基于實時工業以太網的輪切運動控制系統設計

李云龍 常伯倫 李偉 劉斌

摘? ?要：輪切運動控制工藝在沖孔、橫封、飛剪等工業生產控制設備中應用廣泛，常應用于冶金、包裝、印刷等行業中，其核心控制思路是基于電子凸輪系統實現多軸的同步運動控制工藝。研制了一種基于實時工業以太網的輪切運動控制實訓設備，該設備綜合利用網絡通訊技術、伺服驅動技術、電子凸輪運動等技術，通過在運動控制器中進行凸輪曲線的計算，可方便地對輪切運動控制進行運行調試。應用結果表明，該種實現方式可實時調整電機的運行狀態，實現對刀輥軸電機的同步控制，達到很好的教學應用效果。

關鍵詞：運動控制;電子凸輪;伺服驅動

輪切運動是一種廣泛應用的工業生產設備控制工藝形式，包括沖孔、扎花、橫封、飛剪等，都屬于輪切控制工藝的具體應用。比如工業上用的飛剪裝置，是一種可實現連續定長剪切的自動化設備，通常用于金屬、紙張、塑料等帶材的裁切，其控制的核心問題是應用電子凸輪系統實現刀輥的運動控制，通過控制刀輥軸和進料主軸的相對運動實現自動定長剪切[1]。

目前，現有的輪切運動控制技術應用實訓裝置結構單一，與復雜的工業生產控制工藝聯系不緊密，可選擇的教學實訓平臺十分有限，很難滿足大學應用技術對于人才培養的要求。因此，開發全方面培養學生技術應用能力的實訓設備至關重要。天津中德應用技術大學根據課程體系教學需要，開發出一種基于實時工業網絡的飛剪運動控制實訓設備，該套實訓設備擁有最大限度的自主權，可以在一個實訓平臺上實現多種教學目標以及更深層次的開發，提高實訓系統的利用率。本研究設計的伺服飛剪運動控制實訓裝置，由基于實時工業網絡的運動型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制器，結合工業生產輪切運動控制工藝實現，可廣泛地應用于運動控制系統的教學與培訓。

1? ? 輪切控制工藝算法

輪切運動是電子凸輪的一個重要應用形式，電子凸輪是由數字控制器實現的凸輪功能，凸輪曲線用于控制刀輥的運動。刀輥軸運動包含同步區和非同步區，剪切時刀輥電機應工作在同步區，保證刀輥速度與主軸進給線速度同步。非同步區是指刀輥軸在兩次剪切動作之間的區域，在這個區域內，刀輥軸經過運動控制器的控制，進行適當的加、減速以調節位置，保證在下一次剪切時可以與材料進給軸保持同步[2]。

當剪切單元長度不同時，運動控制器需要重新計算凸輪曲線數據。本研究設計的凸輪曲線是通過5次多項式曲線來表達的，其優勢是保證了刀輥軸位置、速度和加速度的連續性，可使凸輪曲線更加平滑、刀輥軸的運轉更加平穩[3]。

刀輥軸的凸輪曲線多項式如式（1）所示，在運行過程中由運動控制器實現對該多項式系數的計算。

y=f（x）=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5（1）

式（1）中的6個系數需要6個方程式來求解。為了求得這6個方程式的解，需要對凸輪曲線進行分段表達，并且對非同步區進行歸一化處理，從而對系數求解方程組進行簡化。位置曲線、速度曲線、加速度曲線表達式分別如式（2）—（4）所示。

位置曲線為：

y=f（x）=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5（2）

速度曲線為：

y'=f '（x）=A1+2A2x+3A3x2+4A4x3+5A5x4（3）

加速度曲線為：

y''=f ''（x）=2A2+6A3x+12A4x2+20A5x3（4）

將輪切曲線邊界條件分別代入式（2）、式（3）、式（4）3個方程中，可以得到：

y（0）=f（0）=0=A0

y（1）=f（1）=Δy/Δx=A0+A1+A2+A3+A4+A5

y'（0）=f '（0）=1=A1

y'（1）=f '（1）=A1+2A2+3A3+4A4+5A5

y''（0）=f ''（0）=0=2A2

y''（1）=f ''（1）=2A2+6A3+12A4+20A5

根據這個方程組，即可對系數進行求解，根據上述表達式編制程序實現凸輪曲線。

2? ? 輪切運動控制系統結構組成

輪切運動控制實訓設備以電子凸輪系統實現多軸的同步運動控制工藝作為應用背景，以PLC作為主要運動控制器，實現同步算法的分析設計、多優化控制參數、交流伺服控制系統和電子凸輪控制工藝的綜合應用。人機界面完成對主軸送料進給軸和電子凸輪刀輥軸的復位、啟動和停止，并通過輸入相應的剪切長度來控制和觀察電子凸輪刀輥軸以及主軸送料進給軸的響應曲線、時間。操作按鈕完成的是對該控制系統的啟停控制。運動控制器完成對電子凸輪的同步區和非同步區的轉速計算與調節，并根據不同的剪切長度，及時調整刀頭的位置，為下一次剪切做準備。刀輥軸以及送料主軸均有伺服電機來驅動，運動控制器通過EtherCAT工業以太網通信的方式，通過網線連接伺服驅動器，并通過EtherCAT協議進行數據交換，實現通過伺服驅動器控制電子凸輪刀輥軸和主軸送料進給軸轉動。主軸及刀輥軸的位置檢測均由伺服電機自帶的高精度編碼器實現，高速傳感器是一種色標傳感器，檢測輪切運動的啟動信號。輪切運動控制系統結構組成如圖1所示。

2.1? 運動控制器

本研究選用匯川AM600運動控制PLC作為運動控制器實現輪切凸輪曲線的計算與生成。AM600系列PLC是一款采用模塊化結構設計的中型可編程控制器。本地擴展模塊通過內部總線協議進行輸入/輸出（Input/Output，IO）擴展，支持數字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊;支持通過EtherCAT總線實現運動控制功能，最大支持32軸的運動控制，具有單軸加減速控制、電子齒輪、電子凸輪等功能。

其凸輪運動特性如下：

（1）凸輪形狀制作容易：采用凸輪表、凸輪曲線描述。

（2）凸輪形狀容易多樣：支持多個凸輪表選擇、動態切換。

（3）凸輪形狀修改容易：允許凸輪表關鍵點動態修改。

（4）多個凸輪從軸：允許有多個凸輪從軸。

（5）凸輪挺桿：允許有多個凸輪挺桿、多個設置區間。

（6）凸輪離合器：可快捷實現凸輪運行的進入與退出。

（7）電子凸輪特有功能：支持虛擬主軸、相位偏移、輸出疊加功能。

2.2? 伺服驅動器

伺服驅動器選用匯川IS620N系列伺服系統，該驅動器采用以太網通訊接口，支持EtherCAT通信協議，可配合控制器實現多臺伺服驅動器聯網運行。伺服系統配有中小慣量的帶有20位增量編碼器的高響應伺服電機，可精確快速地實現多電機協同控制運行。

2.3? 高速傳感器

選用松下LX-101高速傳感器實現色標檢測功能，該傳感器具有45 ?s的超高速反映色標模式。具有“最佳LED自動選擇功能”，將色標和底色反射量差距進行對比來自動辨別LED，能進行更為可靠的檢測，運行更加穩定。

3? ? 輪切運動控制軟件實現

AM600的凸輪運算采用純軟件方式執行，相比硬件凸輪運算，具有更好的功能靈活性。電子凸輪的基本指令功能塊包括凸輪表選擇功能塊、凸輪進入控制功能塊、凸輪退出控制功能塊。

3.1? MC_CamTableSelect凸輪表選擇功能塊

本指令的功能是關聯主軸、從軸、凸輪表三者關系、指定凸輪曲線的適用周期性等，凸輪運行中，每次EtherCAT中斷都會掃描該功能塊，解析CAM凸輪表，計算從軸的下一個目標點。

3.2? MC_CamIn凸輪進入控制功能塊

本指令的功能是使凸輪從軸進入與凸輪主軸同步運行狀態，根據凸輪表的位置關系，控制凸輪從軸調整到對應的目標點。

3.3? MC_CamOut凸輪退出控制功能塊

本指令的功能是使凸輪從軸脫離凸輪運行狀態。

電子凸輪功能塊的執行原理如下：

控制器每次進入EtherCAT中斷，進行凸輪運算，按照以下步驟運行。

（1）凸輪主軸根據其運動控制指令、當前位置、速度、加減速設置，計算得到主軸的下一目標位置、運行速度。

（2）演算一次凸輪相關功能塊，根據主軸的下一目標位置、凸輪曲線關系，參考從軸的當前位置等，計算得到從軸的下一目標位置、運行速度。

（3）將下一目標位置及速度分別發送給主軸、從軸，令其運行。

4? ? 輪切運動控制裝置應用效果

該套輪切運動控制實訓裝置在運動控制課程實踐教學上的提升主要體現在以下3個方面：

（1）所用設備豐富，包含了現階段的主要工業運動控制設備，應用了先進的工業以太網絡通信技術，可進行伺服控制技術、運動控制技術、人機界面技術的實踐教學，在教學中可以進行有機的模塊分解，提升教學效果，提高設備利用率。

（2）設備可用于單個模塊教學也可以用于系統教學，可實現不同課程的實訓任務，實訓形式多樣。

（3）該實訓裝置通過設計基于5次多項式的電子凸輪曲線的控制系統，實現定長剪切過程中的加速與減速的求解過程，解決運動控制系統在典型裝備中的應用問題。

5? ? 結語

該套實訓裝置教學設計理念領先、技術可靠，具有一定的前瞻性，設備在教學、師資培訓、企業培訓方面均可使用，在職業院校具有很強的推廣應用價值。

[參考文獻]

[1]李俊美.輪切電子凸輪的研究與開發[D].武漢：華中科技大學，2012.

[2]馬文明，楊富凱，尚? 苗.瓦楞紙板飛剪控制系統的設計及應用[J].中國造紙，2019，38（3）：51-55.

[3]張玉磊.基于ARM的飛剪伺服系統的研究與實現[D].沈陽：中國科學院大學（中國科學院沈陽計算技術研究所），2017.

[4]陳冬玲.伺服系統在連續式飛剪系統中的設計與應用[J].電氣傳動，2014，44（12）：67-69.