臺達A2系列伺服在精密藥液灌裝生產(chǎn)線上應(yīng)用.doc

臺達A2系列伺服在精密藥液灌裝生產(chǎn)線上應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計單位-濟南唯實興自動化工程有限公司1 引 言今天，隨著制藥企業(yè)“GMP”新標(biāo)準(zhǔn)認證制度的實施，為制藥企業(yè)對制藥裝備提出了更高的目標(biāo)和要求。同樣為制藥裝備廠家提供了前所未有的發(fā)展機遇和市場空間，但是傳統(tǒng)的制藥機械機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)和控制方案已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的制藥行業(yè)發(fā)展的需求，新一代的制藥機械將可以提供更高精度的，更高自動化程度的控制工藝，來不斷迎接市場的挑戰(zhàn)！本文以藥品水針劑生產(chǎn)灌裝生產(chǎn)線高精度同步灌裝工藝為案例，詳述了如何利用臺達A2伺服獨有的電子凸輪功能配合全新pr運動控制模式，僅以外置編碼器作為命令來源，即可實現(xiàn)液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。同時利用伺服By-pass功能，無需昂貴的運動控制器的參與，即可實現(xiàn)高性價比的一主多從多軸伺服同步控制控制方案。2 機械設(shè)計和工藝要求1)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計灌裝同步生產(chǎn)線，主要分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構(gòu)成，如下圖所示。 早期藥機同步灌裝，送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分動力來源均為送瓶拖鏈電機輸出。多是以機械凸輪通過多級機械傳動，帶動兩個實體凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)同步。實體的凸輪加工需要高精密的CNC加工中心才能生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高，而且調(diào)試和安裝起來非常麻煩，并且隨著使用時間增加，機械的磨損會影響到同步灌裝的精度，后期維護費用很高，產(chǎn)品換型困難。臺達A2系列伺服電子凸輪功能就是針對上述問題而開發(fā)的智能型伺服系統(tǒng)。伺服灌裝同步生產(chǎn)線，仍然分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構(gòu)成，只是在機械結(jié)構(gòu)上，摒棄了傳統(tǒng)的機械凸輪連接，取而代之的是兩顆高精度伺服系統(tǒng)，通過精密絲桿分別控制水平跟蹤軸（X軸）和垂直跟蹤軸（Y軸）的位移。其伺服系統(tǒng)的命令來源均為安裝在送瓶拖鏈上的高解析度編碼器提供?？刂萍軜?gòu)如下圖所示： 詳細機械數(shù)據(jù)如下： 主編碼器分辨率為2000p/r，凸輪一周，編碼器旋轉(zhuǎn)2圈，采集脈沖數(shù)量16000ppr，5v差動信號。 主電機由變頻器控制工作頻率在050hz。 X/Y滑臺絲桿的螺距為10mm，X/Y伺服編碼器分辨率通過電子齒輪比功能設(shè)定為100000ppu。 X軸同步的區(qū)域長度為AB=240mm。Y軸插入的距離為40mm。2)工藝要求精度要求：灌裝噴嘴直徑為2mm，藥瓶口直徑為6.5mm，無論何種速度。噴嘴和瓶口不能接觸！要求伺服在同一灌裝速度下，定位精度在0.5mm內(nèi)。不論主動軸變頻器速度在050HZ內(nèi)任意變換，伺服的加減速都可以保證完全同步，偏移量不得大于1mm。伺服可以在變頻器10HZ低速運行時，也能保證好的同步效果。同步灌裝動作要求：X軸水平軸跟蹤伺服，驅(qū)動灌裝噴嘴前后運動。灌裝過程分為同步區(qū)間和高速返回區(qū)間。其中同步區(qū)間速度和送料拖鏈速度保持一致。在同步區(qū)域內(nèi)，Y軸才可以插針到瓶內(nèi)。同步區(qū)結(jié)束后X軸高速返回到原點，等待插入下一組藥瓶。Y軸垂直軸提升伺服，驅(qū)動灌裝噴嘴上下運動，灌裝過程分為快速插入和慢速返回區(qū)間?？焖俨迦霑r的距離為40mm。并要求在瓶底停留一段時間。然后慢速提升，提升速度和灌裝系統(tǒng)流量相關(guān)，任何情況下不允許針管接觸到灌裝液面。在灌裝過程時，不論在快速插入瓶口和返回區(qū)間Y軸始終和主動軸的編碼器命令同步對應(yīng)，同樣伺服馬達的速度和藥瓶的輸送速度保持一致，即為同步灌裝要點！3 臺達高精度灌裝控制方案方案配置：ASD-A2- 0421-B 控制器X2臺臺達A2系列高解析智能伺服是臺達電子憑借多年的伺服研發(fā)經(jīng)驗于2009年推出的新一代的伺服系統(tǒng)， 其設(shè)計引入了歐系高端伺服智能化的理念和控制架構(gòu)。大幅提升了產(chǎn)品的性能和應(yīng)用價值，產(chǎn)品主要特點如下：20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。內(nèi)含64組PR運動路徑編輯功能，電子凸輪功能。無需高階控制系統(tǒng)，就可實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制和凸輪同步功能。內(nèi)含伺服By-pass功能，可以實現(xiàn)命令信號逐級傳遞不衰減，輕松構(gòu)造一主多從的控制架構(gòu)。高響應(yīng)和共振抑制可以滿足各類機械環(huán)境。4 方案的制定和實施綜合上述的分析，但A2智能伺服就完全可以實現(xiàn)的同步灌裝運動控制要求。以下將針對同步灌裝的主要工藝要求對方案可行性逐一進行分析。1)動作分析與PR路徑規(guī)劃同步灌裝動作流程如下圖所示： 下面以X水平跟蹤伺服為例說明，動作要求如下和PR路徑規(guī)劃如下：A. X軸回歸機械原點PR#00 回機械原點。開機X軸回歸到機械原點。PR#01 回到原點,確保伺服因緊急情況脫離后，再次執(zhí)行時處于X軸原點。B. 開啟CAPTURE資料抓取功能。CAPTURE 的概念是利用外部的觸發(fā)信號DI7，達到瞬間抓取運動軸的位置資料，并存放到資料陣列中，作為后續(xù)運動控制使用。需要特別說明的是，當(dāng)伺服使用CAPTURE資料抓取功能時，伺服系統(tǒng)將強制關(guān)閉原有DI 功能規(guī)劃，將DI7強制為CAPTURE。故在CAP功能開啟后，DI7只能使用在CAPTURE，因為這個信號經(jīng)過硬體特殊處理為高速處理I/O，響應(yīng)時間為3秒。? PR#02 寫參數(shù)P5-39=0 關(guān)閉CAPTURE功能，防止誤動作。? PR#03 寫參數(shù)5-38=1 ，只嚙合一次，保證在同步區(qū)間不會出現(xiàn)干擾信號。? PR#4 寫參數(shù)5-39=0XF021，啟動CAP資料抓取功能 。C. 電子凸輪功能設(shè)置。等待CAPTURE資料抓取信號，由安裝在主動軸上的接近開關(guān)信號，觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能，來實現(xiàn)電子凸輪嚙合。PR#5 寫參數(shù)5-88=0XF2220，關(guān)閉電子凸輪功能。PR#6 寫參數(shù)5-88=0XF2221，開啟電子凸輪功能。參數(shù)規(guī)劃如下：X凸輪控制=1 啟動電子凸輪。Y凸輪命令來源=2 PULSE命令。Z凸輪嚙合時機=2 CAPTURE任一點動作。U凸輪脫離時機=2 主軸抓取脈沖數(shù)5-89設(shè)定后脫離。當(dāng)伺服DI7 CAPTURE檢測到ON上升沿信號時，凸輪就會嚙合，伺服電機根據(jù)A2預(yù)先編輯好的凸輪曲線軌跡，按照送瓶伺服主動軸編碼器脈沖指令運動。當(dāng)進入到設(shè)定同步區(qū)輸出同步范圍后，X軸D0CAM-AREA信號ON，控制提升軸伺服Y軸凸輪嚙合。當(dāng)伺服抓取數(shù)值通過比較等于主軸凸輪脈沖P5-89的值時，伺服馬達立刻脫離電子凸輪，追隨結(jié)束。D. 凸輪分離，伺服電機高速返回。伺服馬達反轉(zhuǎn)，高速返回起始原點，等待下一次觸發(fā)信號的到來。該階段為伺服自身的PR模式控制，返回時的速度和加減速規(guī)劃，由A2伺服的PR模式實現(xiàn)和完成。PR#15 絕對定位，高速返回到原點PR#16 跳轉(zhuǎn)指令，跳回到PR#02。當(dāng)流程結(jié)束，返回到PR#02，等待下一次嚙合信號到來。對于垂直提升軸Y軸，除返回時，因返回起始原點速度也由凸輪曲線規(guī)劃，所以除了沒有PR規(guī)劃沒有PR#15，其他情況和水平X跟蹤軸相同，對此不再復(fù)述。使用A2資訊軟體，用戶可以方便的規(guī)劃伺服的運動路徑，新型的PR路徑編輯器不但支持跳轉(zhuǎn)、插斷、疊加等運動邏輯處理，還支持參數(shù)讀寫等豐富功能。2)電子凸輪曲線規(guī)劃水平跟蹤X軸凸輪曲線規(guī)劃對于水平跟蹤X軸而言，主要保證速度上和主動軸編碼器速度追隨，追求的是速度保持主動軸一致。建造凸輪表格和曲線方法如下：步驟1，選擇軟體功能E-CAM電子凸輪功能步驟2，建表方法：選擇速度區(qū)域建表 步驟3，根據(jù)實際情況設(shè)定實體機械尺寸送瓶主動軸同步距離為240mm，編碼器產(chǎn)生1600pulse，因此主軸脈沖數(shù)=66.6666666666Pulse/mm，水平跟蹤X軸，伺服編碼器設(shè)定10萬脈沖當(dāng)量，絲桿螺距為10mm，所以從動軸脈沖數(shù)設(shè)定為1000 PUU/mm，此為模擬信息，當(dāng)在建造凸輪曲線時，系統(tǒng)會參考到這些資料，所以這些信息務(wù)必要準(zhǔn)確，即主動軸與從動軸移動1mm時所需的脈波數(shù)及PUU，如下圖。步驟4，規(guī)劃和建造凸輪曲線如左圖中標(biāo)示，設(shè)定等待區(qū)“、加速區(qū)“、等速區(qū)“、減速區(qū)“、停止區(qū)“等曲線運轉(zhuǎn)區(qū)域，其中加減速區(qū)的設(shè)定，需考慮到電機的實際慣量是否能夠依此設(shè)定的加減速曲線而工作。此外，曲線建立的要點是，曲線的規(guī)劃的過程之中，盡可能的保持較長的等速區(qū)“，因為只有在此段區(qū)域才能實現(xiàn)同步灌裝。同時，要有一定的停止區(qū)，否則有時會造成曲線無法回到原點。凸輪的導(dǎo)程是指凸輪包含加減速距離在內(nèi)的位移距離，我們設(shè)定為240mm=2400000puu單位。當(dāng)上述數(shù)據(jù)完成后，系統(tǒng)就可以產(chǎn)生表格和曲線，如下圖所示：其中虛線為模擬器產(chǎn)生的主動軸速度曲線，實線為X水平跟蹤軸的速度曲線。當(dāng)移動光標(biāo)，使用者就可以在軟體上清楚地觀察到主動軸模擬速度（即，送瓶伺服的速度）和從動軸速度（即XX水平跟蹤軸）。虛線和實線重合的區(qū)域就是可以灌裝的同步等速區(qū)。使用者可以通過調(diào)整合理的加減速規(guī)劃，來保證最大化的等速區(qū)域，用以滿足大劑量藥瓶的灌裝速度。這是同步灌裝的工藝要點之一！當(dāng)模擬器產(chǎn)生的主動軸速度曲線和X水平跟蹤軸的速度曲線不一致時，使用者可以通過修正“導(dǎo)程”，或者點擊“下一步”修正“主軸脈沖數(shù)5-84”，來保證兩軸的速度曲線盡最大可能的保持接近。只有這樣才能保證同步的穩(wěn)定性和精度！凸輪曲線和參數(shù)設(shè)定完成后要記得下載并燒錄到A2驅(qū)動器中，否則掉電凸輪曲線不會被保存。垂直跟蹤Y軸凸輪曲線規(guī)劃對于垂直跟蹤Y軸而言，是比較有意思的，因為Y軸工藝要求Y軸最終要保證針頭插入瓶口的有效距離為40mm，追求的位置控制！建表方法如下：步驟1，選擇軟體功能E-CAM電子凸輪功能。步驟2，選擇手動建表功能。步驟3，將曲線規(guī)劃為20等分，凸輪360對應(yīng)Y軸21筆位置資料，做出凸輪位移曲線，如下圖： 對于上述凸輪曲線，可以看到噴嘴的下行和返回行程都規(guī)劃在曲線內(nèi)，其Y軸的提升速度可以隨著主動軸的速度同步變化。此外，對于Y軸提升伺服加減速的處理，在不影響最終位置的前提下，可以適當(dāng)修改表格中加速和減速區(qū)域的數(shù)值，使速度曲線平滑！3)凸輪區(qū)間設(shè)定和DO:CAM_AREA功能說明伺服系統(tǒng)DO規(guī)劃：CAM_AREA也是A2非常實用的功能之一，他的主要目的就是可以在凸輪曲線上設(shè)定2組P5-90P5-91參數(shù)，當(dāng)凸輪曲線運行到這段范圍后，DO：CAM_AREA就會至ON。垂直跟蹤 Y軸的CAPTURE信號DI7就是接到水平跟蹤X軸的D02:CAM_AREA信號觸發(fā)凸輪嚙合的，噴嘴輸液泵的開啟也是通過Y軸的D02:CAM_AREA信號來控制的。因為只有水平跟蹤X軸和送瓶主動軸同步后，垂直跟蹤Y軸才能下降，將噴嘴插入瓶口。 而只有噴嘴插入40mm，并停留一定時間，垂直跟蹤Y軸，在穩(wěn)定提升時，噴嘴輸液泵才可以開啟，如下圖描述：4)By-pass和一主多從的控制方式的說明By-pass命令傳遞功能是A2智能伺服的另一大功能特色，利用By-pass功能，主動軸編碼器信號（脈沖命令信號）輸入到其他從動軸CN1,依次串接多顆伺服。即一主軸指揮多從軸同動。在從軸上，信號傳遞每級的延遲為50ns，但不會有信號衰減的問題。方案中，垂直跟蹤Y軸的命令來源就是通過水平跟蹤X軸BY-PASS功能實現(xiàn)的！ 利用此功能最大可以串接16臺伺服驅(qū)動器，而不會產(chǎn)生信號衰減問題。5 其他因素對灌裝精度的影響對于下述問題是一個十分有必要討論的問題，我們在實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)以下問題對于灌裝精度起影響作用，甚至有時左右到方案的結(jié)果。1)編碼器的精度和安裝方式主動軸編碼器輸入的脈沖數(shù)量，編碼器聯(lián)軸節(jié)安裝不同心，變形引起的脈沖指令突變。 解決的方法是：A. 更改編碼器聯(lián)軸節(jié)安裝方式。B. 更換更高精度的編碼器C. 檢查主動軸變頻器速度輸出是否穩(wěn)定。2)Capture同步命令信號這個信號由安裝在主動軸上的接近開關(guān)信號DI7，觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能，來實現(xiàn)電子凸輪嚙合。因此這個信號響應(yīng)時間和信號發(fā)出的一致性將從動軸的影響同步效果。解決決的方法是：A. 使用高響應(yīng)的光電開關(guān)。B. 保證遮幕有效距離相等。6 結(jié)束語本案只是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個典型應(yīng)用。目前A2系列伺服除電子凸輪功能外，其他系列機型還包含有CAN-OPEN總線機型，全閉環(huán)機型，以及擴展I/O機型