产品描述
6ES7321-1FH00-0AA0型号含义
1 引言
本文介绍的全自动无骨架系列空心电磁线圈高速绕线机,可以绕制传动线圈,扬声器线圈,天线线圈以及各种无骨架通用线圈。设备具有性能,高速率,自动化程度高,适合于线圈制造业的批量生产,如图1所示。
2 高速绕线机
2.1 设备结构简介
高速绕线机共包含九部分机构,如图3所示。
(1)机架。机架由角钢框架及不锈钢台面组成,并设置脚轮便于移动,当设备到位后可将支脚调低作为稳定支撑。
(2)张力机构。安装于进线部分,作为绕线张力调节,保证线圈绕制时维持张力恒定,张力调节器具有调节旋钮可针对不同需求进行张力调节设定,调整完毕后,张力调节器自动控制绕线张力。
(3)绕线机构。主要由台达B系列200W伺服电机、同步齿形带、绕线飞叉组成,是电子凸轮运动中的绕制主轴,铜线经过飞叉旋转绕制于绕线模头上,是绕线机主要运动部件之一。
(4)排线机构。包括台达B系列100W伺服电机、精密直线螺杆、精密导轨、气动滑叉等,是电子凸轮运动中的排线从轴,在绕线运动中跟随绕线主轴正反向往复运动实现排线动作,是绕线机主要运动部件之一。
(5)工作转台
由分度步进电机、旋转台、线叉、绕线模头组成,该设备为多任务位绕线机,在绕线同时执行模头预热、剪线、加热、脱模等工艺动作,这需要工作转台按不同工位动作完成。
(6)剪线机构。为气动执行机构,主要是将绕制完成的线圈两端引线剪断。
(7)脱模机构。由分度步进电机、气动脱模组成,将绕制完成的成品从绕线模头取下。
(8)热风系统。设备配置两个可调温度220V热风,在绕线前将模头预热,绕线后对线圈进行热风处理便于脱模。
(9)电气控制。包含电气控制箱、触摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D运动控制器作为控制,触摸屏作为人机交换,伺服电机作为执行机构,实现转轴与排线的控制,从而保证绕线的精度。电气控制系统框图如图4所示。
2.2 工艺流程
绕线头回原点→进给至起绕点→张力调节→模头预热→绕线、排线→加热→剪线→脱模→成品→退至脱模点→进给至起绕点循环生产。
2.3 电气系统配置
电气控制主要包括绕排线部分、步进分度部分、气缸动作控制部分。具体配置如表1所示。
3 台达PLC电子凸轮功能
高速绕线机的主要控制功能基于台达20PM电子凸轮的应用,使绕制产品的成品品质及效率大大提高。以下对电子凸轮功能作简单介绍:
3.1 什么是电子凸轮
参见图5,凸轮是用于实现机械三维空间联动传动关系与控制的机械结构。自动化运动控制系统用软件程序与伺服电机实现三维空间联动传动关系与控制的软件系统就是电子凸轮功能。从图5可以看到,左边是我们常见的机械式凸轮方式,而右边就是电子凸轮方式。也就是说利用程序的方式(配合伺服单元)完成机械凸轮控制所需要的轨迹,实现主轴和从轴的啮合运动。
3.2 电子凸轮的实现
(1)主轴位置。主轴位置有多种方法:一是采用虚拟轴,计算简单准确;二是从主轴编码器或伺服脉冲,将主轴编码器信号进行处理;三是从测量编码器。获得编码器信号之后,将其换算成主轴位置。
(2)实现主从轴的啮合。实际上是定义主从轴之间的关系(称之为cam table)。cam table有两种方法表述:一是采用X、Y的点对点关系;二是采用两者的函数关系。cam table的也有多种途径:根据实际工作中测量到的点与点之间的对应关系,根据主从轴的标准函数关系。 cam table可以定义多个cam曲线。关系确定和实现后,根据主轴的位置,就能得到从轴的位置。
3.3 台达运动控制型PLC的电子凸轮
台达20PM运动控制器除了实现直线/圆弧插补以及定位功能之外,内嵌了电子凸轮功能,使其可以应用在多种运动控制场合。20PM为2轴运动控制器,具有2路500KHz的输入与输出,在电子凸轮功能中定义X轴为从轴,Y轴为主轴,当定义好cam table后,从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。图6是电子凸轮图形化定义软件主界面。
在软件中我们可以清楚地利用图形方式设定、修改电子凸轮曲线。当我们点击进入资料表单设定按钮时会弹出下面的区段设置表。使用者需先设定 Start Ang, End Ang, Stroke以及透过下拉式选单选取CAM curve(具有连续、正弦、匀加速等6种曲线,并可加入其它标准曲线和自定义曲线),在设定完成后按下Setting completed按钮, 即可在主画面绘制位移, 速度, 加速度坐标图7所示。
图8是以高速绕线机为例的电子凸轮曲线图,采用CYCLIC模式排线从轴根据绕线主轴连续正反排线。以下是计算主从轴关系算式:
主轴转一圈所出线的距离(圆周长)=π*D (mm) Or 绕线模具一圈的出线的距离(圆周长)=π*D (mm);
排线从轴转一圈所需脉波数=10000P/R=>相对应转一圈滚珠螺杆移动之距离=10mm;
主轴旋转一圈所需脉波=3600P/R =>从轴相对应主轴旋转一圈所转动的圈数所需脉波= 100P/R =>相对应滚珠螺杆移动之距离=0.1mm
Master/Slave关系式=(主轴旋转一圈所需脉波*凸轮一周期的匝数)/(从轴相对应主轴旋转一圈所转动的圈数所需脉波*线径*排线宽度的匝数)
4 绕线控制电子凸轮设计
4.1 程序设计
程序设计的关键在于高速绕线机的控制难点分析及解决方案。
(1)系统难点。绕线机在换向处出现绕线不均匀、堆积;绕线机换向处出现螺旋纹、不平整;无法进行斜排绕线,奇偶数绕线。
(2)难点分析。换向处绕线不均匀、堆积情况出现主要是由于普通PLC的速度指令处理时间长,换向受程序扫描周期影响,没有同步指令且无法实时刷新,同时伺服刚性参数,动态响应速度也是原因之一。
换向处出现螺纹主要是因为螺旋绕线方式造成,可采用后半圈定位绕线解决。
斜排绕线在爬坡时每圈需要增加一个线宽和线厚,奇偶数绕线是在每绕一层变换绕线匝数奇偶性,两种绕线方式都需要每次绕线后进行计算,由于普通小型PLC运算时间长,导致无法进行高速斜排和奇偶数绕线。
4.2 台达解决方案
由以析可以看出,高速绕线机的瓶颈在于高速运算及响应,而台达20PM运动控制器除逻辑控制CPU外具有立的高速运算CPU,由硬件直接完成高速运算响应,2轴同步控制时间小于0.5ms,达到高速绕线需求。关于台达20PM运动控制器电子凸轮功能及应用在上面章节已有描述。
此外,对于程序编写也十分简单方便,利用PMSoft编程软件设置好cam table后,直接控制对应的内部寄存器即可完成电子凸轮运行。表2 为X轴排线轴内部寄存器表,例如在对应的D1511中传送不同数值即可实现0(停止)、1(正向点动)、2(反向点动)、3(单段速运动)、4(电子凸轮运动),其它寄存器同样有各自功能。
5 结束语
基于台达20PM电子凸轮功能的绕线机控制系统系统已经投产使用,绕线速度可达2500r/min,绕制产品品质达到用户需求,台达20PM电子凸轮功能成功应用于高速绕线机中。
电子凸轮功能不仅仅可以应用在绕线机控制中,通过变换不同的控制曲线,该功能广泛应用于各种较高要求的运动控制中,例如:包装机行业中的飞剪,机床行业中的飞锯,印行业中的电子轴裁切及套印,纺机行业中的精密络筒绕线等等。
0 引言
可编程控制器PLC和工业计算机IPC已先后推出多年,它们在各自不同的应用场合已获得了十分广泛的应用。在多年的应用实践中,PLC运算/ 处理能力不强、实时性、开放性较差和IPC性及可扩展性较差的缺点已逐渐暴露出来,寻求一种性能为优良的控制器已成为各类工业用户的迫切需求,由奥地利贝加莱公司 (B&R)于1994年推出的PCC就顺应了这一趋势,它融合了传统的PLC和IPC的优点,既具有PLC的高性和易扩展性,又有着IPC的强大运算/处理能力和较高的实时性及开放性。
PCC的硬件结构和外貌与PLC十分酷似,但前者具有强大的处理能力和高的实时性;在软件功能方面,它又与某些PC-Based类似,不过其性和环境适应能力却大大后者。
经过十多年的发展和应用,PCC已成为当前工业控制器发展的新方向之一,以PCC作为控制系统的方案正逐渐成为工业自动化系统配置的一种新格局。
1 PCC的特点及优势
1.1 PCC在硬件方面的特点
在硬件结构方面,PCC的特点是很明显的,它兼具了PC机采用 CPU及大容量存储单元和PLC采用模块式结构的优点。
(1)模块式的插装结构,可带电插拔
PCC具有全模块式的插装结构,在工业现场可以、方便地带电插拔;PCC的CPU和I/O模块结构紧凑,体积小巧,接线端子密集,而且在模块供电及工作状态显示等诸多方面有着完善、精巧的设计。
(2)其CPU采用了多处理器结构并配备了大容量存储单元
PCC除了其的主CPU以外,通常还配置了另外两个处理器,即一个PCC的CPU模块上有三个处理器,这就大限度地提高了系统的处理能力。
在其的运算模块内部,PCC为其CPU配备了数倍于常规 PLC的大容量存储单元(100K-64MB),这无疑为功能强大的系统软件和应用软件提供了有效的硬件支持。
PCC采用可插卡式的CF卡作为存储介质,大存储容量可达8GB。
(3)配备了多种信号和通信接口
PCC为工业现场的各种信号和应用提供了许多模块和功能模块,如温度、张力、步进电机驱动、示波器、鼓序列发生器信号、增量式脉冲编码信号、称重信号和声波信号、电力测量与并网同步、PWM输出等。它们将各种形式的现场信号十分方便地接入以PCC为的数字控制系统中,用户可按需要对应用系统的I/O通道进行数十点、数百点乃至数千点的扩展与联网。PCC的所有数字量输入端都经过了光电耦合隔离,模拟量输入端也都经过了RC滤波处理,因此它具有很好的抗电磁干扰能力。
在PCC模块内部,CPU的数据总线与I/O总线分离,并配置有立的I/O处理器。主CPU内含有一个立的时间处理单元 TPU (Time Processing Unit ),在不增加CPU负荷的前提下高速处理简单或复杂的定时任务,其基准计时频率可高达 6.29MHz,因此目前被广泛应用于频率、相位测量及PWM(脉宽调制)等要求的时间处理场合中。
此外,CPU的主板集成了多种通信接口,PCC还是一款开放性高的产品,配置了多种通信模块。
(4)以模块的方式对运动控制功能和智能温度控制功能进行集成
运动控制功能:高速编码计数、速度和位置补偿、电子齿轮传动、凸轮形、多轴插补、CNC技术、飞锯等;
温度控制模块:传感器直接接入,每50ms处理一个PID调节回路,带自校正PID调节和参数整定功能。
1.2 分时多任务操作系统理念和多样化的应用软件设计手段
常规的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序(某些的PLC,如西门子的S7-300/400系列、罗克韦尔的 ControlLogix系列等除外),来处理程序本身的逻辑运算指令及对外部I/O通道的状态采集与刷新,整个应用程序被包含在一个循环周期内(如图1 所示)。但在一个控制系统中,虽然有一些工艺量对实时性的要求很高,但同时却有多的工艺量对实时性没有特殊的要求,如果采用同样的刷新速度来处理它们其实是对系统资源的浪费,而且循环扫描的运行机制也导致了系统的处理周期主要取决于应用程序的大小,如程序复杂庞大,扫描周期就必然加长,这无疑是与I/O 通道对高实时性的要求相违背的。在图1和图2中, A和B为压力控制(回路控制)任务,它们的扫描时间分别为1ms和2ms;而C和D为逻辑控制任务,它们的扫描时间分别为5ms和2ms。看来这是一个逻辑控制任务程序量较大的PLC/PCC应用程序。图1表示常规PLC的运行模式,在该图上部的任务组合方式中,整个任务(A+B+C+D)被包含在一个扫描时间为10 ms的循环周期内,在该图下部的任务组合方式中,整个任务(A+B+C)被包含在一个扫描时间为8 ms的循环周期内。可以看出,总的应用程序处理周期为各任务的程序扫描时间的和,程序周而复始地循环执行。
而贝加莱PCC系统的设计方案则地解决了这一问题,与常规PLC相比较,PCC大的特点就在于其引入了几类大型计算机的Runtime 定性分时多任务操作系统理念,并辅之以多样化的应用软件设计手段。由于实行分时多任务的运行机制,应用程序可以按照工艺功能和级的不同分别设置成不同的任务和不同的任务级别,并可根据要求自行设定任务的循环时间,使得应用任务的循环周期与程序长短无关,从而将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来,满足了真正实时控制的要求,而且它可以在CPU运算能力允许的前提下,按照用户的实际需求而做相应调整(如图2所示)。图2表示PCC-定性分时多任务操作系统的运行模式,按照逻辑控制和压力控制任务分类组合(即图3中的系统模块)控制。在该图上部的逻辑控制任务组合中,逻辑控制任务C、D被地分布在间隔为5 ms的5个时间段中按级顺序先后执行,逻辑控制任务C、D执行时恰好压力控制任务A、B不执行,逻辑任务的处理周期为20 ms;在该图下部的压力控制任务组合中,压力控制任务A、B在每一个5 ms的时间间隔中均按顺序先后执行,压力控制任务A、B执行时恰好逻辑控制任务C、D不执行,压力任务的处理周期为5 ms。可以看出,各个任务是按照分时的运行模式执行的,各分类任务组合则按照自己的处理周期(如逻辑任务的20 ms和压力任务的5 ms)周而复始地循环执行,但压力任务的级明显逻辑任务的。
2、由PCC的CPU和X20 I/O构成的全开放分布式系统
2.1 高标准设计的全开放型、高密度X20 I/O系统
近两年,对I/O产品的开放性和兼容性的需求越来越强烈, X20 I/O系统是真正意义上的开放型I/O系统:其开放的I/O系统至少可以为用户节约20%的成本,同时到的I/O模块设计,为用户带来了多利益,如结构紧凑,符合人体工程学;高的组件密度和I/O 通道密度;模块化安装,且其安装、调试、维护简便;现场分布式I/O架构;可支持预接线及热插拔技术;支持几乎所有主流现场总线标准;兼容多种主流品脾的PLC CPU,如 Siemens、Rockwell AB、Schneider、OMRON等。开放的I/O使用户在选择I/O产品时,突破的限制,尽享标准化I/O 所带来的利益。
3、结束语
PCC 作为一种可编程计算机控制器,是专为在工业环境下应用而设计的,它既是一种新型的定性分时多任务PLC,又是一种模块化插装结构的 IPC或PC-Based。它不但具备传统PLC的所有功能,同时融合了新的IT网络技术和可选择的语言编程环境,具有强大的数学运算能力、网络通信能力、抗干扰能力和控制能力,从而代表了PLC的发展方向,具有高的性、强大的功能和广泛的适用性。
为了顺应PLC、IPC及DCS技术相互融合相互促进的工业自动化发展潮流。贝加莱的PCC携其DCS APROL和工业计算机Automation PC,已越来越广泛地进入各类工业应用领域,并日益显露出其不可低估的发展潜力。
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