隨著現(xiàn)代工業(yè)逐步地向工業(yè)4.0時代邁進(jìn)，對自動化設(shè)備的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)由于其一些弊端，逐漸難以滿足客戶的需求，為了克服傳統(tǒng)的脈沖型伺服帶來的各種弊端，市面上很多伺服廠家正在積極研發(fā)現(xiàn)場總線型伺服驅(qū)動器。目前市面上零零總總已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種較成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，其中EtherCAT現(xiàn)場總線以其優(yōu)異的性能，開放式的通訊協(xié)議得到了世界上絕大部分伺服廠家的青睞。本文將以“EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)在膠帶高速分條機(jī)上的應(yīng)用案例”來簡單說明EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及在實際現(xiàn)場中的應(yīng)用經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：偉創(chuàng)總線型伺服、EtherCAT、超高速分條機(jī)

1.EtherCAT簡介及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.EtherCAT現(xiàn)場總線的優(yōu)點

通訊速度快：相比其他現(xiàn)場總線，EtherCAT現(xiàn)場總線采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣壬嫌酗@著地提升，達(dá)到了100Mbps的通訊速率，而且采用的是全雙工傳輸方式，使數(shù)據(jù)傳輸效率得到了進(jìn)一步提高。

支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型多：EtherCAT總線支持星型，總線型，樹型等大多數(shù)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在布線上具有更大的靈活性，而且支持地址自動分配，無需設(shè)置IP地址。

分布式時鐘功能：分布式時鐘功能使得兩個伺服軸間同步時間誤差不超過1微秒，在伺服軸同步控制上起到了至關(guān)重要的作用。

安全性高：由于使用了TwinSAFE安全技術(shù)，現(xiàn)在可以使用EtherCAT安全協(xié)議，在同一網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行安全相關(guān)通訊和控制通訊，這樣使得EtherCAT總線安全性可達(dá)到安全集成級別SIL3，在采取相關(guān)措施后甚至可達(dá)到SIL4。

1.2EtherCAT現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀

EtherCAT現(xiàn)場總線自從推出以來在世界上已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，去年年底倍福公司進(jìn)一步推出第二代EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)-EtherCATG。EtherCATG采用千兆以太網(wǎng)通訊技術(shù)，將EtherCAT性能提升到了一個全新的高度。EtherCATG不僅完全兼容上一代百兆EtherCAT技術(shù)，這使得客戶在不修改主站參數(shù)的前提下進(jìn)行可靠地通訊，而且也具有同樣簡單易用的優(yōu)勢。此外，EtherCATG的分支控制器模式可以并行實現(xiàn)多個子網(wǎng)段的高效運行。在倍福公司推出EtherCATG千兆級EtherCAT的時候，同時也提出了萬兆級別EtherCAT10G的設(shè)計構(gòu)想，萬兆級別的EtherCAT10G具有更高的通訊速率（100Gbit/s），因此支持高密度數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

2.EtherCAT現(xiàn)場總線在超高速膠帶分條機(jī)上的應(yīng)用

2.1膠帶的生產(chǎn)過程

封箱膠帶不僅在我們?nèi)粘Ｉ钪惺潜夭豢缮俚娜沼闷?，在工業(yè)生產(chǎn)中也具有十分廣泛的用途，特別是在物流，包裝等行業(yè)使用量十分巨大。膠帶的制作從原材料到成品膠帶要經(jīng)過以下數(shù)十道復(fù)雜的工序：

封箱膠帶生產(chǎn)工藝流程圖

（1）添加原料：在膠帶生產(chǎn)工藝流程當(dāng)中首先要做的就是添加膠帶原材料，比如：丙烯酸。

（2）乳化槽：然后將丙烯酸這種膠帶原材料添加到乳化槽進(jìn)行乳化。

（3）反應(yīng)鍋：丙烯酸加入到乳化槽里面進(jìn)行乳化后，再將其放到反應(yīng)鍋里面進(jìn)行加熱。

（4）膠水：通過以上膠帶生產(chǎn)工藝步驟后生產(chǎn)出膠水成品。

（5）涂布機(jī)：將剛制成的膠水放在薄膜進(jìn)行上膠。

（6）半成品：通過這些膠帶生產(chǎn)工藝就制成的膠帶半成品—母卷。

（7）切管機(jī)：將剛剛制成的膠帶母卷采用切管機(jī)進(jìn)行切管工序。

（8）分條機(jī)：膠帶母卷切管成功后采用分條機(jī)進(jìn)行分條的膠帶生產(chǎn)工藝。

（9）紙箱：膠帶母卷經(jīng)過切管、分條后就成了市場上人們看到的膠帶，現(xiàn)在即可進(jìn)行紙箱包裝。

（10）膠帶：將包裝好的膠帶放置倉庫，這就是最后一道膠帶生產(chǎn)工藝，這時才能將其稱為膠帶成品。

2.2高速分條機(jī)的硬件部分設(shè)計

膠帶生產(chǎn)流程最后一步是利用分條機(jī)將生產(chǎn)的母卷膠帶分割成成品膠帶，本文案例中設(shè)計的高速分條機(jī)就是完成此步驟的自動化設(shè)備。整個控制系統(tǒng)可大概分為三部分進(jìn)行單獨設(shè)計，分別為：（1）機(jī)械手同步插補運動部分；（2）變頻器張力控制部分；（3）貼標(biāo)電子凸輪運動部分。

機(jī)械手同步插補運動部分

系統(tǒng)中加入了機(jī)械手自動上下料系統(tǒng)，機(jī)械手部分是由兩個關(guān)節(jié)式機(jī)械手組成，通過四臺偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服來驅(qū)動機(jī)械的關(guān)節(jié)運動，此部分控制的重難點是在運動過程中必須保證左右機(jī)械手運動的同步性，同步時間誤差不得超過2微秒，而且單個機(jī)械手的兩個關(guān)節(jié)的運動還必須有插補算法的參與，所以在保證插補軌跡的前提下還要保證兩軸間的同步性就顯得十分困難。偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服驅(qū)動器采用分布式時鐘同步原理來進(jìn)行位置環(huán)的控制，時間同步周期最短達(dá)到125微秒，兩軸間的位置同步誤差在1微秒左右，所以性能上完全能夠滿足工藝需求。

2）變頻器張力控制部分

系統(tǒng)中張力控制部分是系統(tǒng)設(shè)計的第二大難點，由于在分條機(jī)運行過程中需要不斷地啟停，而張力的波動往往就發(fā)生在啟停階段，所以系統(tǒng)對于張力控制的要求十分嚴(yán)格，偉創(chuàng)AC200-T張力控制專用變頻器是專門為了張力控制嚴(yán)格的場所而設(shè)計的，即使在頻繁啟停的場所下對于張力控制的精度也能保證在1.5%波動范圍內(nèi)，而且還提供張力錐度控制，使得加工的產(chǎn)品更完美。

貼標(biāo)電子凸輪運動部分

系統(tǒng)的貼標(biāo)部分需要用到電子凸輪功能，偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服驅(qū)動器采用分布式時鐘同步算法，使得從軸跟隨性更強。在貼標(biāo)過程中能夠完美的與主軸進(jìn)行連動完成貼標(biāo)動作。

機(jī)械手位置控制部分算法簡介

整個系統(tǒng)中較為復(fù)雜的部分是機(jī)械手部分，由于機(jī)械手部分的設(shè)計并非采取傳統(tǒng)的XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計，而是采取雙關(guān)節(jié)式機(jī)械手設(shè)計，所以對于機(jī)械手末端位置的坐標(biāo)需要利用正反解算法來確定，由于整個系統(tǒng)程序過于龐大，所以在這里筆者只分享下雙關(guān)節(jié)機(jī)械手的正解算法以及怎樣控制機(jī)械手以插補運動的方式運行到指定位置。

由（θ，α）

確定（X，Y）的關(guān)系式：

由：

以下為機(jī)械手控制的部分算法程序：

3.現(xiàn)場照片

4.結(jié)束語

偉創(chuàng)電氣一直致力于研發(fā)更具優(yōu)勢的總線型伺服驅(qū)動器，目前已經(jīng)成功研發(fā)包括CANopen，EtherCAT，M-II等多種高性能的總線型伺服驅(qū)動器，并且已經(jīng)在市場上得到了大量的實際應(yīng)用，經(jīng)過實踐的檢驗，偉創(chuàng)總線型伺服驅(qū)動器無論是在性能還是在穩(wěn)定性方面都已經(jīng)達(dá)到了一個新的高度。