基于NJ控制器前缘送纸机控制系统设计范文

摘要:随着社会的发展工业自动化水平不断提高，前缘送纸设备中电子凸轮的应用越来越广泛，为此设计了基于NJ控制器的前缘送纸机控制系统设计。该系统由NJ运动控制器、触摸屏、伺服驱动器、伺服电机等硬件组成，使用SysmacStudio软件进行编程，NJ控制器通过EtherCAT网络通信控制G5伺服，伺服电机随主轴做电子凸轮运动，实现瓦楞纸的输送动作。实际应用中控制系统具有响应迅速、稳定性高、精确定位、调节速度方便等特点。

关键词:SysmacStudio;NJ运动控制器;G5伺服;电子凸轮;前缘送纸

0引言

传统的瓦楞纸的纸箱印刷机或模切机［1］送纸方式是链板式，每张瓦楞纸板要人工一片一片放到链板上，印刷效率很低。后来又出现了进口的机械式凸轮带动的前缘送纸系统，但机械结构复杂设备成本很高，一般用户投资不起。在进口机械式凸轮前缘送纸系统的基础上又发展出国产机械凸轮前缘送纸系统、机械凸轮后踢式前缘送纸系统、伺服前缘送纸系统，前两者虽然机械成本下降了，但机械结构磨损很快，设备正常使用周期短，并且使用一段时间后随着机械凸轮的磨损送纸精度也降低了，而伺服前缘送纸系统机械结构简单利于装配和维护，伺服电机送纸精度与速度高，使用寿命长，维护少，该型送纸系统正越来越受到广大设备制造厂家和设备使用者的青睐。

1前缘送纸设备的结构及工艺流程

1．1前缘送纸设备的结构

前缘送纸的主要功能是将瓦楞纸一张张的送到印刷部或者模切部。前缘送纸部分主要由拉纸辊、送纸辊、格栅组成。拉纸辊由变频器电机控制，按照设定的速度旋转;送纸辊跟随拉纸辊动作，将瓦楞纸一张张的送到拉纸辊下面。整个送纸过程中，格栅会根据送纸辊旋转的角度做升降动作，以便瓦楞纸纸能够更好地送入到拉纸辊。瓦楞纸前缘送纸的机械结构及原理如图1所示

1．2送纸过程控制分析

前缘送纸是瓦楞纸印刷设备的前端工艺，用来将所需要印刷的瓦楞纸输送到后面的印刷辊中进行印刷或者是模切机进行模切。其中印刷辊或者模切工位是由变频器控制，印刷或者模切转一周，送纸部分就要送入一张纸。前缘送纸部分，拉纸辊作为主轴(编码器轴)，送纸辊作为从轴，跟着主轴做电子凸轮动作，前缘送纸工艺如图2所示。

2瓦楞纸前缘送纸控制系统设计

2．1系统控制要求分析

(1)拉纸辊每转一周，都要送一张纸进来;送纸辊转三周，最多送出一张纸;(2)送纸辊和拉纸辊之间的距离是140mm，为了包装印刷或者模切的线速度同步，因此在送纸辊送140mm之前就要保证和拉纸辊线速度同步;(3)同步结束位置是在送纸辊将纸完全送入的位置，同时为了保证下一张纸不和上一张纸重叠进去，格栅在同步结束时要升起(4)同步结束后，送纸辊减速到初始位置，同时格栅降下;(5)等主轴的相位到了以后，送纸辊重复(1)～(4)动作;(6)在不同速度(高低速或者加速阶段)下，印刷或者模切都需要在同一位置上。

2．2控制系统的电子凸轮及纠偏算法设计

(1)电子凸轮设计电子凸轮位点与机械手追踪轴位移关系一般函数表达式为:S(x)=C0+C1x+C2x2+C3x3+…+Cnxn(1)追赶阶段，速度由0先增加至最大值，最后减为0;追踪轴实际加速度也由0增加，最后减少至0;将上述边界条件带入上式得到五次多项式优化后的追赶阶段电子凸轮表达式:S(x)=L77760x3－L2099520x4+L201553920x5，x∈［0，36］(2)同步阶段，追踪轴加速度恒为0，其电子凸轮曲线表达式为:S(x)=L360x，x∈［36，108］(3)加速阶段，脉冲加速度从0开始增加最后减小到某个值，经过调试发现当脉冲加速度与箱体移动距离L成一定比例时会使跃度突变最小，即:A(180)→－520911L，ΔJmin→0带入边界值，得到加速阶段时电子凸轮曲线:S(x)=－11908709L+7131134Lx－404383Lx2+823397Lx3－L4469895x4+L3334739607x5，x∈［108，180］(4)回车阶段，追踪轴实际加速度由－269687L(mm/s)逐渐增加，最后减小至0;其加速度由－520911L(mm/p)逐渐增加，最后减为0。带入边界值可得，回车阶段电子凸轮曲线表达式为:S(x)=－8585812L+6253562Lx－5960588Lx2+L448438x3－L574231299x4+L5113908383271x5，x∈［180，352．8］(5)待机阶段，电子凸轮表达式为:S(x)=0，x∈［352．8，360］(6)主轴为拉纸辊(编码器)，负载转一圈的距离是1433．5mm。送纸辊为伺服电机轴，减速比是负载转一圈是307．87mm。根据工艺要求，送纸辊转3圈多送一张纸，拉纸辊转一周。因此根据以上要求，设计以下电子凸轮。主轴为编码器轴，环形最大1433．5mm，从轴为送纸轴，环形最大值为1000mm。根据实际工艺要求，将电子凸轮分为5段。主轴0～15mm时从轴等待;15～210mm时从轴进行加速;210～828mm时从轴进行线速度与大滚筒同步;828～1310mm时从轴进行减速;1310～1433．5mm时从轴等待;通过SS软件的CAM功能将上述主从轴的对应关系生成以下电子凸轮表，如图4所示。(2)纠偏算法设计从轴跟着主轴做电子凸轮动作，主轴的位置发生变化，从轴的位置也会立刻发生变化。无论主轴的速度如何的变化，从轴的位置应该始终是如果所示的黑色实线。但是命令位置还要发送给伺服驱动器，伺服驱动器响应命令然后输出动作。由于伺服自身需要处理发给它的命令位置，且需要一定的时间，所以从轴的实际位置会滞后于从轴的命令位置。并且命令位置的速度越大，其滞后量越大。因此就造成在主轴不同的速度时，从轴的命令曲线虽然一样，但是伺服的滞后量不同，导致从轴的实际位置曲线也都不相同。为了保证在不同的速度下，印刷或者模切都能在相同的位置上，要对前缘送纸部分进行纠偏控制。如果在不同的速度下，不采取纠偏对策的话，就可能出现如图5所示的结果。具体的纠偏措施:以10P/min的速度时模切或者印刷的位置为基准，分别测量一下在不同速度下，模切或者印刷位置与基准位置的偏差。然后通过程序，将不同速度下的偏差值进行补偿，才能保证位置的准确性。该次设计采用的是根据速度实时修改从轴的电子凸轮表的方式，将偏差进行补偿的。即通过补偿，保证在不同的速度下，从轴的指令位置曲线都要重合。补偿后主从轴位置如图6所示。veSyncDitance;从轴移动距离:=SlaveSyncDistance+SlaveAc-cDistance+SlaveDecDistance;(3)传感器位置主轴加速距离:=SenorPosition*2;主轴减速距离:=SlaveDecDistance*2;主轴运动距离:=MoveLink．MasterDistanceIn-ACC+MoveLink．MasterDistanceInDEC+SlaveSync-Distance;从轴移动距离:=SlaveSyncDistance+SlaveAc-cDistance+SlaveDecDistance;(4)主轴从轴位置关系主轴加速距离:=SlaveAccDistance*2;主轴减速距离:=SlaveDecDistance*2;主轴运动距离:=MoveLink．MasterDistanceIn-ACC+MoveLink．MasterDistanceInDEC+SlaveSync-Distance;从轴移动距离:=SlaveSyncDistance+SlaveAc-cDistance+SlaveDecDistance;从轴启动追剪位置:=TouchProbe．RecordedPo-sition+SenorPosition－SlaveAccDistance;

2．3控制系统结构

NJ的CPU单元内置了一种软件模块，称为运动控制功能模块，简称MC功能模块。通过内置在CPU单元上的EtherCAT端口，MC功能模块可完成多达64轴的运动控制［2］。MC功能模块进行运动控制时，通过EtherCAT端口与连接到该端口的网络型伺服驱动器进行周期通信，从而实现高速度、高精度的伺服驱动控制，是进行大规模复杂运动控制的一种理想选择［3］。控制系统由NJ运动控制器［4］通过EtherCAT端口与2个网络型伺服驱动器通信进而控制伺服电机。控制系统结构如图7所示。

3前缘送纸设备控制系统软件设计

3．1PLC控制程序设计根据系统手动和自动运行状态的控制要求，通过SysmacStudio软件制作电子凸轮表，编程非常简单，通过调用内部功能模块指令如伺服锁定(MC_Power)、原点返回(MC_Home)、电子凸轮(MC_Cam-In)、停止电子凸轮(MC_CamOut)等运动功能块，即可完成相应的送纸动作。具体程序如图8所示。其补偿后运动程序如下:(1)追剪触发模式追剪触发式．Mode:=_eMC_TRIGGER_MODE#_mcController;追剪触发模式．LatchID:=_eMC_TRIGGER_LATCH_ID#_mcLatch2;追剪触发模式．InputDrive:=_eMC_TRIGGER_INPUT_DRIVE#_mcEXT;(2)主轴运动距离主轴加速距离:=SlaveAccDistance*2;主轴减速距离:=SlaveDecDistance*2;主轴移动距离:=MoveLink．MasterDistanceIn-ACC+MoveLink．MasterDistanceDistanceInDEC+Sla-

4结论

通过SysmacStudio编写的程序极大提高了系统的可靠性，送纸的速度和精度得到极大提高。使用欧姆龙NJ控制器和通过EtherCAT网络与伺服驱动进行通讯组成的控制系统实现了对设备的精准控制，具有广泛的应用前景。另外通过SysmacStudio系统软件，完成对控制器、网络、伺服等现场的设备简单设定与调试，并且通过软件内部功能块完成对设备的复杂控制。系统运行后，达到了预想的结果。

参考文献:

［1］王琦，陈志杰．欧姆龙NJ控制器在太阳能线切割机中的应用［J］．太阳能，2012(21):32－34．

［2］徐世许．机械自动化控制器•原理与应用［M］．北京:机械工业出版社，2013:8．

［3］李志洲，郑民欣，王锦锦，等．基于EtherCAT网络的三轴伺服控制系统设计［J］．组合机床与自动化加工技术，2012(2):63－65．

［4］王月芹．基于欧姆龙NJ控制器机械手控制系统设计［J］．机电产品开发与创新，2013，26(03):28－29+6．

作者：王伟 邱巧迪 徐世许 单位：欧姆龙自动化(中国)有限公司 北京分公司青岛大学自动化学院