CANopen在香腸包裝機(jī)中的應(yīng)用———CANopen在香腸包裝機(jī)中的應(yīng)用

［編輯簡(jiǎn)介］：本文介紹一個(gè)CANopen用于香腸包裝縫袋機(jī)的應(yīng)用案例。采用嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)七個(gè)實(shí)際軸和一個(gè)映像軸的運(yùn)動(dòng)控制。［摘要］：［關(guān)鍵詞］：CANopen 包裝機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制

用于香腸包裝的縫袋機(jī)并不直接與高技術(shù)相關(guān)聯(lián)。但是，Beckmann Maschinenbau為香腸生產(chǎn)者制造的自動(dòng)縫袋機(jī)的發(fā)展卻向某些控制技術(shù)發(fā)起了極大挑戰(zhàn)。畢竟，要為七個(gè)實(shí)際軸和一個(gè)映像軸設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制解決方案。而軸運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性可與典型的CNC路徑控制系統(tǒng)相比?？p袋機(jī)的任務(wù)和方法簡(jiǎn)單描述如下：起始產(chǎn)品是200 mm寬的織帶(紡織品腸衣)，然后將其折疊形成100 mm寬的雙層帶，通過(guò)齒輪皮帶傳送到靠近兩個(gè)縫紉頭的位置?？p紉頭的任務(wù)是根據(jù)給定的幾何數(shù)據(jù)，將各種不同香腸樣式的輪廓縫制到包裝帶中。通過(guò)這種方法便可以生產(chǎn)出環(huán)形無(wú)端帶狀的縫制香腸包裝，這與隨后的生產(chǎn)過(guò)程是相互獨(dú)立。

要求嚴(yán)苛的應(yīng)用
兩個(gè)縫紉頭的每一個(gè)都有三個(gè)軸：

針沖程
沿與織帶傳送方向垂直的X軸方向的線性運(yùn)動(dòng)
縫紉期間，縫紉頭的切向跟蹤，特別是在分開(kāi)(切斷)期間
縫紉頭位于織帶的右側(cè)和左側(cè)邊沿處，它們不在一條線上，從而確保了自由運(yùn)動(dòng)。第七個(gè)軸與物料傳送帶的速度控制相關(guān)。
從控制技術(shù)的角度來(lái)看，這是典型的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。合理定義了每個(gè)縫紉頭的三個(gè)軸之間的關(guān)系，從而保證相關(guān)的各運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致。此外，兩組軸還必須與傳送帶的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致(第7個(gè)軸)。虛擬(第8個(gè))軸用于實(shí)現(xiàn)速度監(jiān)視的預(yù)測(cè)功能。此外，還需要典型的PLC功能，例如光斷線檢測(cè)器、緊急停止按鈕、光幕等等。
來(lái)自食品生產(chǎn)業(yè)的最終用戶提出了非常高的生產(chǎn)率和質(zhì)量要求。為了滿足這些要求，控制解決方案必須提供足夠的計(jì)算能力和全面的可編程性。

缺省配置下，嵌入式控制器包括以太網(wǎng)接口、用于裝載應(yīng)用程序軟件的RS-232接口和兩個(gè)CAN接口。CANopen通訊協(xié)議為所有這些產(chǎn)品提供了設(shè)備規(guī)范?？刂破鲗?shí)現(xiàn)了CiA 401、CiA 402和CiA 405?，F(xiàn)場(chǎng)總線模塊實(shí)現(xiàn)了CiA 401。
運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)包含了各種符合IEC 61131-3的PLC功能塊，使用戶可以從PLC程序中完成多軸定位任務(wù)。借助于該庫(kù)，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的PLC功能，例如鏈接輸入信號(hào)、計(jì)算和設(shè)置輸出信號(hào)等，都可以在同一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
這樣便也可以在機(jī)器中使用控制系統(tǒng)；在這些機(jī)器中，復(fù)雜、快速和精確的運(yùn)動(dòng)控制起著決定性作用。使用PLC平臺(tái)具有優(yōu)勢(shì)，那就是PLC和NC功能是在統(tǒng)一編程環(huán)境中，這樣除了共有的PLC動(dòng)作外，還可以協(xié)調(diào)多個(gè)運(yùn)動(dòng)、并行驅(qū)動(dòng)甚至是分級(jí)疊加驅(qū)動(dòng)。該庫(kù)包含了所有符合PLCopen標(biāo)準(zhǔn)版本1的運(yùn)動(dòng)控制功能塊。
應(yīng)Beckmann的要求，選用帶CANopen連接的觸摸屏面板作為操作員單元。但根據(jù)最終應(yīng)用重新對(duì)接口進(jìn)行了編程，以便使操作員單元只具有純粹的從屬操作。從上面提到的I/O模塊系列開(kāi)始，已經(jīng)使用符合CANopen的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)外部輸入和輸出。
首先，必須為縫紉頭軸的驅(qū)動(dòng)器組合接縫的幾何形狀。掃描不同形狀的香腸包裝的右邊和左邊的輪廓，將其轉(zhuǎn)換成插值點(diǎn)表。為了協(xié)調(diào)縫紉頭軸，使用了用于軸耦合的MC功能塊。三個(gè)軸的同步運(yùn)動(dòng)是通過(guò)所謂的CAM表實(shí)現(xiàn)的。由于在這種情況下無(wú)法分析性地描述主軸和從軸的耦合，因此必須以數(shù)值方式給出此表。同時(shí)，與纖維傳送帶驅(qū)動(dòng)器的同步是作為耦合計(jì)算出來(lái)的，這可以表示成一個(gè)數(shù)學(xué)公式。
操作員可以為軸的運(yùn)動(dòng)選擇最大值，而絕對(duì)縫合深度則是更進(jìn)一步的參數(shù)，它決定了縫紉頭軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)，使用上面提到的最小插值周期為4 ms的CAN表，計(jì)算所有軸的位置。為了獲得路徑插值的可靠樣條函數(shù)，CAN表的變量必須以實(shí)數(shù)格式存儲(chǔ)。只有使用這種格式，才能以足夠的精度確定所需要的樣條軌跡的3階和5階導(dǎo)數(shù)。
同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了光學(xué)控制和修正功能，以便能夠最優(yōu)地調(diào)整到符合復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。纖維腸衣上打了標(biāo)記，這樣就必須始終以低公差將其放置在縫合的香腸包裝的中央。為此，有一個(gè)光敏元件在每個(gè)縫紉序列之前檢查印制的標(biāo)記，以確定條帶上標(biāo)識(shí)的位置。如果位置在期望的偏差之內(nèi)，控制系統(tǒng)計(jì)算縫紉圖像適當(dāng)?shù)木€性伸縮變化(最大為數(shù)量級(jí)的1%)，這樣連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程便可以持續(xù)進(jìn)行而不會(huì)中斷。如果控制標(biāo)記丟失，則控制系統(tǒng)可以訪問(wèn)環(huán)形緩沖器中前一個(gè)標(biāo)記的位置，計(jì)算出平均值作為替代值。

安全和方便
可視化和操作是用戶自定制的，特別是編程了復(fù)雜的手動(dòng)操作模式。所有七個(gè)軸都可以通過(guò)專用畫面(和外部按鍵)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。但是為確保安全，在手動(dòng)操作上疊加了自動(dòng)定位控制，從而保證了在此模式中不會(huì)發(fā)生任何操作錯(cuò)誤(移動(dòng)限制等)。操作員根本察覺(jué)不到，在自動(dòng)操作中所有運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)預(yù)測(cè)函數(shù)來(lái)確定其配置文件的。為此，控制系統(tǒng)創(chuàng)建了虛擬的第8個(gè)軸，它計(jì)算所有協(xié)調(diào)軸的速度配置文件。
CANopen提供的可能性完全滿足此應(yīng)用的所有技術(shù)要求。選擇的解決方案提供了最大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)镃ANopen接口包含在使用的驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)供貨范圍內(nèi)。