摘要：本文主要介紹了利用臺(tái)達(dá)高性能A2伺服電子凸輪(CAM)功能，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)餃子機(jī)面皮快速壓合，使得壓合時(shí)間更充分，餃子成型更美觀的同時(shí)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，提高客戶產(chǎn)品的市場競爭力。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)器;電子凸輪;無軸傳動(dòng)編碼器

1引言

餃子機(jī)采用模擬手工餃子的壓片包合的成型特點(diǎn)，雙控雙向定量供料原理，生產(chǎn)時(shí)不需要另制餃子皮，只需要將面團(tuán)與餡料放入進(jìn)料口，開機(jī)即可自動(dòng)生產(chǎn)出餃子，其中壓合的過程及其重要，壓合的過程又必須與主軸同步，根據(jù)主軸的速度來確定壓合時(shí)間，壓合時(shí)間直接影響壓合度，壓合度影響餃子的質(zhì)量，傳統(tǒng)餃子機(jī)一般采用機(jī)械傳動(dòng)或者氣動(dòng)傳動(dòng)與主軸同步。機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；凸輪機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)：凸輪與從動(dòng)件間為點(diǎn)或線接觸，易磨損；因食品機(jī)械的特殊性，機(jī)器每天都要清洗，機(jī)器壓合部分極易藏垢納污，屬于必須徹底清洗部分，但機(jī)械傳動(dòng)部分清洗困難，復(fù)雜，傳動(dòng)部分在維修時(shí)也非常麻煩，客戶在使用過程中非常不便。而使用氣動(dòng)壓合雖然避免上述問題，但存在著同步不準(zhǔn)確，在低速時(shí)響應(yīng)，壓合都很好，但在高速時(shí)響應(yīng)就不夠了，壓合的餃子廢品率極高。如果采用電子凸輪，能達(dá)到機(jī)械凸輪的效果，還能避免機(jī)械凸輪的劣勢，極大的提升機(jī)器的綜合性能。

2全自動(dòng)餃子機(jī)機(jī)構(gòu)和原理

2.1全自動(dòng)餃子機(jī)共包含以下部分機(jī)構(gòu)，分述如下:

(1)機(jī)架

機(jī)架由角鋼框架及不銹鋼臺(tái)面組成，并設(shè)置水平調(diào)節(jié)裝置便于調(diào)整水平位置，當(dāng)設(shè)置移動(dòng)到位后可由此裝置調(diào)整水平位置。

(2)主轉(zhuǎn)盤

餃子機(jī)的主要部件，所有其他分部動(dòng)作都以此為基準(zhǔn)通過一定的比例來動(dòng)作，上面裝有餃子承載機(jī)構(gòu)，推出裝置，由臺(tái)達(dá)EL系列變頻器驅(qū)動(dòng)，是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的主軸。

(3)壓合裝置

主要由臺(tái)達(dá)A2系列1kW伺服電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，是電子凸輪運(yùn)動(dòng)中的從軸，如圖1所示。

圖1壓合裝置圖

(4)電氣控制

包含電氣控制箱，觸摸屏操作盒。采用臺(tái)達(dá)ES2做為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)交換，伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)餃子機(jī)的快速生產(chǎn)，如圖2所示。

圖2電氣控制圖

2.2設(shè)備工藝流程

啟動(dòng)機(jī)器壓合裝置回原點(diǎn)→選擇生產(chǎn)模式→設(shè)定參數(shù)→跟隨啟動(dòng)→循環(huán)生產(chǎn)。

2.3電氣系統(tǒng)配置

電氣系統(tǒng)控制主要包括壓合裝置，主軸速度動(dòng)作控制部分，具體配置如附表所示。

根據(jù)客戶提供使用要求，主軸最快速度20轉(zhuǎn)/分，主軸每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，壓合裝置壓合6次，壓合速度為20×6=120次/分，每次壓合時(shí)間為60/120=0.5s。

壓合距離為50mm，一次完整的壓合包括壓緊→松開。中途停留最少100ms，壓合完成后停留170ms留給伺服的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為500ms-100ms-170ms=230ms。

絲杠螺紋為10mm，來回100mm在230ms內(nèi)完成，計(jì)算出伺服的速度為100mm/10mm/0.23s×60=2608轉(zhuǎn)/分，選擇臺(tái)達(dá)A2低慣量750W伺服電機(jī)。

PLC控制普通I/O點(diǎn)并通過RS485與變頻器通訊控制變頻器頻率，選用臺(tái)達(dá)DVP-40ES200T，主軸方面主要控制轉(zhuǎn)速，選用臺(tái)達(dá)高性價(jià)比EL系列變頻器。

壓合裝置要求定位準(zhǔn)確無誤，上面裝有原點(diǎn)開關(guān)和限位開關(guān)，以保證機(jī)械的安全性。采用上電回原點(diǎn)，并且偏移一段位置，再把原點(diǎn)開關(guān)作為負(fù)限位來使用。

附表電氣系統(tǒng)配置

3電子凸輪功能應(yīng)用介紹

3.1電子凸輪的應(yīng)用方案

本方案在于A2伺服電子凸輪功能的應(yīng)用，在壓合一次餃子的過程中被劃分為同步區(qū)域和異步區(qū)域，包括同步起始點(diǎn)，加速位置，同步位置，減速位置，基準(zhǔn)參考點(diǎn)，這些都是根據(jù)主軸的位置和壓合長度，絲桿螺距等計(jì)算出來的結(jié)果，在A2伺服內(nèi)設(shè)置好CAM曲線，測量的高速編碼器信號(hào)直接接入伺服的高速脈沖輸入口，不做任何運(yùn)算，直接按A2伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)置好的數(shù)據(jù)軌跡走，因此響應(yīng)的速度非?？?，保證了在同步周期內(nèi)有足夠的壓合時(shí)間。

3.2電子凸輪的實(shí)現(xiàn)方式

(1)獲取主軸的位置

獲取主軸位置有幾種方法：一是采用虛擬軸，計(jì)算簡單準(zhǔn)確；二是從主軸編碼器獲取；三是從變頻器脈沖獲取，將信號(hào)進(jìn)行處理；這個(gè)系統(tǒng)采用的是第二種方案。由編碼器脈沖獲取主軸的位置。

(2)實(shí)現(xiàn)主從軸的嚙合

實(shí)際上是定義主從軸之間的關(guān)系(稱之為camtable)。Camtable有兩種方法表述：一是采用X，Y的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的關(guān)系，二是采用2者的函數(shù)關(guān)系，camtable的獲取也有多種途徑：根據(jù)實(shí)際工作中測量的點(diǎn)與點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主從軸的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系。camtable可以定義多個(gè)cam曲線，關(guān)系確定和實(shí)現(xiàn)后，根據(jù)主軸的位置，就能得到從軸的位置，在A2伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，CAM曲線既可通過手動(dòng)編程時(shí)生成也可以通過程序自動(dòng)生成，本程序通過手動(dòng)生成。

3.3臺(tái)達(dá)A2伺服驅(qū)動(dòng)器電子凸輪功能介紹

臺(tái)達(dá)A2-M伺服驅(qū)動(dòng)器除了實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)，CANOPEN功能外，內(nèi)嵌了電子凸輪功能，使其可以應(yīng)用在多種運(yùn)動(dòng)控制場合，如圖3、圖4所示。

A2伺服驅(qū)動(dòng)器的PT模式是根據(jù)外界輸入的脈沖數(shù)(Master)，作為位置命令(Slave)的參考值，兩者之間僅是線性關(guān)系(比例即為電子齒輪比)。然而電子凸輪的概念是將兩者之間的關(guān)系重新定義，不再是單純的線性關(guān)系，而是周期性的曲線關(guān)系，如同凸輪的輪廓外形一般。

傳統(tǒng)機(jī)械中，使用凸輪可以讓主動(dòng)軸單純的等速運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變成從動(dòng)軸的變速度運(yùn)動(dòng)/往復(fù)運(yùn)動(dòng)/間歇運(yùn)動(dòng)…等等，應(yīng)用場合非常廣泛！

圖3臺(tái)達(dá)A2伺服驅(qū)動(dòng)器

圖4臺(tái)達(dá)A2伺服電子凸輪實(shí)現(xiàn)示意圖

3.4A2伺服電子凸輪的實(shí)現(xiàn)

圖5壓合裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置的位置

圖6壓合裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置的速度

圖7壓合裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置的加速度

圖5、圖6、圖7是以餃子壓合裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置的位置，速度和加速度圖，通過壓合裝置和主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，手動(dòng)建表而成。通過上述圖形，我們可以很直觀的來規(guī)劃電子凸輪的曲線，并且可以預(yù)判凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，避免電子凸輪設(shè)置不合理，對(duì)機(jī)械裝置和伺服造成劇烈的震動(dòng)。

在命令來源選項(xiàng)中，選擇pulseCmd脈沖命令嚙合時(shí)機(jī)選為：立即脫離時(shí)機(jī)選為master軸超出設(shè)定位移量則脫離，并且脫離后關(guān)閉凸輪功能電子凸輪啟動(dòng)方式為通過外部I/O觸發(fā)。

圖8電子凸輪曲線下的運(yùn)行圖

圖8為設(shè)備運(yùn)行中，通過臺(tái)達(dá)ASD-SOFT軟件示波器抓取伺服在電子凸輪曲線下的運(yùn)行圖，(圖中的脈沖間隔？前后沿陡直，幅值平滑?？烧f明)以看到伺服動(dòng)作軌跡完全能滿足客戶的要求，且與使用氣動(dòng)壓合雖然避免上述問題，但存在著同步不準(zhǔn)確，在低速時(shí)響應(yīng)，壓合都很好，但在高速時(shí)響應(yīng)就不夠了，壓合的餃子廢品率極高。如果采用電子凸輪，能達(dá)到機(jī)械凸輪的效果，還能避免機(jī)械凸輪的劣勢，極大的提升機(jī)器的綜合性能。

4結(jié)論

以上方案通過實(shí)際使用效果驗(yàn)證，已在客戶處大量使用，此種方案的優(yōu)勢在于：在軟件方面，不需要在客戶以前的PLC程序上做大的改動(dòng)，只需添加幾步程序即可，不會(huì)破壞客戶原有的架構(gòu)，使用起來方便簡單。硬件方面：只需增加幾個(gè)接近開關(guān)和編碼器就能正常使用，并且編碼器信號(hào)直接進(jìn)入伺服，不需要在PLC程序上做出運(yùn)算。雖然更換了伺服上去，但減少了大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)，成本并沒有提高，還提高了生產(chǎn)機(jī)器的生產(chǎn)效率，提升了機(jī)器的自動(dòng)化程度，市場前景廣闊。

此外，電子凸輪還有各種功能，能在應(yīng)用在各種較高要求的運(yùn)動(dòng)控制中，例如：包裝行業(yè)的飛剪，機(jī)床行業(yè)的飛鋸，印刷行業(yè)的套印，紡織行業(yè)的排線繞線等。