電子凸輪技術在膠囊殼生產線中的應用研究

強明輝，付雪松

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050）

凸輪是用于實現機械三維空間聯動傳動關系與控制的機械結構。自動化運動控制系統用軟件程序與伺服電機實現三維空間聯動傳動關系與控制的軟件系統即為電子凸輪功能。伺服運動控制系統的電子凸輪功能可以實現從動桿直線往復運動，替代原有的通過凸輪產生從動桿直線運動的機械機構，從而達到高速精確控制、柔性化設計、維護成本低的目的[1-2]。通過合理地選擇或者設計凸輪機構從軸的運動規律，可以使凸輪機構具有比較好的動力學以及運動學特性[3]。目前，采用數字技術和伺服控制的電子凸輪可以使從動桿實現各類運動規律，且具有精度高、無磨損、柔性化設計易控制等優點，逐漸獲得廣泛應用[4]。

傳統的伺服控制系統，采用往復的多段速運動設計方案，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劃，是導致速度過渡不平滑現象的主要原因，且編寫程序復雜，查找錯誤困難。膠囊生產中液態的原材料對設備的機械慣性要求嚴格，速度的不平滑將直接導致膠囊殼壁厚不均勻。伺服控制系統的電子凸輪功能可以實現多段速柔性直線周期往復運動，具有高速精確控制、柔性化設計、查錯時間短和成本低的優點，廣泛應用于包裝、制藥、輪切等生產中[5]。

在此，采用電子凸輪技術，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，以替代傳統的多段速伺服控制系統。

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。國家標準對膠囊殼的長度和厚度都有相應的規定，因此對蘸膠機構的控制提出了更高的要求。就腸溶性膠囊殼生產線的蘸膠工藝而言，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，由于國家標準對膠囊殼厚度的規定，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 系統結構與總體方案

基于可編程控制器PLC以及運動控制模塊，實現了電子凸輪的控制系統，其結構如圖1所示。

圖1 電子凸輪控制系統結構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，完成對伺服驅動器的三閉環控制，即電流環控制、速度環控制、位置環控制。

控制系統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動的雙重功能，通過霍爾開關將速度和位移反饋給伺服驅動器從而形成閉環控制。閉環控制具備控制精度高、對外部擾動和系統參數變化不敏感的特點，該生產線采用前、后2個人機交互端對其進行控制。根據要求可以通過人機交互端改變電子凸輪表的關鍵點，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動器，通過基于運動控制系統DMCNET總線進行通訊。DMCNET是臺達公司針對目前工業現場應用的實際需求及未來發展趨勢設計研發的高速、穩定、精準的運動系統。它采用了臺達公司自主研發的高速總線型運動控制通信協議，通信線纜為超五類屏蔽以太網電纜 CAT-5e STP（24AWG/4PAIRS），傳輸數據速率高達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。使用該通信網絡，安裝方便，實時性效果好。

臺達20MC運動控制器除了實現直線/圓弧插補以及定位功能之外，內嵌電子凸輪功能，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，當定義好凸輪表后，從軸依據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環境。用戶可以采用基于IEC61131-3標準的結構化文本（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，通過編程可以實現電機的初始化、使能，主、從軸實現電子凸輪的嚙合、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、從軸輸出設定、正周期停止命令等。

電機嚙合使主、從電機按照所設計的電子凸輪表嚙合。

電機驅動驅動虛擬主軸電機，使從軸的伺服電機同樣運行到對應的目標位置。

3 電子凸輪的設計

3.1 電子凸輪數據的建立

蘸膠機構的多段速運動過程，各段速的長度和速度通過觸摸屏進行設置，故需要定義主軸與從軸之間的關系，建立電子凸輪數據。

本系統采用虛擬主軸形式，這樣計算簡單。通過實際測量和反復計算，得到1 mm=1920脈沖數，給定主軸作勻速運動，主軸速度為5000脈沖數/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、從軸的電子凸輪數據建立的依據。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

在小空間內完成蘸膠工藝的往復運動，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計。本系統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關系和在上位機對關鍵點進行賦值的電子凸輪曲線。

3.2 電子凸輪曲線設計

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據。電子凸輪數據為浮點數型態，而使用PMSoft ECAM Chart產生的電子凸輪數據已轉成浮點數型態，在PMSof監控表監控電子凸輪數據時要使用浮點數型態。自動生成電子凸輪數據的指令格式如圖5所示，在此CAM0～CAM15被當成第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，防止速度沖擊和系統擾亂，提高機構運動性能，本研究在上升和下降階段采用5次多項式作為插值函數。運動控制軟件根據電子凸輪曲線所對應的插值關系，計算出每個伺服周期和伺服電機應到達的位置。通過對關鍵點的賦值，從而適應不同的加工工藝。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化平滑，克服了傳統伺服控制系統的不平滑現象，從而克服了膠囊液體材質的慣性因素。

在腸溶性膠囊殼自動生產線后期冷試車期間，蘸膠機構帶有負載的情況下，監測到伺服電機1個蘸膠周期的實際速度曲線，如圖7所示。由圖可見，1個蘸膠周期內共有11段速，在持續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，機構克服摩擦力做功所致。由實際生產可知，這種波動不影響膠囊殼壁的均勻度，符合相關的國家標準。

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 程序設計

依據蘸膠工藝以及觸摸屏所連寄存器地址，在PMsoft下設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鍵點進行賦值，生成的電子凸輪曲線，經過插值后輸出給從軸位置環。最終，通過DMCNET總線發送給各個伺服驅動器，在下一個通信周期開始，收到同步數據幀后，開始同步運動。

經測試，從軸能夠較好地跟隨實時以太網發送過來的數據信息，下一個周期反饋的實際速度值達到了上一個周期發送的指令速度值，并且實現了電子凸輪功能。

5 結語

本研究利用臺達伺服控制系統與絲杠平臺相結合，采用電子凸輪功能實現絲桿的直線往復運動。試驗結果表明，通過對關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工藝，大大地提高了生產效率，降低了成本。同時，電子凸輪技術更為柔性化，在多段速轉化時克服了不平滑的現象，生產的膠囊殼厚度均勻，符合國家相關標準。結果證實，電子凸輪技術為機械設備的柔性生產提供了有益的借鑒。

[1]Roundy S，Right P K.A piezoelectric vibration based on generator for wireless electronics[J].Smart Mater&Struct，2004（13）：1131-1142.

[2]Shenck N S，Paradiso J A.Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectric[J].IEEE Micro，2000（21）：30-42.

[3]賴宋紅.電子凸輪控制技術[J].浙江商業職業技術學院，2014，21（6）：84-86.

[4]高琨，張森林.基于PLC控制的電子凸輪系統設計[J].機電工程，2014，31（11）：1419-1422.

[5]增強.基于PLC的電子凸輪控制器[J].流體傳動與控制，2007，5（3）：41-42.

[6]涂曉曼，鄒俊忠，張見.基于伺服電動機的電子凸輪控制系統研究[J].驅動控制，2015，43（1）：70-72.