摘  要：介紹台達DVP-20PM00D運動控製器電子凸輪（CAM）功能，闡述高速繞線機工作原理、工藝要求及相關(guan) 控製程序概要。
關(guan) 鍵詞：運動控製  電子凸輪  主軸  從(cong) 軸  CAM Table

1 引言
    本文介紹的全自動無骨架係列空心電磁線圈高速繞線機，可以繞製傳(chuan) 動線圈，揚聲器線圈，天線線圈以及各種無骨架通用線圈。設備具有性能可靠，高速高效率，自動化程度高，適合於(yu) 線圈製造業(ye) 的批量生產(chan) ，如圖1所示。
 

圖1 空心電磁線圈

一般普通繞線機采用內(nei) 置脈衝(chong) 功能的小型PLC，通過繞線軸編碼器速度輸出到PLC內(nei) 置高速輸入點，將繞線軸與(yu) 排線軸的速比進行簡單速度同步，這種方法受 PLC運算影響，同步精度差，計算量大，CPU處理時間較長，因此會(hui) 出現繞線不均勻，堆積，塌陷等問題，嚴(yan) 重影響繞線成品的質量，舉(ju) 例來說，PLC對繞線軸編碼器作高速計數，當到達計數值時利用中斷方式控製排線軸電機反向繞製，但受CPU運算處理時間的影響會(hui) 出現滯後產(chan) 生誤差，在低速的情況下尚可基本達到繞製要求，但是對於(yu) 高速繞製多層線圈時就會(hui) 出現線圈端麵不齊整，成品品質下降。
台達DVP-20PM00D是一款專(zhuan) 用運動控製型PLC，采用高速雙CPU結構形式，利用獨立CPU處理運動控製算法，可以很好地實現各種運動軌跡控製、邏輯動作控製，直線/圓弧插補控製等，在高速繞線機中利用了20PM運動控製器的電子凸輪功能很好的解決(jue) 了繞線換向出現的繞製不均勻、堆積、不平整等問題，如圖2所示。 

圖2 運動控製器DVP-20PM00D

2   高速繞線機

2.1 設備結構簡介

    高速繞線機共包含九部分機構，如圖3所示。

圖3 高速繞線機

    （1）機架。機架由角鋼框架及不鏽鋼台麵組成，並設置腳輪便於(yu) 移動，當設備到位後可將支腳調低作為(wei) 穩定支撐。
    （2）張力機構。安裝於(yu) 進線部分，作為(wei) 繞線張力調節，保證線圈繞製時維持張力恒定，張力調節器具有調節旋鈕可針對不同需求進行張力調節設定，調整完畢後，張力調節器自動控製繞線張力。
    （3）繞線機構。主要由台達B係列200W伺服電機、同步齒形帶、繞線飛叉組成，是電子凸輪運動中的繞製主軸，銅線經過飛叉旋轉繞製於(yu) 繞線模頭上，是繞線機主要運動部件之一。
    （4）排線機構。包括台達B係列100W伺服電機、精密直線螺杆、精密導軌、氣動滑叉等，是電子凸輪運動中的排線從(cong) 軸，在繞線運動中跟隨繞線主軸正反向往複運動實現排線動作，是繞線機主要運動部件之一。
    （5）工作轉台
    由分度步進電機、旋轉台、線叉、繞線模頭組成，該設備為(wei) 多任務位繞線機，在繞線同時執行模頭預熱、剪線、加熱、脫模等工藝動作，這需要工作轉台按不同工位動作完成。
    （6）剪線機構。為(wei) 氣動執行機構，主要是將繞製完成的線圈兩(liang) 端引線剪斷。
    （7）脫模機構。由分度步進電機、氣動脫模組成，將繞製完成的成品從(cong) 繞線模頭取下。
    （8）熱風係統。設備配置兩(liang) 個(ge) 可調溫度220V熱風槍，在繞線前將模頭預熱，繞線後對線圈進行熱風處理便於(yu) 脫模。
    （9）電氣控製。包含電氣控製箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D運動控製器作為(wei) 控製核心，觸摸屏作為(wei) 人機交換，伺服電機作為(wei) 執行機構，實現轉軸與(yu) 排線的精確控製，從(cong) 而保證繞線的精度。電氣控製係統框圖如圖4所示。

圖4 電氣控製係統框圖

2.2 工藝流程

    繞線頭回原點→進給至起繞點→張力調節→模頭預熱→繞線、排線→加熱→剪線→脫模→成品→退至脫模點→進給至起繞點循環生產(chan) 。

2.3 電氣係統配置

    電氣控製主要包括繞排線部分、步進分度部分、氣缸動作控製部分。具體(ti) 配置如表1所示。

表1 繞線機電控配置

3   台達PLC電子凸輪功能

    高速繞線機的主要控製功能基於(yu) 台達20PM電子凸輪的應用，使繞製產(chan) 品的成品品質及效率大大提高。以下對電子凸輪功能作簡單介紹：

3.1 什麽(me) 是電子凸輪

    參見圖5，凸輪是用於(yu) 實現機械三維空間聯動傳(chuan) 動關(guan) 係與(yu) 控製的機械結構。自動化運動控製係統用軟件程序與(yu) 伺服電機實現三維空間聯動傳(chuan) 動關(guan) 係與(yu) 控製的軟件係統就是電子凸輪功能。從(cong) 圖5可以看到，左邊是我們(men) 常見的機械式凸輪方式，而右邊就是電子凸輪方式。也就是說利用程序的方式（配合伺服單元）完成機械凸輪控製所需要的軌跡，實現主軸和從(cong) 軸的齧合運動。

圖4 電子凸輪功能

3.2 電子凸輪的實現

    （1）獲取主軸位置。獲取主軸位置有多種方法：一是采用虛擬軸，計算簡單準確；二是從(cong) 主軸編碼器或伺服脈衝(chong) 獲取，將主軸編碼器信號進行處理；三是從(cong) 測量編碼器獲取。獲得編碼器信號之後，將其換算成主軸位置。
    （2）實現主從(cong) 軸的齧合。實際上是定義(yi) 主從(cong) 軸之間的關(guan) 係（稱之為(wei) cam table）。cam table有兩(liang) 種方法表述：一是采用X、Y的點對點關(guan) 係；二是采用兩(liang) 者的函數關(guan) 係。cam table的獲取也有多種途徑：根據實際工作中測量到的點與(yu) 點之間的對應關(guan) 係，根據主從(cong) 軸的標準函數關(guan) 係。 cam table可以定義(yi) 多個(ge) cam曲線。關(guan) 係確定和實現後，根據主軸的位置，就能得到從(cong) 軸的位置。

3.3 台達運動控製型PLC的電子凸輪

    台達20PM運動控製器除了實現直線/圓弧插補以及定位功能之外，內(nei) 嵌了電子凸輪功能，使其可以應用在多種運動控製場合。20PM為(wei) 2軸運動控製器，具有2路500KHz的輸入與(yu) 輸出，在電子凸輪功能中定義(yi) X軸為(wei) 從(cong) 軸，Y軸為(wei) 主軸，當定義(yi) 好cam table後，從(cong) 軸依據定義(yi) 的曲線跟隨主軸運動。圖6是電子凸輪圖形化定義(yi) 軟件主界麵。#p#分頁標題#e#

圖6 台達電子凸輪軟件圖形化定義(yi) 主界麵

    在軟件中我們(men) 可以清楚地利用圖形方式設定、修改電子凸輪曲線。當我們(men) 點擊進入資料表單設定按鈕時會(hui) 彈出下麵的區段設置表。使用者需先設定 Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取CAM curve（具有連續、正弦、勻加速等6種曲線，並可加入其它標準曲線和自定義(yi) 曲線）,在設定完成後按下Setting completed按鈕, 即可在主畫麵繪製位移, 速度, 加速度坐標圖7所示。 

圖7台達電子凸輪軟件圖形化定義(yi) 分界麵

    圖8是以高速繞線機為(wei) 例的電子凸輪曲線圖，采用CYCLIC模式排線從(cong) 軸根據繞線主軸連續正反排線。以下是計算主從(cong) 軸關(guan) 係算式：
    主軸轉一圈所出線的距離（圓周長）=π＊D （mm） Or 繞線模具一圈的出線的距離（圓周長）=π＊D （mm）；
    排線從(cong) 軸轉一圈所需脈波數=10000P/R=>相對應轉一圈滾珠螺杆移動之距離=10mm；
    主軸旋轉一圈所需脈波=3600P/R =>從(cong) 軸相對應主軸旋轉一圈所轉動的圈數所需脈波= 100P/R =>相對應滾珠螺杆移動之距離=0.1mm
    Master/Slave關(guan) 係式=（主軸旋轉一圈所需脈波＊凸輪一周期的匝數）/（從(cong) 軸相對應主軸旋轉一圈所轉動的圈數所需脈波＊線徑＊排線寬度的匝數）

圖8  高速繞線機電子凸輪曲線圖

4 繞線控製電子凸輪設計

4.1 程序設計

    程序設計的關(guan) 鍵在於(yu) 高速繞線機的控製難點分析及解決(jue) 方案。
    （1）係統難點。繞線機在換向處出現繞線不均勻、堆積；繞線機換向處出現螺旋紋、不平整；無法進行斜排繞線，奇偶數繞線。
    （2）難點分析。換向處繞線不均勻、堆積情況出現主要是由於(yu) 普通PLC的速度指令處理時間長，換向受程序掃描周期影響，沒有同步指令且無法實時刷新，同時伺服剛性參數，動態響應速度也是原因之一。
    換向處出現螺紋主要是因為(wei) 螺旋繞線方式造成，可采用最後半圈定位繞線解決(jue) 。
    斜排繞線在爬坡時每圈需要增加一個(ge) 線寬和線厚，奇偶數繞線是在每繞一層變換繞線匝數奇偶性，兩(liang) 種繞線方式都需要每次繞線後進行計算，由於(yu) 普通小型PLC運算時間長，導致無法進行高速斜排和奇偶數繞線。

4.2  台達解決(jue) 方案

    由以上分析可以看出，高速繞線機的瓶頸在於(yu) 高速運算及響應，而台達20PM運動控製器除邏輯控製CPU外具有獨立的高速運算CPU，由硬件直接完成高速運算響應，2軸同步控製時間小於(yu) 0.5ms，達到高速繞線需求。關(guan) 於(yu) 台達20PM運動控製器電子凸輪功能及應用在上麵章節已有描述。
    此外，對於(yu) 程序編寫(xie) 也十分簡單方便，利用PMSoft編程軟件設置好cam table後，直接控製對應的內(nei) 部寄存器即可完成電子凸輪運行。表2 為(wei) X軸排線軸內(nei) 部寄存器表，例如在對應的D1511中傳(chuan) 送不同數值即可實現0（停止）、1（正向點動）、2（反向點動）、3（單段速運動）、4（電子凸輪運動），其它寄存器同樣有各自功能。

表2  X軸排線軸內(nei) 部寄存器表

X軸排線軸梯形圖如下：

5 結束語

    基於(yu) 台達20PM電子凸輪功能的繞線機控製係統係統已經投產(chan) 使用，繞線速度最高可達2500r/min，繞製產(chan) 品品質達到用戶需求，台達20PM電子凸輪功能成功應用於(yu) 高速繞線機中。

    電子凸輪功能不僅(jin) 僅(jin) 可以應用在繞線機控製中，通過變換不同的控製曲線，該功能廣泛應用於(yu) 各種較高要求的運動控製中，例如：包裝機行業(ye) 中的飛剪，機床行業(ye) 中的飛鋸，印刷機行業(ye) 中的電子軸裁切及套印，紡機行業(ye) 中的精密絡筒繞線等等。