SIMOTION D435在大口徑波紋管成型機(jī)上的應(yīng)用

許志勝

(大連三壘機(jī)器股份有限公司, 遼寧 大連 116000)

在橡塑波紋管行業(yè)中，成型機(jī)作為整條生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，在生產(chǎn)PP、PE、PVC等原材料的波紋管過(guò)程中，起到了非常重要的作用。以前的大口徑成型機(jī)均以立式為主，其模塊上下開(kāi)合，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，但模塊更換較困難，在線擴(kuò)口成型也很困難，并且速度極慢。同時(shí)模塊對(duì)數(shù)多，更換時(shí)間長(zhǎng)，模塊不易采用水冷，影響生產(chǎn)效率，一般最大內(nèi)徑可以做到800 mm。新一代大口徑成型機(jī)以臥式為主，目前最大做到內(nèi)徑1 800 mm。而本文所介紹的是臥式成型機(jī)的升級(jí)產(chǎn)品：梭式成型機(jī)。它采用運(yùn)動(dòng)控制器和伺服進(jìn)行控制，具有自動(dòng)回位、零位校準(zhǔn)、定位糾偏、在線偏差補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)不同的管材時(shí)，可以根據(jù)管材型號(hào)進(jìn)行更換模具即可，模塊少，更換簡(jiǎn)單容易，而且模塊自然水冷，生產(chǎn)速度更快，生產(chǎn)的管材質(zhì)量更好。

1 成型機(jī)介紹

波紋管成型機(jī)是生產(chǎn)波紋管的核心設(shè)備，主要由成型模具、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。成型模具一般由30～40對(duì)上下（或水平）對(duì)開(kāi)的模片組成，沿一定的軌跡移動(dòng)，模具閉合構(gòu)成圓形管子的成型腔，模具打開(kāi)，使制品脫離模具，模具可由水或空氣冷卻，使管材成型。其成型過(guò)程為：從擠出機(jī)擠出原料，利用真空泵，形成真空負(fù)壓，經(jīng)過(guò)真空吸附，使內(nèi)外壁分別貼合在成型模具和機(jī)頭水套上成型。而本文所介紹的新一代梭式傳動(dòng)的成型機(jī)，以最新1 800生產(chǎn)線的SBZ1800成型機(jī)為例，模塊的數(shù)量減少了很多，生產(chǎn)在線擴(kuò)口管材只需要9對(duì)模塊，而生產(chǎn)不帶擴(kuò)口的直管僅僅需要7對(duì)模塊，通過(guò)梭式運(yùn)動(dòng)完美曲線軌跡，減小成型機(jī)整體空間半徑，全方面減少投資成本。

所以波紋管成型機(jī)的關(guān)鍵就是成型模具運(yùn)行曲線軌跡的確定，首先建立模具運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)電子凸輪，建立各軸運(yùn)動(dòng)曲線，然后打印出其軌跡，最后按照這一軌跡組合模具。雙壁波紋管生產(chǎn)線如圖1所示。

2 成型機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖

此套1 800生產(chǎn)線的SBZ1800成型機(jī)系統(tǒng)以Simotion D435 運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與Simotion D435連接用于編程和調(diào)試的PC/PG；通過(guò)西門(mén)子工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFⅠBUS-DP與Simotion D435連接的人機(jī)界面接口模塊及用于數(shù)字量Ⅰ/O擴(kuò)展的接口模塊ⅠM153（見(jiàn)圖2）。

通 過(guò) 西 門(mén) 子 DRⅠVE-CLⅠQ 總 線 與 Simotion D435連接的驅(qū)動(dòng)單元各模塊及電機(jī)編碼器。模型系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。所以在做實(shí)際方案時(shí)，配置了Simotion D435 + KTP1200 +ET200M ⅠM153 的方案。

2.2 西門(mén)子SlMOTlON D運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)

Simotion D 結(jié)構(gòu)緊湊，是一款基于 SⅠNAMⅠCS S120 驅(qū)動(dòng)系列。本例采用的運(yùn)動(dòng)控制器Simotion 435-2 DP/PN 控制單元 ，最多支持 32 軸。

采用 Simotion D435 后， PLC 和運(yùn)動(dòng)控制功能以及 SⅠNAMⅠCS S120 驅(qū)動(dòng)器軟件都在同一控制硬件上運(yùn)行。Simotion D 中集中了符合 ⅠEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC以及符合PLCOpen標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊。根據(jù) Simotion D平臺(tái)的不同，HMⅠ 設(shè)備可在PROFⅠBUS、以太網(wǎng)或 PROFⅠNET 接口上運(yùn)行，便于操作人員實(shí)施監(jiān)控。此外，也可以通過(guò)這些接口，使用遠(yuǎn)程維護(hù)、診斷和遠(yuǎn)程服務(wù)等功能。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）驅(qū)動(dòng)器中直接集成了 PLC、運(yùn)動(dòng)控制和工藝功能，因此經(jīng)濟(jì)高效。

（2）采用了創(chuàng)新型 SⅠNAMⅠCS S120 設(shè)計(jì)。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊，可縮小控制機(jī)柜尺寸。

（4）非常適用于模塊化分布式機(jī)器方案。

（5）用戶友好型操作。

（6）可通過(guò)多種通信接口實(shí)現(xiàn)靈活聯(lián)網(wǎng)。

（7）集成眾多工藝功能因而功能強(qiáng)大。

（8）工程配置非常簡(jiǎn)單，涵蓋從驅(qū)動(dòng)器調(diào)試到開(kāi)環(huán)控制以及運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的全部過(guò)程。

（9）使用 CF 卡，更換方便并且包含所有數(shù)據(jù)（程序、數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)和授權(quán)證），因此便于維護(hù)。

（10）PLC 與運(yùn)動(dòng)控制之間不再需要接口，因此動(dòng)態(tài)性能非常高。

3 控制難點(diǎn)以及解決方案

3.1 梭式傳動(dòng)簡(jiǎn)介

圖4為成型機(jī)模塊某一運(yùn)動(dòng)瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，從圖中可以看出：

（1）在輸送軸(返回區(qū))成型模塊以加快速度返回，這樣，可以減少模塊的數(shù)量，進(jìn)而減少投資成本。就本例，共7對(duì)模塊，在主軸（工作區(qū)）5對(duì)模塊成型，輸送（返回區(qū)）2對(duì)模塊，輸送的頭尾各1對(duì)。

（2）成型模塊在主軸（工作區(qū)）的進(jìn)入處（合模區(qū)）和返回處（分模區(qū)）的過(guò)渡，不通過(guò)曲線導(dǎo)軌，模塊以直角的形式進(jìn)入主軸（工作區(qū)）并從其返回，因而減少了機(jī)器的寬度。

（3）成型模塊的全部動(dòng)作都通過(guò)同步伺服電機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而保證了成型機(jī)高度平穩(wěn)的運(yùn)行并生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

3.2 控制解決方案及編程

大連三壘臥式成型機(jī)SBZ1800在控制系統(tǒng)上主要由6軸伺服構(gòu)成，分別為上下主軸，輸送軸，合模軸，上下分模軸。如圖5所示，第一個(gè)模塊為Simotion D435，后面是西門(mén)子新一代驅(qū)動(dòng)Sinamic S120，分別為1個(gè)書(shū)本型電源模塊SLM和6個(gè)單軸電機(jī)模塊。Simotion D435 通過(guò)總線 DRⅠVE-CLiQ 接口與Sinamic S120 的其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以寫(xiě)入讀取各軸的參數(shù)，控制各軸模塊。

工作原理為成型模塊從左右通道返回成型通道的開(kāi)始位置，然后以垂直的角度形成成型管材通道，運(yùn)行的軌跡為矩形而不是橢圓形，見(jiàn)圖4。

模塊要按照設(shè)計(jì)好的曲線來(lái)運(yùn)行，才能保證管材的成型。運(yùn)動(dòng)控制器使用西門(mén)子SⅠMOTⅠON SCOUT軟件的Trace功能，通過(guò)在軟件中預(yù)先輸入需要監(jiān)控的伺服參數(shù)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)跟蹤功能，就可以監(jiān)控到實(shí)際曲線，如圖6所示。

本控制系統(tǒng)的難點(diǎn)在于各伺服軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行關(guān)系，所以必須以主軸位置為基本參考點(diǎn)，主軸運(yùn)行方向1個(gè)模塊的長(zhǎng)度就是1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，然后周期反復(fù)。其他各軸需要跟隨主軸，進(jìn)行相應(yīng)的位置移動(dòng)，主軸完成1個(gè)周期，其他各軸也完成1個(gè)周期動(dòng)作。按數(shù)學(xué)模型來(lái)說(shuō)，就是X_Y的2軸坐標(biāo)系，其他各軸，以主軸為X軸，自身為Y軸，各自建立自己的坐標(biāo)，繪制曲線圖，然后各軸按各自曲線運(yùn)動(dòng)。而解決這一問(wèn)題的最好方法就是利用電子凸輪功能。電子凸輪由機(jī)械凸輪演變而來(lái)，相對(duì)于機(jī)械凸輪，電子凸輪具有數(shù)據(jù)可修改性強(qiáng)，精度更高，靈活性更強(qiáng)，曲線隨時(shí)優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。Simotion D435中提供了電子凸輪功能，通過(guò)軟件的多軸授權(quán)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)建立凸輪表和凸輪曲線。

本例采用的編程語(yǔ)言是Simotion MCC，MCC是為了降低生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化控制的復(fù)雜度而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種新型圖形化編程語(yǔ)言，它直接集成到西門(mén)子SⅠMOTⅠON SCOUT軟件中，該語(yǔ)言能夠幫助初學(xué)者快速、方便地在運(yùn)動(dòng)任務(wù)中創(chuàng)建順序程序序列。在這里可以使用符合PLCOpen標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制功能指令，使用順序編程和循環(huán)編程相結(jié)合，完成凸輪運(yùn)動(dòng)。

首先，要建立主軸，確定主軸的原位，保證主軸機(jī)械原位和電子凸輪上的原位相一致。然后賦值，確定實(shí)際位置，保證電子凸輪的位置和機(jī)械運(yùn)行的實(shí)際位置相同，詳見(jiàn)圖7。

其次，建立各軸，使各軸使能啟動(dòng)，保證各軸在準(zhǔn)備運(yùn)行的狀態(tài)，詳見(jiàn)圖8。

再次，使用Home axis指令，程序中通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)在控制系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)間建立位置關(guān)聯(lián)，各軸建立凸輪曲線，詳見(jiàn)圖9。

正常運(yùn)行時(shí)，使用各個(gè)軸與主軸之間的Cam on指令，使主軸和其他軸按著凸輪曲線圖，也就是根據(jù)電子凸輪曲線，同步運(yùn)行，如圖10所示。

最后，判斷各軸和主軸同步完成后。再啟動(dòng)主軸的Start axis position-controlled位置控制，如圖11所示。同時(shí)給主軸初始速度，就能保證各個(gè)伺服軸按照上述的電子凸輪曲線同步運(yùn)行。主軸增減速度，其他各軸根據(jù)曲線位置，相應(yīng)變化。

如果在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了某一個(gè)伺服軸滯后，當(dāng)滯后距離沒(méi)有超出設(shè)定的范圍，也可以使Set offset on camming來(lái)對(duì)當(dāng)前滯后的伺服軸進(jìn)行位置的追趕，偏置校準(zhǔn)，如圖12所示。

在完成電子凸輪運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)還具有保護(hù)功報(bào)警能，如果出現(xiàn)某一個(gè)伺服軸或者其他影響生產(chǎn)的錯(cuò)誤報(bào)警，通過(guò)對(duì)此伺服軸以及報(bào)警代碼的監(jiān)控，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)，從而避免了錯(cuò)誤和危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 結(jié)論

大連三壘的成型機(jī)是最早使用西門(mén)子Simotion D435運(yùn)動(dòng)控制器的塑料管材設(shè)備，同時(shí)使用KTP1200觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，校準(zhǔn)整定，報(bào)警監(jiān)控，凸輪曲線監(jiān)視等。操作簡(jiǎn)單，各項(xiàng)工藝指標(biāo)滿足生產(chǎn)工藝的技術(shù)要求，自調(diào)試完畢后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已經(jīng)投入到實(shí)際生產(chǎn)中，效果良好，目前已經(jīng)出口歐洲。