电子凸轮技术在胶囊壳生产线中的应用研究

强明辉，付雪松

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州 730050）

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即为电子凸轮功能。伺服运动控制系统的电子凸轮功能可以实现从动杆直线往复运动，替代原有的通过凸轮产生从动杆直线运动的机械机构，从而达到高速精确控制、柔性化设计、维护成本低的目的[1-2]。通过合理地选择或者设计凸轮机构从轴的运动规律，可以使凸轮机构具有比较好的动力学以及运动学特性[3]。目前，采用数字技术和伺服控制的电子凸轮可以使从动杆实现各类运动规律，且具有精度高、无磨损、柔性化设计易控制等优点，逐渐获得广泛应用[4]。

传统的伺服控制系统，采用往复的多段速运动设计方案，是对多段路径PR的正反向的叠加处理。对每段PR路径进行速度和位置规划，是导致速度过渡不平滑现象的主要原因，且编写程序复杂，查找错误困难。胶囊生产中液态的原材料对设备的机械惯性要求严格，速度的不平滑将直接导致胶囊壳壁厚不均匀。伺服控制系统的电子凸轮功能可以实现多段速柔性直线周期往复运动，具有高速精确控制、柔性化设计、查错时间短和成本低的优点，广泛应用于包装、制药、轮切等生产中[5]。

在此，采用电子凸轮技术，基于台达AHPLC500系列PLC以及运动控制模块20MC、伺服控制器、交流伺服电机、编码器，研制了一套完整装置，以替代传统的多段速伺服控制系统。

1 蘸胶工艺

胶囊壳的制作过程主要为蘸胶，在不锈钢模具上形成一层明胶薄膜；明胶薄膜变干硬化后形成胶囊；从模具上取下胶囊。所用模具一般有2种尺寸，分别用来制作胶囊体和直径稍大的胶囊帽。国家标准对胶囊壳的长度和厚度都有相应的规定，因此对蘸胶机构的控制提出了更高的要求。就肠溶性胶囊壳生产线的蘸胶工艺而言，下降过程分为4段速度，上升过程分为7段速度，下降到最低点时还需要停留一段时间。

蘸胶，是指蘸胶架上的金属模针由电机带动，并缓慢浸入胶液，然后再带着蘸胶架缓慢提升到位。其整个过程分为下降段、停顿以及上升段3个阶段。此外，为了满足胶囊壳不同部位对壁厚的不同要求，蘸胶架上的金属模针在浸入胶液后，电机要以不同的段速带动蘸胶架缓慢下降。如果速度过快，一方面会将空气带入胶液引起气泡，影响胶液的质量，另一方面胶囊壳的壁厚达不到要求。尤其是蘸胶架上的金属模针浸入胶液后，浸没深度受到严格限制，从胶液中抽出金属模针的速度更要缓慢均匀。

模针浸入胶液中，要有一定的停留时间和浸入长度即胶囊壳的长度。在上升时模针壁粘有胶液，由于国家标准对胶囊壳厚度的规定，上升过程需要多段速度平滑过渡，以防止由于惯性使胶囊壳的厚度不均匀。

2 系统结构与总体方案

基于可编程控制器PLC以及运动控制模块，实现了电子凸轮的控制系统，其结构如图1所示。

图1 电子凸轮控制系统结构Fig.1 Electronic cam control system structure

可编程控制器与运动模块互相通信，实时读取和接收对方信息，完成对伺服驱动器的三闭环控制，即电流环控制、速度环控制、位置环控制。

控制系统与伺服电机和连动杆组合，形成电子凸轮，交流伺服电机具备控制和驱动的双重功能，通过霍尔开关将速度和位移反馈给伺服驱动器从而形成闭环控制。闭环控制具备控制精度高、对外部扰动和系统参数变化不敏感的特点，该生产线采用前、后2个人机交互端对其进行控制。根据要求可以通过人机交互端改变电子凸轮表的关键点，从而改变运动轨迹，使电子凸轮在一定程度上具有通用性、适应性和智能性。

PLC与运动控制模块以及运动控制模块与伺服驱动器，通过基于运动控制系统DMCNET总线进行通讯。DMCNET是台达公司针对目前工业现场应用的实际需求及未来发展趋势设计研发的高速、稳定、精准的运动系统。它采用了台达公司自主研发的高速总线型运动控制通信协议，通信线缆为超五类屏蔽以太网电缆 CAT-5e STP（24AWG/4PAIRS），传输数据速率高达20 Mb/s，资料更新频率超过2 kHz，通讯周期至少500 μs，最远通信距离可达30 m，采用不同CRC校验码双路通信。使用该通信网络，安装方便，实时性效果好。

台达20MC运动控制器除了实现直线/圆弧插补以及定位功能之外，内嵌电子凸轮功能，可用于多种运动控制场合。20MC为多轴运动控制器，具有多路500 kHz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，当定义好凸轮表后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。主轴来源可以是实轴、编码器位置、虚拟主轴等，最多可搭载16个从轴，其中第1～12为实从轴，第13～16为虚拟轴专用。

本研究采用台达可编程控制器AH500系列和运动控制模块20MC作为控制器。软件分别使用ISPsoft和PMsoft作为上层用户运动控制程序的开发环境。用户可以采用基于IEC61131-3标准的结构化文本（ST）、梯形图（LD）、功能块（FBD）、顺序功能图（SFC）、指令表（IL）等 5种语言进行编程，同时结合基于PMsoft软件下功能块库中的运动控制模块，如 T_CamIn，T_ReISeg_E，T_AbsSegI_E，T_DMCServoHoming_E等MC功能块。在此，通过编程可以实现电机的初始化、使能，主、从轴实现电子凸轮的啮合、运动等，程序流程如图2所示。

图2 程序流程Fig.2 Program flow chart

电机使能从轴的伺服电机使能通过T_DMCControllnit模块进行。

电子凸轮表初始化通过T_CamIn模块定义主轴来源、凸轮表主轴启动角度、从轴输出设定、正周期停止命令等。

电机啮合使主、从电机按照所设计的电子凸轮表啮合。

电机驱动驱动虚拟主轴电机，使从轴的伺服电机同样运行到对应的目标位置。

3 电子凸轮的设计

3.1 电子凸轮数据的建立

蘸胶机构的多段速运动过程，各段速的长度和速度通过触摸屏进行设置，故需要定义主轴与从轴之间的关系，建立电子凸轮数据。

本系统采用虚拟主轴形式，这样计算简单。通过实际测量和反复计算，得到1 mm=1920脉冲数，给定主轴作匀速运动，主轴速度为5000脉冲数/s。以一次蘸胶为例，有体蘸胶和帽蘸胶之分，两者的运动轨迹和行程一致，故仅讨论体一次蘸胶，算法程序如图3所示。体一次蘸胶动作是先下降后上升，下降过程为7段速度，上升过程为4段速。

以式（1）作为主、从轴的电子凸轮数据建立的依据。由式（1）可见，选用虚拟轴作为电子凸轮的主轴，计算简单方便。

图3 体第一次蘸胶算法程序Fig.3 Body first dipping algorithm program

在小空间内完成蘸胶工艺的往复运动，就需要在满足工艺精度要求的前提下对电子凸轮表进行设计。本系统的蘸胶工艺最大行程为50 mm，需要完成11段不同长度和速度的转换。通过人机交互端对每段长度和速度进行赋值，人机交互界面如图4所示。

图4 体帽一次蘸胶人机交互界面Fig.4 Body cap once dipping in human-computer interaction interface

在控制器编程软件PMsoft中，要先建立空白的电子凸轮表，完成赋值后保存设置，在PC端进行上传操作。这样，就可以查看到通过建立的函数关系和在上位机对关键点进行赋值的电子凸轮曲线。

3.2 电子凸轮曲线设计

20MC提供2种电子凸轮曲线的建立方法：①使用DTO指令自动生成电子凸轮曲线；②使用PMsoft CAM Chart绘制电子凸轮曲线。本文采用方法1生成蘸胶工艺的电子凸轮曲线。

20MC规划16个特殊模块，分别供电子凸轮表0～15使用，其模块所在编号为K100～K115，通过DTO指令使用者可以在程序建立或修改电子凸轮数据。电子凸轮数据为浮点数型态，而使用PMSoft ECAM Chart产生的电子凸轮数据已转成浮点数型态，在PMSof监控表监控电子凸轮数据时要使用浮点数型态。自动生成电子凸轮数据的指令格式如图5所示，在此CAM0～CAM15被当成第100～115个特殊模块，生成电子凸轮表程序如图5所示。

图5 生成电子凸轮表程序Fig.5 Generates an electronic cam table program

为了保证速度曲线、加速度曲线存在且连续，防止速度冲击和系统扰乱，提高机构运动性能，本研究在上升和下降阶段采用5次多项式作为插值函数。运动控制软件根据电子凸轮曲线所对应的插值关系，计算出每个伺服周期和伺服电机应到达的位置。通过对关键点的赋值，从而适应不同的加工工艺。图6为电子凸轮曲线界面。由图可见，在下降和上升过程中速度间转化平滑，克服了传统伺服控制系统的不平滑现象，从而克服了胶囊液体材质的惯性因素。

在肠溶性胶囊壳自动生产线后期冷试车期间，蘸胶机构带有负载的情况下，监测到伺服电机1个蘸胶周期的实际速度曲线，如图7所示。由图可见，1个蘸胶周期内共有11段速，在持续同一速度期间电机速度有波动，与理论情况不符。这是由于伺服电机在带有负载的情况下，机构克服摩擦力做功所致。由实际生产可知，这种波动不影响胶囊壳壁的均匀度，符合相关的国家标准。

图6 电子凸轮曲线界面Fig.6 Electronic cam curve interface

图7 伺服电机实际速度曲线Fig.7 Servo motor actual speed curve

3.3 程序设计

依据蘸胶工艺以及触摸屏所连寄存器地址，在PMsoft下设计蘸胶工艺控制的主程序。部分主程序如下：

4 电子凸轮功能测试

在电子凸轮测试中，设置主轴为虚拟主轴，按照一定速度匀速运动。通过对主轴的速度进行积分，得到主轴的位移。通过人机交互端对关键点进行赋值，生成的电子凸轮曲线，经过插值后输出给从轴位置环。最终，通过DMCNET总线发送给各个伺服驱动器，在下一个通信周期开始，收到同步数据帧后，开始同步运动。

经测试，从轴能够较好地跟随实时以太网发送过来的数据信息，下一个周期反馈的实际速度值达到了上一个周期发送的指令速度值，并且实现了电子凸轮功能。

5 结语

本研究利用台达伺服控制系统与丝杠平台相结合，采用电子凸轮功能实现丝杆的直线往复运动。试验结果表明，通过对关键点的赋值可以灵活地生成电子凸轮曲线，可以完成不同的生产工艺，大大地提高了生产效率，降低了成本。同时，电子凸轮技术更为柔性化，在多段速转化时克服了不平滑的现象，生产的胶囊壳厚度均匀，符合国家相关标准。结果证实，电子凸轮技术为机械设备的柔性生产提供了有益的借鉴。

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