電子凸輪技術(shù)在膠囊殼生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究

強明輝，付雪松

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050）

凸輪是用于實現(xiàn)機械三維空間聯(lián)動傳動關(guān)系與控制的機械結(jié)構(gòu)。自動化運動控制系統(tǒng)用軟件程序與伺服電機實現(xiàn)三維空間聯(lián)動傳動關(guān)系與控制的軟件系統(tǒng)即為電子凸輪功能。伺服運動控制系統(tǒng)的電子凸輪功能可以實現(xiàn)從動桿直線往復(fù)運動，替代原有的通過凸輪產(chǎn)生從動桿直線運動的機械機構(gòu)，從而達到高速精確控制、柔性化設(shè)計、維護成本低的目的[1-2]。通過合理地選擇或者設(shè)計凸輪機構(gòu)從軸的運動規(guī)律，可以使凸輪機構(gòu)具有比較好的動力學(xué)以及運動學(xué)特性[3]。目前，采用數(shù)字技術(shù)和伺服控制的電子凸輪可以使從動桿實現(xiàn)各類運動規(guī)律，且具有精度高、無磨損、柔性化設(shè)計易控制等優(yōu)點，逐漸獲得廣泛應(yīng)用[4]。

傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)，采用往復(fù)的多段速運動設(shè)計方案，是對多段路徑PR的正反向的疊加處理。對每段PR路徑進行速度和位置規(guī)劃，是導(dǎo)致速度過渡不平滑現(xiàn)象的主要原因，且編寫程序復(fù)雜，查找錯誤困難。膠囊生產(chǎn)中液態(tài)的原材料對設(shè)備的機械慣性要求嚴格，速度的不平滑將直接導(dǎo)致膠囊殼壁厚不均勻。伺服控制系統(tǒng)的電子凸輪功能可以實現(xiàn)多段速柔性直線周期往復(fù)運動，具有高速精確控制、柔性化設(shè)計、查錯時間短和成本低的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于包裝、制藥、輪切等生產(chǎn)中[5]。

在此，采用電子凸輪技術(shù)，基于臺達AHPLC500系列PLC以及運動控制模塊20MC、伺服控制器、交流伺服電機、編碼器，研制了一套完整裝置，以替代傳統(tǒng)的多段速伺服控制系統(tǒng)。

1 蘸膠工藝

膠囊殼的制作過程主要為蘸膠，在不銹鋼模具上形成一層明膠薄膜；明膠薄膜變干硬化后形成膠囊；從模具上取下膠囊。所用模具一般有2種尺寸，分別用來制作膠囊體和直徑稍大的膠囊帽。國家標(biāo)準(zhǔn)對膠囊殼的長度和厚度都有相應(yīng)的規(guī)定，因此對蘸膠機構(gòu)的控制提出了更高的要求。就腸溶性膠囊殼生產(chǎn)線的蘸膠工藝而言，下降過程分為4段速度，上升過程分為7段速度，下降到最低點時還需要停留一段時間。

蘸膠，是指蘸膠架上的金屬模針由電機帶動，并緩慢浸入膠液，然后再帶著蘸膠架緩慢提升到位。其整個過程分為下降段、停頓以及上升段3個階段。此外，為了滿足膠囊殼不同部位對壁厚的不同要求，蘸膠架上的金屬模針在浸入膠液后，電機要以不同的段速帶動蘸膠架緩慢下降。如果速度過快，一方面會將空氣帶入膠液引起氣泡，影響膠液的質(zhì)量，另一方面膠囊殼的壁厚達不到要求。尤其是蘸膠架上的金屬模針浸入膠液后，浸沒深度受到嚴格限制，從膠液中抽出金屬模針的速度更要緩慢均勻。

模針浸入膠液中，要有一定的停留時間和浸入長度即膠囊殼的長度。在上升時模針壁粘有膠液，由于國家標(biāo)準(zhǔn)對膠囊殼厚度的規(guī)定，上升過程需要多段速度平滑過渡，以防止由于慣性使膠囊殼的厚度不均勻。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案

基于可編程控制器PLC以及運動控制模塊，實現(xiàn)了電子凸輪的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子凸輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Electronic cam control system structure

可編程控制器與運動模塊互相通信，實時讀取和接收對方信息，完成對伺服驅(qū)動器的三閉環(huán)控制，即電流環(huán)控制、速度環(huán)控制、位置環(huán)控制。

控制系統(tǒng)與伺服電機和連動桿組合，形成電子凸輪，交流伺服電機具備控制和驅(qū)動的雙重功能，通過霍爾開關(guān)將速度和位移反饋給伺服驅(qū)動器從而形成閉環(huán)控制。閉環(huán)控制具備控制精度高、對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感的特點，該生產(chǎn)線采用前、后2個人機交互端對其進行控制。根據(jù)要求可以通過人機交互端改變電子凸輪表的關(guān)鍵點，從而改變運動軌跡，使電子凸輪在一定程度上具有通用性、適應(yīng)性和智能性。

PLC與運動控制模塊以及運動控制模塊與伺服驅(qū)動器，通過基于運動控制系統(tǒng)DMCNET總線進行通訊。DMCNET是臺達公司針對目前工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的實際需求及未來發(fā)展趨勢設(shè)計研發(fā)的高速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的運動系統(tǒng)。它采用了臺達公司自主研發(fā)的高速總線型運動控制通信協(xié)議，通信線纜為超五類屏蔽以太網(wǎng)電纜 CAT-5e STP（24AWG/4PAIRS），傳輸數(shù)據(jù)速率高達20 Mb/s，資料更新頻率超過2 kHz，通訊周期至少500 μs，最遠通信距離可達30 m，采用不同CRC校驗碼雙路通信。使用該通信網(wǎng)絡(luò)，安裝方便，實時性效果好。

臺達20MC運動控制器除了實現(xiàn)直線/圓弧插補以及定位功能之外，內(nèi)嵌電子凸輪功能，可用于多種運動控制場合。20MC為多軸運動控制器，具有多路500 kHz的輸入與輸出，在電子凸輪功能中定義X軸為從軸，Y軸為主軸，當(dāng)定義好凸輪表后，從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運動。主軸來源可以是實軸、編碼器位置、虛擬主軸等，最多可搭載16個從軸，其中第1～12為實從軸，第13～16為虛擬軸專用。

本研究采用臺達可編程控制器AH500系列和運動控制模塊20MC作為控制器。軟件分別使用ISPsoft和PMsoft作為上層用戶運動控制程序的開發(fā)環(huán)境。用戶可以采用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本（ST）、梯形圖（LD）、功能塊（FBD）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL）等 5種語言進行編程，同時結(jié)合基于PMsoft軟件下功能塊庫中的運動控制模塊，如 T_CamIn，T_ReISeg_E，T_AbsSegI_E，T_DMCServoHoming_E等MC功能塊。在此，通過編程可以實現(xiàn)電機的初始化、使能，主、從軸實現(xiàn)電子凸輪的嚙合、運動等，程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程Fig.2 Program flow chart

電機使能從軸的伺服電機使能通過T_DMCControllnit模塊進行。

電子凸輪表初始化通過T_CamIn模塊定義主軸來源、凸輪表主軸啟動角度、從軸輸出設(shè)定、正周期停止命令等。

電機嚙合使主、從電機按照所設(shè)計的電子凸輪表嚙合。

電機驅(qū)動驅(qū)動虛擬主軸電機，使從軸的伺服電機同樣運行到對應(yīng)的目標(biāo)位置。

3 電子凸輪的設(shè)計

3.1 電子凸輪數(shù)據(jù)的建立

蘸膠機構(gòu)的多段速運動過程，各段速的長度和速度通過觸摸屏進行設(shè)置，故需要定義主軸與從軸之間的關(guān)系，建立電子凸輪數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用虛擬主軸形式，這樣計算簡單。通過實際測量和反復(fù)計算，得到1 mm=1920脈沖數(shù)，給定主軸作勻速運動，主軸速度為5000脈沖數(shù)/s。以一次蘸膠為例，有體蘸膠和帽蘸膠之分，兩者的運動軌跡和行程一致，故僅討論體一次蘸膠，算法程序如圖3所示。體一次蘸膠動作是先下降后上升，下降過程為7段速度，上升過程為4段速。

以式（1）作為主、從軸的電子凸輪數(shù)據(jù)建立的依據(jù)。由式（1）可見，選用虛擬軸作為電子凸輪的主軸，計算簡單方便。

圖3 體第一次蘸膠算法程序Fig.3 Body first dipping algorithm program

在小空間內(nèi)完成蘸膠工藝的往復(fù)運動，就需要在滿足工藝精度要求的前提下對電子凸輪表進行設(shè)計。本系統(tǒng)的蘸膠工藝最大行程為50 mm，需要完成11段不同長度和速度的轉(zhuǎn)換。通過人機交互端對每段長度和速度進行賦值，人機交互界面如圖4所示。

圖4 體帽一次蘸膠人機交互界面Fig.4 Body cap once dipping in human-computer interaction interface

在控制器編程軟件PMsoft中，要先建立空白的電子凸輪表，完成賦值后保存設(shè)置，在PC端進行上傳操作。這樣，就可以查看到通過建立的函數(shù)關(guān)系和在上位機對關(guān)鍵點進行賦值的電子凸輪曲線。

3.2 電子凸輪曲線設(shè)計

20MC提供2種電子凸輪曲線的建立方法：①使用DTO指令自動生成電子凸輪曲線；②使用PMsoft CAM Chart繪制電子凸輪曲線。本文采用方法1生成蘸膠工藝的電子凸輪曲線。

20MC規(guī)劃16個特殊模塊，分別供電子凸輪表0～15使用，其模塊所在編號為K100～K115，通過DTO指令使用者可以在程序建立或修改電子凸輪數(shù)據(jù)。電子凸輪數(shù)據(jù)為浮點數(shù)型態(tài)，而使用PMSoft ECAM Chart產(chǎn)生的電子凸輪數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)成浮點數(shù)型態(tài)，在PMSof監(jiān)控表監(jiān)控電子凸輪數(shù)據(jù)時要使用浮點數(shù)型態(tài)。自動生成電子凸輪數(shù)據(jù)的指令格式如圖5所示，在此CAM0～CAM15被當(dāng)成第100～115個特殊模塊，生成電子凸輪表程序如圖5所示。

圖5 生成電子凸輪表程序Fig.5 Generates an electronic cam table program

為了保證速度曲線、加速度曲線存在且連續(xù)，防止速度沖擊和系統(tǒng)擾亂，提高機構(gòu)運動性能，本研究在上升和下降階段采用5次多項式作為插值函數(shù)。運動控制軟件根據(jù)電子凸輪曲線所對應(yīng)的插值關(guān)系，計算出每個伺服周期和伺服電機應(yīng)到達的位置。通過對關(guān)鍵點的賦值，從而適應(yīng)不同的加工工藝。圖6為電子凸輪曲線界面。由圖可見，在下降和上升過程中速度間轉(zhuǎn)化平滑，克服了傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)的不平滑現(xiàn)象，從而克服了膠囊液體材質(zhì)的慣性因素。

在腸溶性膠囊殼自動生產(chǎn)線后期冷試車期間，蘸膠機構(gòu)帶有負載的情況下，監(jiān)測到伺服電機1個蘸膠周期的實際速度曲線，如圖7所示。由圖可見，1個蘸膠周期內(nèi)共有11段速，在持續(xù)同一速度期間電機速度有波動，與理論情況不符。這是由于伺服電機在帶有負載的情況下，機構(gòu)克服摩擦力做功所致。由實際生產(chǎn)可知，這種波動不影響膠囊殼壁的均勻度，符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 電子凸輪曲線界面Fig.6 Electronic cam curve interface

圖7 伺服電機實際速度曲線Fig.7 Servo motor actual speed curve

3.3 程序設(shè)計

依據(jù)蘸膠工藝以及觸摸屏所連寄存器地址，在PMsoft下設(shè)計蘸膠工藝控制的主程序。部分主程序如下：

4 電子凸輪功能測試

在電子凸輪測試中，設(shè)置主軸為虛擬主軸，按照一定速度勻速運動。通過對主軸的速度進行積分，得到主軸的位移。通過人機交互端對關(guān)鍵點進行賦值，生成的電子凸輪曲線，經(jīng)過插值后輸出給從軸位置環(huán)。最終，通過DMCNET總線發(fā)送給各個伺服驅(qū)動器，在下一個通信周期開始，收到同步數(shù)據(jù)幀后，開始同步運動。

經(jīng)測試，從軸能夠較好地跟隨實時以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，下一個周期反饋的實際速度值達到了上一個周期發(fā)送的指令速度值，并且實現(xiàn)了電子凸輪功能。

5 結(jié)語

本研究利用臺達伺服控制系統(tǒng)與絲杠平臺相結(jié)合，采用電子凸輪功能實現(xiàn)絲桿的直線往復(fù)運動。試驗結(jié)果表明，通過對關(guān)鍵點的賦值可以靈活地生成電子凸輪曲線，可以完成不同的生產(chǎn)工藝，大大地提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。同時，電子凸輪技術(shù)更為柔性化，在多段速轉(zhuǎn)化時克服了不平滑的現(xiàn)象，生產(chǎn)的膠囊殼厚度均勻，符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果證實，電子凸輪技術(shù)為機械設(shè)備的柔性生產(chǎn)提供了有益的借鑒。

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