摘要：本文基于臺(tái)達(dá)智能型伺服系統(tǒng)的高精度灌裝控制方案。對(duì)于藥品液體灌裝生產(chǎn)線的高精度同步灌裝工藝，臺(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新PR運(yùn)動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)了液體灌裝速度和送瓶速度實(shí)時(shí)保持高精度同步。

 

1 引言

機(jī)電一體化技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新要求而迅速發(fā)展的。在控制方法上主要是從手動(dòng)到自動(dòng)；在控制功能上，是從簡(jiǎn)單到復(fù)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(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開拓了新途徑。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件(或稱執(zhí)行元件伺服電機(jī))組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置，反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對(duì)主運(yùn)動(dòng)的伺服控制，不過(guò)控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

目前，隨著制藥企業(yè)“GMP”新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證制度的實(shí)施，為制藥企業(yè)對(duì)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(chǎng)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(dòng)化程度的控制工藝，來(lái)不斷迎接市場(chǎng)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(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動(dòng)控制模式，僅以外置編碼器作為命令來(lái)源，即可實(shí)現(xiàn)液體灌裝速度和送瓶速度實(shí)時(shí)保持高精度同步。同時(shí)利用伺服By-pass功能，無(wú)需昂貴的運(yùn)動(dòng)控制器的參與，即可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)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(jì)和工藝要求

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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 灌裝同步生產(chǎn)線

 

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(dòng)力來(lái)源均為送瓶拖鏈電機(jī)輸出。多是以機(jī)械凸輪通過(guò)多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)實(shí)體凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。實(shí)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(lái)非常麻煩，并且隨著使用時(shí)間增加，機(jī)械的磨損會(huì)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(tái)達(dá)A2系列伺服電子凸輪功能就是針對(duì)上述問(wèn)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(guò)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(lái)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(gòu)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(wú)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(nèi)。

3.不論主動(dòng)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。

4.伺服可以在變頻器10HZ低速運(yùn)行時(shí)，也能保證好的同步效果。

2.2.2同步灌裝動(dòng)作要求

1.X軸水平軸跟蹤伺服，驅(qū)動(dòng)灌裝噴嘴前后運(yùn)動(dòng)。灌裝過(guò)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?jī)?nèi)。同步區(qū)結(jié)束后X軸高速返回到原點(diǎn)，等待插入下一組藥瓶。

2.Y軸垂直軸提升伺服，驅(qū)動(dòng)灌裝噴嘴上下運(yùn)動(dòng)，灌裝過(guò)程分為快速插入和慢速返回區(qū)間?？焖俨迦霑r(shí)的距離為40mm。并要求在瓶底停留一段時(shí)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。

3.在灌裝過(guò)程時(shí)，不論在快速插入瓶口和返回區(qū)間Y軸始終和主動(dòng)軸的編碼器命令同步對(duì)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(diǎn)。

3臺(tái)達(dá)高精度灌裝控制方案

臺(tái)達(dá)系列高解析智能伺服是臺(tái)達(dá)電子憑借多年的伺服研發(fā)經(jīng)驗(yàn)于2009年推出的新一代的伺服系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)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(jià)值，產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：

1.20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。

2.內(nèi)含64組PR運(yùn)動(dòng)路徑編輯功能，電子凸輪功能。無(wú)需高階控制系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制和凸輪同步功能，

3.內(nèi)含伺服By-pass功能，可以實(shí)現(xiàn)命令信號(hào)逐級(jí)傳遞不衰減，輕松構(gòu)造一主多從的控制架構(gòu)。

4、高響應(yīng)和共振抑制可以滿足各類機(jī)械環(huán)境。

 

3.1 方案的制定和實(shí)施

3.3.1動(dòng)作分析與PR路徑規(guī)劃

同步灌裝動(dòng)作流程如圖3所示

 

以X水平跟蹤伺服為例說(shuō)明，動(dòng)作要求如下和PR路徑規(guī)劃如下：

A.X軸回歸機(jī)械原點(diǎn)

PR#00回機(jī)械原點(diǎn)。開機(jī)X軸回歸到機(jī)械原點(diǎn)。。

PR#01回到原點(diǎn),確保伺服因緊急情況脫離后，再次執(zhí)行時(shí)處于X軸原點(diǎn)。

A.開啟CAPTURE資料抓取功能。

CAPTURE的概念是利用外部的觸發(fā)信號(hào)DI7，達(dá)到瞬間抓取運(yùn)動(dòng)軸的位置資料，并存放到資料陣列中，作為后續(xù)運(yùn)動(dòng)控制使用。當(dāng)伺服使用CAPTURE資料抓取功能時(shí)，伺服系統(tǒng)將強(qiáng)制關(guān)閉原有DI功能規(guī)劃，將DI7強(qiáng)制為CAPTURE。故在CAP功能開啟后，DI7只能使用在CAPTURE，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)硬體特殊處理為高速處理I/O,響應(yīng)時(shí)間為3μ秒。

PR#02 寫參數(shù) P5- 39=0 關(guān)閉 CAPTURE 功能，防止誤動(dòng)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(huì)出現(xiàn)干擾信號(hào)。

PR#4 寫參數(shù) 5- 39=0XF021，啟動(dòng) CAP 資料抓取功能 。

 

4 電子凸輪曲線規(guī)劃

4.1 水平跟蹤X軸凸輪曲線規(guī)劃

對(duì)于水平跟蹤X軸而言，主要保證速度上和主動(dòng)軸編碼器速度追隨，追求的是速度保持主動(dòng)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，如表1所示。

 

步驟3，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定實(shí)體機(jī)械尺寸

送瓶主動(dòng)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(wàn)脈沖當(dāng)量，絲桿螺距為10mm，所以從動(dòng)軸脈沖數(shù)設(shè)定為1000PUU/mm，此為模擬信息，當(dāng)在建造凸輪曲線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)參考到這些資料，所以這些信息務(wù)必要準(zhǔn)確，即主動(dòng)軸與從動(dòng)軸移動(dòng)1mm時(shí)所需的脈波數(shù)及PUU，如圖4所示。

4.2 垂直跟蹤Y軸凸輪曲線規(guī)劃

對(duì)于垂直跟蹤Y軸而言，是比較有意思的，因?yàn)閅軸工藝要求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(dòng)建表功能。

步驟3，將曲線規(guī)劃為20等分，凸輪360°對(duì)應(yīng)Y軸21筆位置資料，做出凸輪位移曲線，如圖5所示。

 

 

對(duì)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(dòng)軸的速度同步變化。此外，對(duì)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。

 

5 結(jié)束語(yǔ)

本文只是A2高解析智能伺服電子凸輪功能的一個(gè)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(chǎng)合和控制需求，相信隨著市場(chǎng)的不斷深入，我們可以為客戶實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高性價(jià)比的伺服運(yùn)動(dòng)控制控制方案。