机器内部:运动控制使培根移动得更快

当新西兰的一家食品切片机制造商需要从其培根切片机的设计中挤出更多的性能时，它从使用可编程逻辑控制器(PLC)进行整机控制转向了将小型PLC和运动控制器结合在一起的分布式安排。评估集中式控制和分布式控制之间的权衡是机器设计人员的常见做法。集中式控制架构是否有效取决于应用程序对确定性的需求，即以绝对可预测和及时的方式响应刺激的需求。确定性系统产生可重复的结果;相同的条件和时间在机器周期和机器周期之间产生相同的响应。

对于具有确定性控制的高速进程，控制器需要能够在小于进程分配的时间内评估其输入并作出适当的响应。由于对更高生产率的需求推动机器更快地运行，过去足够的时间裕度可能不再允许及时完成必要的控制循环，系统将无法按预期运行。

这就是新西兰Nelson的Titan切片机有限公司遇到的问题。该公司需要提高泰坦500培根切片机(图1)的切割速度，以每分钟生产1600片培根，但控制所有机器功能的PLC无法跟上。挑战不在于切生培根片，而在于控制如何将培根片送入切片机。为了确保包装中初始切片的大小与其他切片的大小一致，必须在正确的时间将培根板送入切片刀片。太早或太晚都会产生太厚或太薄的初始切片，这正是PLC所面临的问题。

为了解决这个问题，Titan切片机的高管们请来了经验丰富的控制系统集成商——新西兰Rotorua和Whangarei的Tui Technology。Tui的工程师马尔科姆·琼斯(Malcolm Jones)过去曾与运动控制器合作过，并使用专用运动控制器为培根切片机设计了一种新的控制系统(见图2)。在新设计中使用了PLC，但用于时间要求不那么严格的功能，例如对刀片电机进行开/关控制。

运动控制器被编程为使用伺服驱动器的编码器反馈进行闭环位置控制，该伺服驱动器将培根板移动到切割刀片中。运动控制器发送+/- 10v模拟输出到伺服驱动器，移动培根板。双向运动控制是很重要的，这样当旋转刀片没有在正确的位置切割新培根包的第一片时，培根可以从切割位置移动回来。

请注意，刀片不是圆形的，而是在刀片下方移动时切割培根的形状(见图3)。不同版本的机器通过刀片上方和下方的皮带移动培根板，或者通过下方的皮带和抓手抓住培根板的尾部。为了使运动控制器能够跟踪转弯叶片的速度和角度位置，运动控制器连接到安装在叶片电机上的第二个编码器，作为参考。

运动控制器的快速循环时间允许切割操作产生可重复的结果。在1600 rpm时，有38毫秒的时间窗口，在此时间窗口中决定是否将培根板向前移动以设置下一次切割或向后移动以清除刀片。运动控制器运行高级齿轮运动指令的1毫秒循环时间可实现可重复和准确的切片厚度。

高级齿轮移动只是运动控制器支持的众多齿轮功能之一。当一个轴(从轴)必须与主轴(通常是另一个轴的位置或速度)成比例地增量移动时，就使用齿轮传动。虽然可以在主从之间建立简单的线性关系(使用运动控制器的齿轮绝对功能)，但高级齿轮移动操作允许用户编程主从之间的非线性关系。例如，图4显示了一个高级齿轮移动操作，其中从机的运动是使用五阶多项式方程指定的。大多数运动控制器的简单齿轮传动命令允许设计师在编程运动步骤时通过指定分子和分母来选择精确的齿轮传动比。这就避免了需要复杂的软件来实时改变齿轮传动比。

“需要明确的是，对于plc控制的解决方案来说，在包装中间实现统一的培根片宽度不是问题，”马尔科姆·琼斯说。运动控制器“通过控制第一个切片来实现我们的关键设计目标。”

除了单刀刀片的机器，泰坦还提供了速度更快的双刀刀片版本，其中刀片旋转方向相反。双轨道驱动的原因是允许非常脆弱或温暖的产品被快速切片。在这个切片机版本中，每个电机驱动器被给予0- 10v的速度命令和单独的头部编码器提供反馈，以指示每个刀片的位置。与单刀片版本一样，当刀片转动时，培根板向前或向后拉，以防止不完整的切片。

为了对运动进行编程和调整，马尔科姆·琼斯使用了运动控制软件，其中包括一个情节管理器，可以显示趋势或捕捉关键运动参数随时间变化的情节。图4是由图管理器生成的图，显示了高级齿轮移动指令的操作。运动控制软件还包括一个调谐向导，使快速和容易的设置控制循环参数增益优化运动。

通过使用软件工具，“我能够证明系统有足够的时间余量来处理更高的切割速度，”Jones说。

培根切片机是一个典型的设计例子，需要密切关注周期计时，以确保预期的结果。在开发这样的机器时，选择最适合执行确定性闭环控制的组件是值得的。

Brad Smith是Delta计算机系统公司的区域应用专家。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程而且工厂工程、mhoske@cfemedia.com．

www.deltamotion.com

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。