)進(jìn)行切管工序。

（8）分條機(jī)：膠帶母卷切管成功后采用分條機(jī)進(jìn)行分條的膠帶生產(chǎn)工藝。

（9）紙箱：膠帶母卷經(jīng)過切管、分條后就成了市場上人們看到的膠帶，現(xiàn)在即可進(jìn)行紙箱包裝。

（10）膠帶：將包裝好的膠帶放置倉庫，這就是最后一道膠帶生產(chǎn)工藝，這時(shí)才能將其稱為膠帶成品。

2.2高速分條機(jī)的硬件部分設(shè)計(jì)

膠帶生產(chǎn)流程最后一步是利用分條機(jī)將生產(chǎn)的母卷膠帶分割成成品膠帶，本文案例中設(shè)計(jì)的高速分條機(jī)就是完成此步驟的自動化設(shè)備。整個(gè)控制系統(tǒng)可大概分為三部分進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，分別為：（1）機(jī)械手同步插補(bǔ)運(yùn)動部分；（2）變頻器張力控制部分；（3）貼標(biāo)電子凸輪運(yùn)動部分。

機(jī)械手同步插補(bǔ)運(yùn)動部分

系統(tǒng)中加入了機(jī)械手自動上下料系統(tǒng)，機(jī)械手部分是由兩個(gè)關(guān)節(jié)式機(jī)械手組成，通過四臺偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服來驅(qū)動機(jī)械的關(guān)節(jié)運(yùn)動，此部分控制的重難點(diǎn)是在運(yùn)動過程中必須保證左右機(jī)械手運(yùn)動的同步性，同步時(shí)間誤差不得超過2微秒，而且單個(gè)機(jī)械手的兩個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動還必須有插補(bǔ)算法的參與，所以在保證插補(bǔ)軌跡的前提下還要保證兩軸間的同步性就顯得十分困難。偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服驅(qū)動器采用分布式時(shí)鐘同步原理來進(jìn)行位置環(huán)的控制，時(shí)間同步周期最短達(dá)到125微秒，兩軸間的位置同步誤差在1微秒左右，所以性能上完全能夠滿足工藝需求。

2）變頻器張力控制部分

系統(tǒng)中張力控制部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二大難點(diǎn)，由于在分條機(jī)運(yùn)行過程中需要不斷地啟停，而張力的波動往往就發(fā)生在啟停階段，所以系統(tǒng)對于張力控制的要求十分嚴(yán)格，偉創(chuàng)AC200-T張力控制專用變頻器是專門為了張力控制嚴(yán)格的場所而設(shè)計(jì)的，即使在頻繁啟停的場所下對于張力控制的精度也能保證在1.5%波動范圍內(nèi)，而且還提供張力錐度控制，使得加工的產(chǎn)品更完美。

貼標(biāo)電子凸輪運(yùn)動部分

系統(tǒng)的貼標(biāo)部分需要用到電子凸輪功能，偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服驅(qū)動器采用分布式時(shí)鐘同步算法，使得從軸跟隨性更強(qiáng)。在貼標(biāo)過程中能夠完美的與主軸進(jìn)行連動完成貼標(biāo)動作。

機(jī)械手位置控制部分算法簡介

整個(gè)系統(tǒng)中較為復(fù)雜的部分是機(jī)械手部分，由于機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)并非采取傳統(tǒng)的XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)，而是采取雙關(guān)節(jié)式機(jī)械手設(shè)計(jì)，所以對于機(jī)械手末端位置的坐標(biāo)需要利用正反解算法來確定，由于整個(gè)系統(tǒng)程序過于龐大，所以在這里筆者只分享下雙關(guān)節(jié)機(jī)械手的正解算法以及怎樣控制機(jī)械手以插補(bǔ)運(yùn)動的方式運(yùn)行到指定位置。

由（θ，α）

確定（X，Y）的關(guān)系式：

由：

以下為機(jī)械手控制的部分算法程序：

3.現(xiàn)場照片

4.結(jié)束語

偉創(chuàng)電氣一直致力于研發(fā)更具優(yōu)勢的總線型伺服驅(qū)動器，目前已經(jīng)成功研發(fā)包括CANopen，EtherCAT，M-II等多種高性能的總線型伺服驅(qū)動器，并且已經(jīng)在市場上得到了大量的實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，偉創(chuàng)總線型伺服驅(qū)動器無論是在性能還是在穩(wěn)定性方面都已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度。