摘要：本文基于臺達智能型伺服系統的高精度灌裝控制方案。對于藥品液體灌裝生產線的高精度同步灌裝工藝，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，實現了液體灌裝速度和送瓶速度實時保持高精度同步。

 

1 引言

機電一體化技術是隨著科學技術不斷發展，生產工藝不斷提出新要求而迅速發展的。在控制方法上主要是從手動到自動；在控制功能上，是從簡單到復雜；在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現，又為電氣控制技術的發展開拓了新途徑。伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件(或稱執行元件伺服電機)組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態。數控機床伺服系統的作用在于接受來自數控裝置的指令信號，驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統。

目前，隨著制藥企業“GMP”新標準認證制度的實施，為制藥企業對制藥裝備提出了更高的目標和要求。同樣為制藥裝備廠家提供了前所未有的發展機遇和市場空間，但是傳統的制藥機械機械結構已經和控制方案已經不能滿足現有的制藥行業發展的需求，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！

本文以藥品水針劑生產灌裝生產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 機械設計和工藝要求

2.1 機械結構設計

灌裝同步生產線，主要分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構成，如圖1所示。

 

 

圖1 灌裝同步生產線

 

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來實現同步。實體的凸輪加工需要高精密的CNC加工中心才能生產，生產成本較高，而且調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的智能型伺服系統。伺服灌裝同步生產線，仍然分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構成，只是在機械結構上，摒棄了傳統的機械凸輪連接，取而代之的是兩顆高精度伺服系統，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。控制架構如圖2所示。

 

2.2 工藝要求

2.2.1精度要求

1.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。

2.伺服在同一灌裝速度下，定位精度在0.5mm內。

3.不論主動軸變頻器速度在0~50HZ內任意變換，伺服的加減速都可以保證完全同步，偏移量不得大于1mm。

4.伺服可以在變頻器10HZ低速運行時，也能保證好的同步效果。

2.2.2同步灌裝動作要求

1.X軸水平軸跟蹤伺服，驅動灌裝噴嘴前后運動。灌裝過程分為同步區間和高速返回區間。其中同步區間速度和送料拖鏈速度保持一致。在同步區域內，Y軸才可以插針到瓶內。同步區結束后X軸高速返回到原點，等待插入下一組藥瓶。

2.Y軸垂直軸提升伺服，驅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流量相關，任何情況下不允許針管接觸到灌裝液面。

3.在灌裝過程時，不論在快速插入瓶口和返回區間Y軸始終和主動軸的編碼器命令同步對應，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

臺達系列高解析智能伺服是臺達電子憑借多年的伺服研發經驗于2009年推出的新一代的伺服系統，其設計引入了歐系高端伺服智能化的理念和控制架構。大幅提升了產品的性能和應用價值，產品主要特點如下：

1.20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。

2.內含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，就可實現復雜的運動控制和凸輪同步功能，

3.內含伺服By-pass功能，可以實現命令信號逐級傳遞不衰減，輕松構造一主多從的控制架構。

4、高響應和共振抑制可以滿足各類機械環境。

 

3.1 方案的制定和實施

3.3.1動作分析與PR路徑規劃

同步灌裝動作流程如圖3所示

 

以X水平跟蹤伺服為例說明，動作要求如下和PR路徑規劃如下：

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，再次執行時處于X軸原點。

A.開啟CAPTURE資料抓取功能。

CAPTURE的概念是利用外部的觸發信號DI7，達到瞬間抓取運動軸的位置資料，并存放到資料陣列中，作為后續運動控制使用。當伺服使用CAPTURE資料抓取功能時，伺服系統將強制關閉原有DI功能規劃，將DI7強制為CAPTURE。故在CAP功能開啟后，DI7只能使用在CAPTURE，因為這個信號經過硬體特殊處理為高速處理I/O,響應時間為3μ秒。

PR#02 寫參數 P5- 39=0 關閉 CAPTURE 功能，防止誤動作。

PR#03 寫參數 5- 38=1 ，只嚙合一次，保證在同步區間不會出現干擾信號。

PR#4 寫參數 5- 39=0XF021，啟動 CAP 資料抓取功能 。

 

4 電子凸輪曲線規劃

4.1 水平跟蹤X軸凸輪曲線規劃

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：選擇速度區域建表，如表1所示。

 

步驟3，根據實際情況設定實體機械尺寸

送瓶主動軸同步距離為240mm，編碼器產生1600pulse，因此主軸脈沖數=66.6666666666Pulse/mm，水平跟蹤X軸，伺服編碼器設定10萬脈沖當量，絲桿螺距為10mm，所以從動軸脈沖數設定為1000PUU/mm，此為模擬信息，當在建造凸輪曲線時，系統會參考到這些資料，所以這些信息務必要準確，即主動軸與從動軸移動1mm時所需的脈波數及PUU，如圖4所示。

4.2 垂直跟蹤Y軸凸輪曲線規劃

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，將曲線規劃為20等分，凸輪360°對應Y軸21筆位置資料，做出凸輪位移曲線，如圖5所示。

 

 

對于上述凸輪曲線，可以看到噴嘴的下行和返回行程都規劃在曲線內，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，可以適當修改表格中加速和減速區域的數值，使速度曲線平滑。

 

5 結束語

本文只是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個典型應用。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，全閉環機型，以及擴展I/O機型，可以滿足不同應用場合和控制需求，相信隨著市場的不斷深入，我們可以為客戶實現更穩定、高性價比的伺服運動控制控制方案。