基于NX1P伺服控制系统的打孔机设计

许志胜，杨凤龙，刘英

(1.大连三垒科技有限公司，辽宁 大连 116000；2.欧姆龙自动化（中国）有限公司，辽宁 大连 116000；3. 大连海林博格机电设备有限公司，辽宁 大连 116000)

在塑料管道行业中，随着农业建设的发展，节水与灌溉的市场也在迅速扩大，打孔机作为整条生产线的重要设备，应用越来越广泛，尤其在国外。以前的打孔机用变频器与小型PLC进行控制，工艺比较落后，精度不高，一般为线下单独操作。新一代的打孔机采用运动控制器和伺服驱动进行控制。相对比具有可在高速线上同步生产，噪音低，打孔均匀，废屑集中回收，调整简单，打孔尺寸准确等优点。

1 打孔机的原理

打孔机（图1）采用螺旋铣打孔原理，在圆周方向共布置6把打孔刀，铣刀片安装在螺旋导论上，导轮的导程同波纹管的波距相等，其中三个导轮为左旋，三个导轮为右旋，整个导轮安装在气动滑轨上。当工作时，气动阀得电，气动滑轨伸出，使导轮落到波纹管波谷内；不工作时，气动阀失电，气动滑轨退回，导轮回到原位，整个气动滑轨的伸出长度可以通过电机调整，不同的规格可以随意更换。

螺旋导轮通过电机控制，对速度精度，和瞬时的大扭矩有很高的要求。螺旋导轮安装在滑动导轨上，通过六根万向轴节于传动装置相联，其中三根为左旋导轮，三根为右旋导轮。刀片安装在导轮上，刀片伸出的长度可以调节，这样可以控制管材孔的长度。

当在线生产时，为了保持管材在打孔时，速度的同步一致，增加牵引电机。必须保持螺旋导轮的线速度和管材生产的速度同步，使孔距一致。在全线联机的控制方式下，实现全自动打孔。

图1 打孔机

2 打孔机对控制系统的要求

打孔机主要应用于在线生产带长条孔的波纹管（图2），机械结构简单可靠，采用了纯齿轮传动，集中回转切条等先进结构。本规格的打孔机主要技术指标为：生产规格：Ф90～Ф160 塑料波纹管打孔；打孔尺寸（长×宽):15(-30)mm ×2(-5)mm；打孔数量：6孔，周向分布；主电机：5.5 kW；牵引电机：2×0.4 kW。

该打孔机主要有三个传动点，由三轴伺服电机拖动，伺服采用欧姆龙EtherCAT 网络G5伺服驱动器和电机。三轴伺服分别为：螺旋导轮伺服电机为主轴，两个牵引伺服电机为从轴，控制上采用三轴伺服同步运行。采用触摸屏终端进行速度设定、伺服使能、伺服停止、故障报警、故障复位、手动操作、刀具调整、电机调整等。

打孔机的正常运行对电气控制系统有以下几点要求：

（1）传动系统需要快速响应和稳定运行，主轴30 s内扭矩150%正常运行。

（2）适应设备打孔要求，三轴伺服速度同步一致。（3）同时必须同步线速度，实现在线管材生产。（4）为了方便数据统一管理，在触摸屏可以进行速度设定，长度监测，报警管理，远程访问监控设备状况等。

（5）快速响应的安全保护。

因此要求控制系统必须具有高效的运动控制性能和高速的网络通讯。

图2 打孔管材图

3 打孔机控制系统设计

3.1 系统硬件选择与设计

考虑到成本，控制精度，同步性，实时高速网络等要求。

本系统采用欧姆龙的带有ECT网络接口的新一代小型运动控制器NX1P，它是一体封装紧凑机器自动化控制器，其主要特点：①整合时序控制与运动控制；②标配控制用网络EtherCAT；③标配EtherNet/IP通信功能端口；④控制器本体内置输入输出；⑤可进行无蓄电池运行，等等。这些特点非常适用本设备。

伺服驱动采用欧姆龙ECT 网络G5伺服，导轮主轴一台为R88D-KN50F-ECT,牵引从轴两台为R88D-KN04H-ECT。高速、高精度G5系列适用于超高速EtherCAT通信，同时可实现高精度定位，标准配备全闭环控制。

伺服电机采用高性能的G5通用伺服电机R88M系列。

上位采用欧姆龙NB7W-TW01B，带有EtherNet/IP以太网口的7"工业级触摸屏，进行速度设定，速度比例系数设定，报警显示等。控制系统的硬件结构如图3所示：

图3 控制系统硬件结构

具体采用的型号为NX1P2-9024DT1，自身带有24个输入，16个输出的IO点，节省了单独采购IO模块的成本，并且具有EtherCAT和Ethenet网络接口，同时可扩展I/O输入输出的数字和模拟量模块，RS232，RS485等串行通信接口和各类总线接口模块。NP1X集成了欧姆龙NJ高性能运动控制器的特点，具有功能强大，性价比高，亦可以连接第三方ECT网络伺服与远程IO，编程界面友好等特点。

在波纹管产线生产过程中，打孔机作为整个产线中越来越重要的设备之一，其核心传动环节是控制系统中三轴伺服的速度同步运行，因此，电子凸轮技术是此设备控制中的重要组成部分。为了准确进行速度同步控制，采用欧姆龙的G5系列伺服电机，该系列伺服速度响应频率2 kHz，脉冲输入频率响应频率4M pps，最大转速达到6 000 r/min，配备高分辨率20bit的增量编码器和多圈的绝对值编码器，全闭环控制，加强抑振控制功能，兼顾安全性与生产效率[2]。

整套控制系统网络应用实时以太网EtherCat以及EtherNet。NX1P运动控制器与G5 伺服之间采用EtherCat网络，触摸屏与NX1P 之间采用EtherNet网络。EtherCat为工业级实时以太网，已经成为工业通讯的主流，网络通信速度可达到100 M级别，可连接伺服驱动器，视觉传感器，安全，I/O等设备。具有通信速度快，安全可靠，省配线等特点。

3.2 控制系统软件设计

本系统的软件为欧姆龙的Susmac Studio，该软件是欧姆龙公司2013年之后推出的最新软件，主要为新一代伺服控制器NJ、NP1X提供软件支持，具有功能非常强大，界面操作相对简单，编程语言丰富等特点。本系统软件主要采用FB编程方式，同时利用NX1P控制器循环扫描方式对数据进行处理。程序设计主要采用电子凸轮技术实现伺服的同步控制，电子凸轮技术由机械凸轮演变而来，机械凸轮（Mechanical CAM）是一种能够按照动力学特征和运动学特征的要求，具有曲线或者曲面轮廓作为副元素的构件[3～4]。机械凸轮设计复杂，结构不可变，动作不具有变化性。相对于机械凸轮而言，电子凸轮具有灵活性，轨迹易于改动，可以根据需求更改加工轨迹，减少了设计周期。

NX1P运动控制器内置电子凸轮功能，采用两牵引轴跟随螺旋导轮主轴实现同步运动。电子凸轮的实现方式分为三步：第一，设定导轮主轴与牵引从轴参数。第二，设定合理电子凸轮曲线。第三，实现电子凸轮运动。电子凸轮实现的结构流程图如下所示：

图4 电子凸轮结构流图

初始化程序包括：伺服原点预设，错误复位，速度，加减速度设定以及设备运行参数设定等。

凸轮运动程序：启动MC_CamIn（图5）电子凸轮指令，当各轴啮合后，通过MC_MoveVelocity（图6）速度控制指令，运行导轮主轴进行速度控制，牵引从轴跟随主轴进行同步运行，运行过程中实时监控牵引从轴与主轴的位置偏差，偏差超过预设值，进行位置补偿。

触摸屏与NX1P 之间采用EtherNet网络，实时直接读取伺服当前的状态，如速度、电流。在触摸屏可以进行速度设定，长度监测，报警管理，远程访问监控设备状况等。也可以通过触摸屏来进行设备规格选择、手动进刀、手动退刀等手动操作，并增加检修时，安全锁解除、报警提示等功能。

图5 MC_CamIn电子凸轮指令

图6 MC_MoveVelocity指令

4 系统调试

调试过程主要是进行硬件检查，软件测试。

4.1 硬件检查

首先要保证硬件接线正确，保证输入输出的I/O信号和触摸屏能够与NX1P运动控制器进行正常通信。

4.2 软件测试

其次是进行伺服参数调节，设置物体刚性、位置环，速度环，电流环等参数，保证主轴和从轴的同步性和速度的稳定性，保证伺服同步性和稳定性的同时，要提高它的响应性。因为打孔时，扭矩最大，很容易造成电机堵转。利用其精确的自动调谐，完全闭环控制，达到了理想的效果。利用欧姆龙的软件Susmac Studio的监控功能，图5可以看到当刀在打孔时，瞬时的最大扭矩在120%，平均80%左右，完全在伺服电机的控制范围之内，基本满足了对扭矩的要求。

图7 扭矩监控曲线

4.3 程序调试

最后进行程序调试，优化程序，根据工艺要求和现场的实际情况，进行程序修改完善，在现场牵引从轴和导轮主轴同步效果良好，保证了设备稳定运行，满足生产要求。

5 结论

通过这次应用欧姆龙运动控制器NP1X，使大连三垒打孔机控制技术有了质的飞跃，这也是打孔机第一次使用伺服凸轮功能，效果非常好，实现了波纹管管材在线上同步速度下生产，一次性生产出成品，减少了二次加工的麻烦。并且在全线联机的控制方式下，实现全自动打孔。同时使用触摸屏进行参数设定，报警监控，曲线监视等。操作简单，各项工艺指标满足生产工艺的技术要求，自调试完毕后，系统运行稳定，已经投入到实际生产中，效果良好。

参考文献：

[1]三垒科技 SKC160B说明书.

[2]欧姆龙自动化（中国）有限公司. AC伺服电机/驱动器 G5系列，2012-07.

[3]徐宏伟，王龙英，郝发义.电子凸轮在印刷机中应用的前景展望[J].印刷杂志，2005(11):70～72.

[4]张阁，邹慧君.电子凸轮的概念和设计[J].机械设计与研究，2000(12):89～91.