西门子6ES7232-0HB22-0XA8现货速发

 引言
七八十年代，是中国工业经济快速发展的初期。各行各业急待发展，基础设施建设如火如荼地进行着。厂房、设备、交通设施需求急剧增加，各种金属管的需求已远远不能满足，许多金属管的形状要求也不断复杂化，从而催生了弯管机系统设计和开发。由于国内技术水平的落后，许多弯管设备开发设计只停留在初级阶段，继电器式的电气控制系统生产出来的产品质量和产量都没有达到人们对各种金属管工艺的理想要求。90年代后，中国经济水平的飞速发展和不断提高，以及PC技术在工业中广泛应用，二维式的弯管机已无法满足复杂的工业需要。三维弯管机正是在这一背景下逐渐开发成型，而可编程控制器（PLC）在弯管机控制系统中发挥了重要的作用，给复杂要求的弯管系统提供了重要的技术保证。
自动三维弯管机系统要求有三组脉冲信号输入，两组脉冲信号输出，强大的档案功能。永宏PLC正是由于其单个CPU可同时处理四组硬体高速计速器，同时输出四组脉冲，实用的FUN160档案功能，满足了三维弯管机控制系统的复杂要求，广泛引用于弯管机行业。
2 系统的概述
（1）系统结构
自动三维弯管机控制系统主要由可编程控制器（PLC）、旋转编码器、步进电机、人机界面（HMI）和液压油泵组成。旋转编码器主要用于角度量测和长度控制，步进电机主要用于旋转角度控制和驱动小车实现长度控制，电磁阀配合液压油泵用于实现弯管动力。
（2）系统功能
A、分手动、半自动、全自动等多种操作方式，并可满足有芯棒和无芯棒，单角度和多角度，二维角和三维角选择等不同控制要求场合的特定需要。
B、可存储上百种产品型号，每种型号可设定20个弯管角度参数和20个旋转角度参数，可满足多种复杂、多角度、不同空间的要求，并可对工作进度进行实时监控显示。如图1所示；


C、可自由调整设定“夹紧时间”、“退夹时间”、“进芯时间”，满足实际工艺要求，以及防止机械上的动作延时造成的次品；
D、可选择试机模式，用于机械的磨合，符合管理员权限的人才可选择试机模式，对不同的用户进行不同的操作从而保证系统安全。如图2所示；


E、可设定机械的使用期限，符合管理员权限的人才可对机械的使用期限进行设定；
F、完善的报警系统，在操作不当或机械故障时能在屏幕上作出提示，并停机报警。如图3所示。


（3）系统I/O分配
系统选用1台FBs-24MCT主机，1台FBs-8EA输入输出扩展模块和1台FBs-8EY输出扩展模块。其输入输出端子分配情况如下所示。
输入信号：
X0 弯管编码器A相 X1弯管编码器B相
X2 小车编码器A相 X3 小车编码器B相
X4 旋转编码器A相 X5 旋转编码器B相
X6 原点信号 X7 退芯到感应信号
X8 辅推前感应信号 X9 辅推后感应信号
X10 进入托料感应区 X11 小车进入辅推干涉
X12 脚踏信号 X13 退弯安全开关
X14管料检测信号 X15-X17 系统预留
输出信号：
Y0 步进电机1A相 Y1步进电机1B相
Y2 夹料动作 Y3步进电机2A相
Y4 步进电机2B相

Y5留慢退芯
Y6 电磁铁 Y7 进芯
Y8 主夹退 Y9 副夹退
Y10 退弯 Y11 夹料退
Y12 退芯 Y13 辅推退
Y14 慢弯管 Y15 溢流阀
Y16 慢退芯 Y17 慢弯管
Y18 主夹进 Y19 副夹进
Y20 弯管动作 Y21 油泵
3 系统的软硬件实现
系统主要工作步骤有弯管主副夹夹紧、有芯进芯并计时、弯管、辅推弯管、慢弯进行、主副夹退夹、步进电机动作旋转、退弯动作、退芯完成等。其主要工作流程如图4所示。


（1）档案系统管理设计
根据不同用户的实际要求，需要产品多样性，弯管角度参数灵活可变的特点，三维弯管机系统在设计时要求PLC拥有强大档案处理功能。在系统设计中，采用了FUN160功能指令，如图5所示。当M1=OFF，M0由0→1时，自暂存器R0开始，将长度为暂存器R101的资料写入以档案寄存器F0开始的区块中（指标暂存器R100的资料为F0的第N个区块）；当M1=ON时，M0由0→1时，自资料寄存器F0开始的第N个区块（指标暂存器R100的资料为N）的暂存器资料存入以暂存器R0开始的资料暂存器区（该区长度为R101的资料）。


（2）角度参数的设计
系统的每一个零件多可设定20个弯管角度和20个空间旋转角度。由于每种零件的弯管角度不可能全部设定，当一种零件的弯管角度个数少于20个（即其它角度均为0），CPU将继续进行扫描，直至20角度全部执行完毕，这在很大程度上不仅浪费了CPU的扫描时间，也降低了系统工作效率。因此，在设计过程中，采用为0参数寻找方式，程序设计如图6所示，当20个参数暂存器中第N个为0时，M2=ON，此时R4的资料为第N个参数暂存器，并告知CPU执行到时结束执行弯管命令。

（3）长度量测及空间角度系统的设计
系统的长度量测及空间角度采用步进电机控制。
步进电机驱动小车实现长度量测功能，并把脉冲数回馈给CPU处理。而以往的空间角度控制采用人工旋转，当编码器计数到时驱动电磁铁动作，但由于电磁铁动作时间上的延时，造成了弯管精度的不足。
在改进的系统中采用步进电机代替人工旋转，旋转编码器检测并回馈信号，这不仅满足了系统控制精度的要求，也大大提高了生产效率和自动化程度。
（4）震动干扰的处理
在系统的工作过程中，由于电机震动及弯管时偶尔力过小或过大产生的一些干扰，造成了编码器在记数上的误差，降低了弯管的精度。因此在系统中加设了辅退和慢弯，减少了较大震动带来的误差因数。
4 结束语
自动弯管机自成功设计以来，经多多次修改完善，现已大量投入生产应用。该控制系统在各方面与以往的弯管系统相比有着很大的优势：零件参数选择可达上百种，弯管角度可增至20个之多，加工的产品从实心的钢条到空心的金属管，从家俱工艺品到工业化工车船设备用金属管等；弯管长度和角度旋转控制实现自动化，在精度上有很大的提高，误差允许值控制在+0.2℃范围内，一个人就可实现操作，大大节约了人力成本，也大大提高的产量；操作系统方便，人-机对话简单易懂，通过简单的培训即可实现安全操作；完善的报警系统及合理的程序设计，给系统维护和调试人员带来了很大的方便，减少了大量的调试时间。
通过一年多的运行验证表明，该系统技术已达到国内先进水平，并应用于交通运输、石油化工和生产生活中，收到了良好的经济效益和社会效益，是值得广泛推广和使用的设备。

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。设备具有性能可靠，高速高效率，自动化程度高，适合于线圈制造业的批量生产，如图1所示。

图1 空心电磁线圈

　　一般普通绕线机采用内置脉冲功能的小型PLC，通过绕线轴编码器速度输出到PLC内置高速输入点，将绕线轴与排线轴的速比进行简单速度同步，这种方法受PLC运算影响，同步精度差，计算量大，CPU处理时间较长，因此会出现绕线不均匀，堆积，塌陷等问题，严重影响绕线成品的质量，举例来说，PLC对绕线轴编码器作高速计数，当到达计数值时利用中断方式控制排线轴电机反向绕制，但受CPU运算处理时间的影响会出现滞后产生误差，在低速的情况下尚可基本达到绕制要求，但是对于高速绕制多层线圈时就会出现线圈端面不齐整，成品品质下降。

　　台达DVP-20PM00D是一款专用运动控制型PLC，采用高速双CPU结构形式，利用独立CPU处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，在高速绕线机中利用了20PM运动控制器的电子凸轮功能很好的解决了绕线换向出现的绕制不均匀、堆积、不平整等问题，如图2所示。

图2 运动控制器DVP-20PM00D

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。

图3 高速绕线机

（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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）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。

（8）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。

（9）热风系统。设备配置两个可调温度220V热风枪，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。

（10）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核心，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jingque控制，从而保证绕线的精度。电气控制系统框图如图4所示。

图4 电气控制系统框图

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。

表1 绕线机电控配置

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。

图5 电子凸轮功能

3.2 电子凸轮的实现

（1）获取主轴位置。获取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获取，将主轴编码器信号进行处理；三是从测量编码器获取。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的获取也有多种途径：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。

图6 台达电子凸轮软件图形化定义主界面

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7台达电子凸轮软件图形化定义分界面

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)

图8 高速绕线机电子凸轮曲线图

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

　　由以上分析可以看出，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外具有独立的高速运算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。

表2 X轴排线轴内部寄存器表

X轴排线轴梯形图如下：

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，绕线速度高可达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，印刷机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。