摘 要：介紹基于臺達(dá)智能型伺服系統(tǒng)的高精度灌裝控制方案。對于藥品液體灌裝生產(chǎn)線的高精度同步灌裝工藝，臺達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動控制模式，實現(xiàn)了液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。
1. 引言
今天，隨著制藥企業(yè)“GMP”新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(jī)遇和市場空間，但是傳統(tǒng)的制藥機(jī)械機(jī)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(jī)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(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)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(yùn)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(jī)械設(shè)計和工藝要求
1） 機(jī)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，如圖1所示。
圖1
早期藥機(jī)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(jī)輸出。多是以機(jī)械凸輪通過多級機(jī)械傳動，帶動兩個實體凸輪機(jī)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(jī)械的磨損會影響到同步灌裝的精度，后期維護(hù)費(fèi)用很高，產(chǎn)品換型困難。
臺達(dá)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(jī)械結(jié)構(gòu)上，摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)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)如圖2所示：
圖2
詳細(xì)機(jī)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(jī)由變頻器控制工作頻率在0～50hz。
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A～B=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0～50HZ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(yùn)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(yùn)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(yùn)動，灌裝過程分為快速插入和慢速返回區(qū)間。快速插入時的距離為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(dá)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(dá)高精度灌裝控制方案
方案配置：?
ASD-A2- 0421——B 控制器X2臺
臺達(dá)A2系列高解析智能伺服是臺達(dá)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(jìn)行分析。
1） 動作分析與PR路徑規(guī)劃
同步灌裝動作流程如圖3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（圖4 ）：
A.X軸回歸機(jī)械原點
PR#00 回機(jī)械原點。開機(jī)X軸回歸到機(jī)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。
圖4
將DI7強(qiáng)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3μ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(jī)=2 CAPTURE任一點動作。
U凸輪脫離時機(jī)=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(jī)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(yùn)動。
當(dāng)進(jìn)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(dá)立刻脫離電子凸輪，追隨結(jié)束。
D. 凸輪分離，伺服電機(jī)高速返回。
伺服馬達(dá)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(yùn)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(yùn)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（見圖5）
圖5
步驟3，根據(jù)實際情況設(shè)定實體機(jī)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，如圖6。
圖6
步驟4，規(guī)劃和建造凸輪曲線
如圖7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(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，其中加減速區(qū)的設(shè)定，需考慮到電機(jī)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。
圖7
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，如圖8所示：
圖8
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，如圖9：
圖9
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P5-90～P5-91參數(shù)，當(dāng)凸輪曲線運(yùn)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，如圖10描述：
圖10
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。
圖11
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。（見圖11）
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。
（見圖12）
圖12
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:
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(jī)型還包含有CAN-OPEN總線機(jī)型，全閉環(huán)機(jī)型，以及擴(kuò)展I/O機(jī)型，可以滿足不同應(yīng)用場合和控制需求，相信隨著市場的不斷深入，我們可以為客戶實現(xiàn)更穩(wěn)定、高性價比的伺服運(yùn)動控制控制方案。
（轉(zhuǎn)載）
