台达运动控制器20Pm在厚料裁切上的应用.docx
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台达运动控制器20Pm在厚料裁切上的应用
台达运动控制器20Pm在厚料裁切上的应用
摘要：
本文主要介绍台达20PM运动控制器在厚料旋切行业的应用，厚料裁切行业包括钢板裁切，肥皂裁切，厚木板裁切等，与普通旋切有着很大不同的是，主要在于切刀从切入物料，到切断物料，有个过程，在这过程中速度同步区的曲线比率不是一定值，是不断变化的，为了解决这个问题，利用台达20PM内置厚料飞剪功能出色完成了各项需求，
实现输送和裁切速度同步，并就切皂机设备阐述了厚料裁切的工作原理、工艺要求及厚料飞剪功能的应用概要。
关键字：
台达20PM运动控制器凸轮功能厚料飞剪速度补偿CAM曲线
一：
前言
傳統的裁切系統，都是在材料開始加工之前先由送料馬達將材料送出指定的長度，等材料穩定停止之後，隨後再進行正常的加工作業。
因此基本上，只要送料的長度準確，不論其為何種加工作業，產出成品的質量都可以被客戶接受，而且，静止下来切，无论材料厚薄，效果都很好。
但是，碰到如斜紋紙管生產線、無縫鋼管生產線、石膏板切割生产线、钢筋矫直切割生产线，钢板飞剪…等等，材料是連續不間斷地生產出來的，根本無法採用停止後靜態裁切的方式。
以及客户需要提高生产效率的情况下，同步式剪切系统就比较适用。
本文介绍的厚料旋切系统，是同步式剪切系统中的一种，其他还有追剪。
它们之间最大的区别是：
追剪是往返运动，而飞剪是为同向运动。
对台达20PM运动控制器来说主要是电子凸轮的CAM曲线不同。
同样是旋切，对应厚料和薄料旋切，其电子凸轮的CAM曲线也是不同。
下文介绍的主要是以肥皂旋切为案例，详述台达20PM运动控制器电子凸轮功能在厚料旋切系统的詳細应用。
二高速旋切肥皂机结构和原理
1实际机械结构及外形
如上图所示，左为一测米轮，右为切刀，侧米轮后带一2000线的编码器,，
2，电气控制原理
上图所示为电气控制原理，图中分为送料单元和剪切单元，送料单元通过20PM上的DA卡，给变频器一0--10v的信号控制送料速度，剪切单元由20PM，根据HMI设定的长度，以及编码器反馈的物料的速度和位置，控制剪切伺服动作，对肥皂进行定长裁切。
20pm硬件具有500K的高速输入与输出脉冲，完全适应高速的响应与控制。
通过上述介绍，可以知道在电气硬件上厚料裁切与薄料裁切的配置是完全一样的，不同的只是同步时的速度曲线。
三电子凸轮旋切原理
（1）薄料裁切同步点伺服同步速度与编码器速度的倍率是固定的
在旋切过程中，最重要的是速度同步，比如在切刀接触到物料时一定要与物料速度同步，如果接触时切刀速度大于同步速度，出现对物料一个向前牵扯的力，会照成物料切面不平，如果速度低于物料速度，会出现堵料的现象。
如下图所示
这个图是标准的薄料裁切，可以認為切刀與物料接觸只是在一點上，理論上規劃同步點只要一點即可，但是爲了可靠，我們可以把紅線以的區域下設為同步區，（定义为切刀与材料接触的前后一段）保證到切點時速度一定與線速度同步即可。
在剪断长小于刀周长的情况下，在同步区，切刀线速度与物料同步，过了同步区以后，为了赶上下一次切断切刀加速。
在剪断长大于1倍刀周长并小于2倍刀周长的情况下，剪断动作完成后，切刀减速，然后再加速到同步进行下一次剪切。
做为特例在剪断长度等于刀周长时切刀匀速运动，在剪断长大于2倍刀周长情况下（这也是最常见的一种情况），在一个周期中，刀刃在剪断同步完成后，减速到停止，等待一定长度过去后，启动下次裁切。
下面来计算同步倍率，假设
主軸直徑D1（mm）
主軸一圈脈波數R1（Pulses/Rev）
主軸速度F1（Hz）
主軸速度V1（mm/sec）
從軸直徑D2（mm）
從軸一圈脈波數R2（Pulses/Rev）
從軸速度F2（Hz）
從軸速度V2（mm/sec）
所以同步點的伺服從軸所需的速度V2=V1,
（F1*3.14*D1/R1）＝（F２*3.14*D２/R２）à
F2/F1=（D1*R2）/（D2*R1）
通过这个公式，可以算出20PM与编码器输入脉冲频率的比率，
然后通过20PM的飞剪公式，生成飞剪CAM曲线
其中
D0=k10000à建立飛剪CAMdata
D101..D100ßà整數格式主軸長度,（無法滿足自動計算適合長度）
D103..D102à整數格式從軸長度
D105..D104à整數格式從軸同步長度
D107..D106à浮點格式從軸同步倍率（F2/F1）
D109..D108à浮點格式從軸最高倍率限制
就会动态生成飞剪的CAM曲线。
2
50%同步区1.530%同步区
11
00
根据F2/F1=（D1*R2）/（D2*R1）公式，可以看出同步区的同步倍率是固定的。
我们过去所做的电缆飞剪，纸张飞剪采用的都是上述模式，需要注意的是过去我们做过的肥皂飞剪采取的也是上述形式，那大家可能有疑问，为什么过去用上述形式可以，现在不可以呢，是因为过去裁切的肥皂比较薄，现在裁切的肥皂比较厚吗？
答案在于机械结构，过去在伺服和电机之间加入了一个造价昂贵，加工精密的机械凸轮，这个机械凸轮实现了把电机速度的分解，所以可以认为切刀从进入到脱离，伺服速度是一致的，但是凸轮机构把速度做了转化。
现在电子凸轮发展很快，很多客户把伺服电机与切刀机构直联，既节省了成本，又提高了精度。
（2）厚料飞剪原理
上面叙述的是普通飞剪，不考虑材料的厚度，材料的厚度也可以忽略不计，
而对于厚料，比如肥皂，钢板，本身材料厚度有800MM以上，如果忽略不计按照上述的速度同步曲线控制，会出现一个很大的斜面。
如下图，當進入同步裁切區后，物料水平移動送料與切刀水平速度相同，才能達到垂直和不產生弧形。
下面来计算速度同步关系由以上公式可知道：
同樣的在同步區範圍内送料與切刀水平速度相同，才能達到垂直和不產生弧形。
從上圖可看出：
sin（α+θ）*V2=V1
推導V2/V1=1/sin（α+θ）
一旦机架高度与材料高度固定，θ是个定值，α是个随着切刀在变化看出。
所以主从轴同步的倍率关系必须是按上述正弦关系的倒数不断在变的。
下面再以主从轴位置关系介绍。
θ1111
V1
θ
同步区
非同步区
α
如上图是以四刀為例，图上绿色部分为同步区，蓝色部分为非同步区。
在同步区切刀是旋转的，其水平移动距离必须与材料的移动距离一致，在同步区前后非同步区，根据所裁长度的大小来加减速。
有上图可得到在同步区内主从轴位置关系为
L=RCOSθ-RCOSα
其中L进入切入点后水平方向的位移，α为进入切入点后不断变化的切角。
以上我们分别从进入同步区后主从轴速度关系，位置关系做了理论分析下面结合程式
做实例说明
四程序设计介绍
整个程序结构包括初始化、参数计算、裁切曲线动态调整、原点回归和点动等等。
本文重点介绍相关参数填写生成动态厚料裁切曲线过程
厚料裁切曲线生成指令为
DTOk0D0D100k8
其中
D0=k10000建立厚料飛剪CAMdata
D101..D100格式（1厚料飛剪,others）
D103..D102整數格式主軸一週脈波數
D105..D104整數格式主軸一週長度（mm）
D107..D106整數格式從軸一週脈波數
D109..D108整數格式從軸一週長度（mm）
D111..D110整數格式從軸同步起始角度180~360
D113..D112整數格式從軸同步結束角度180~360
D115..D114整數格式主軸切長（mm）
D117..D116整數格式從軸刀數（把）
D119..D118整數格式主軸同步區前長度（mm）
D121..D120整數格式從軸同步區前夾角θ1（度）
现场测长轮径为124MM,编码器线数为2000PULSE，四倍频就为8000PULSE，测长轮与编码器通过1：
25的减速器相连，也就是测长轮走一圈，编码器走8000*2.5=200000PULSE,裁切轮伺服一圈脉冲数为10000PULSE,伺服电机通过1：
20的减速器与切刀机构相连，也就是切刀机构走一圈，伺服需接受200000PULSE命令,一把切刀机构上有四把切刀，也就是切一块皂需20PM发50000PULSE,切刀轮直径位240MM。
假设切长为50000PULSE（为测长轮四份之一），切入点角度θ=210度，同步结束角度240度，
这里切入点角度与切皂厚度计架高度有关，一旦上述确定就固定下来是个常数，切入角度
设置必须小于或等于实际切入角度，如果设定切入角度大于实际切入角度会出现切入点有弧，同样设置同步结束角度必须大于或等于同步结束角度。
还要需要设定在切入前非同步区
材料（主轴走的距离）。
從軸一週脈波數
格式（1厚料飛剪,others）
这样，根据厚料裁切程式设置好相关上述参数就可自动生成如下位置，速度图形，
对应不同个数切刀，测长轮，不同切长生成图形是不一样，本图对应切长50000PULSE,测量轮170MM
由于生成的数据比较多，分别截取部分数据加以说明
这部分数据是前部非同步区主从轴对应数据，也就是对应进入切入点时主从轴对应数据
0
0
13226
13889
这部分数据是同步区主从轴对应数据，也就是对应进入切入后主从轴对应数据
13284
13970.988281
13342
14052.610352
13400
14133.876953
13458
14214.787109
13516
14295.354492
13574
14375.581055
..............
36368
35804.890625
36426
35848.75
36484
35892.59375
36542
35936.414063
36600
35980.210938
36658
36023.984375
36716
36067.738281
36773
36110
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
这部分数据是脱离同步区主从轴对应数据，对应速度曲线的3段
36773
36110
50000
50000
有了这个厚料公式，不论变换切长轮直径，变化切入角度，变化同步区长度，变化切刀个数
都可方便快捷的生产CAM曲线。
现场改变刀数，改变定长，改变厚度等均做了测试。
验证了公式。
五结束语
设备已调试完成并正常运行，经过一段时间的运行，设备运行状态正常稳定，剪切口平整，在不同的剪切长度和高速送料时都达到良好的精度，大大提高了客户的生产效益。
通过这个案例，我们可以把它推广到其他类似需要物料持续进给不停机情况下实现定长或定位厚料裁切功能。
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