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1. 引言
本文介紹了一種智能型伺服驅動器以及智能伺服技術在定長裁切領域的應用。不同于傳統的基于脈沖模式的伺服驅動器必須依賴上位機發送的脈沖信號來實現運動的控制模式，智能伺服驅動器集成了運動控制、伺服驅動和PLC功能，無需上位機運動控制器便可實現運動控制功能，再加上為不同應用領域內置的特殊功能，最終整合成為具有新一代理念的“智能型伺服控制驅動器”。圖1顯示了脈沖型伺服系統和智能型伺服系統的比較，從圖中可以看到，脈沖型伺服必須依賴PLC（或控制卡）發送的脈沖命令完成運動控制功能。而智能型伺服由于內置了運動控制器，所以無需上位機PLC即可以實現運動控制功能，并可以直接連接HMI觸摸屏。
“智能型伺服控制驅動器”的特點是具備了完整的“運動控制器”功能，同時也還是一個“伺服驅動器”，并兼具PLC的功能。本文將以眾所熟知的2軸定長裁切上的應用為主題做智能伺服的介紹。
 

2. 定長裁切系統的基本工作模式
在各類型定長伺服控制系統，其應用范圍并不僅局限于定長裁切。也同時適用于其它需要固定長度、位置的加工工藝。例如食品包裝、印刷、沖床送料、管材鋸斷或是瓦愣紙、卡紙裁切和鋼板裁切等等，定長伺服控制系統都可以適用。本文為了方便描述以及容易比較不同系統的差異，把這些具有定長切割的系統統稱為定長裁切系統。
從裁切工藝的設計方式來定義，定長裁切系統可分為三大類:
（1）走停送料、靜態裁切；
（2）連續送料、往復式同步動態裁切；
（3）連續送料、旋轉式同步動態裁切；
表1說明了三類定長裁切系統的不同特點。走停送料型的系統刀座是固定不動的，因此待切材料在裁切加工的那一瞬間，材料必須完全停止，故稱為靜態裁切。而連續送料型不論是往復式或旋轉式，在裁切加工的瞬間刀具與材料是同步運行的，因此稱為動態裁切，一般也稱為飛剪。

2.1 走停送料、靜態裁切系統
走停送料、靜態裁切系統是最普遍的裁切方式之一，因為相較于其它裁切系統而言，其機械結構和控制結構最簡單。如圖2所示，馬達運轉時，材料靠送料輪送料，當送料長度到達預設值時，馬達停止送料。等材料停止運動之后，裁刀動作將材料分切成長度相同的成品。
 

走停式定長送料系統的所具有的缺陷：
a) 無法裁切連續進料的成品
需要連續裁切時(如圖2所示)，在送料夾輪的前段，一定存在著LOOP緩沖區，一方面增加機器的體積；另一方面，也無法處理由前段生產線連續產出的硬質材料，例如硬管軟管異形材的押出機生產線、斜紋紙管生產線、無縫鋼管生產線等等，管材是連續不間斷地生產出來的，根本無法采用停止后靜態裁切的方式。
b) 容易損傷材料
如塑料袋材料很薄時，快速送料將導致材料拉伸變形；如鏡面鋼板表面很精致時，夾輪的加減速將會對成品造成刮痕。
c) 送料速率的極限
針對相同的裁切長度，當送料速率要提升一倍時，則電機需要數倍的扭矩，根據電機的特性很容易達到系統的極限。
2.2 連續送料、往復式同步動態裁切
在一條連續性生產線的末端，成品連續不斷的生產出來的。如果生產的成品是軟性的材質(如電線、塑料薄膜)，則采用卷繞方式將成品連續卷取收料即可。但是，如果生產的成品是硬性的材質(例如PVC硬管押出機)時，就必須將連續送來的材料，立刻裁切成一段段固定長度的成品。這時，便需要應用“往復式同步動態裁切”的技術，或者稱之為“往復式飛剪”。因為在裁切的過程中，如果硬質材料與刀具之間有相互的位置變動，將會對刀具造成傷害;同時也勢必影響成品的質量。
    采用如圖4所示的“往復式飛剪”機械結構，便是解決這種問題的最佳方案。本機械結構的裁切刀具并不是安置于固定點，而是安裝于可以移動的“切臺”上。透過絲桿，“切臺”的位置由伺服馬達帶動。因此，在整個裁切的過程中，控制器可以隨時控制切臺的移動速度與位置，讓刀具與材料的相對位置永遠維持固定。運用這種方式才能確保每一個成品的定長精度及切口平整度，同時還能延長刀具的使用壽命。
 

2.3  連續送料、旋轉式同步動態裁切
圖6為旋轉式同步動態裁切(飛剪)的示意圖。注意上下兩組裁切刀輪同時被伺服馬達帶動，各依箭頭所示方向相對旋轉。刀輪的上方的刀刃必須作精密的調整，當上刀輪的刀刃旋轉至正下方時，下刀刃恰好轉至正上方。這樣才能執行正確的裁切。每次裁切刀輪旋轉一圈，便自動將材料切斷一次;馬達只要在相同方向連續運轉，刀輪便能連續裁切。因此，裁切效率比“往復式”更佳。

 需要說明的一點是在旋轉式和往復式同步動態裁切系統中，需要有一個機制來協調主動軸和從動軸（即送料軸和切刀軸）之間的運動速度來實現送料和平穩切割，即電子凸輪。而在脈沖式伺服系統中，這一電子凸輪的功能通常由PLC來實現，這不但影響了系統的響應速度，同時也增加了系統的投資成本和維護成本。
3. iDrive智能伺服驅動器
 iDrive智能伺服驅動器是北京諾信泰自主知識產權的智能驅動產品，和基于脈沖的驅動產品相比，iDrive智能伺服驅動器具有以下特點：
(1) 更高的可靠性
iDrive集成了運動控制、電機驅動和集成PLC功能，一體化的結構不但減少了連接電纜的數量，而且有利于提高系統的可靠性，同時降低外界干擾對系統的影響；
(2) 更大的靈活性
iDrive具有豐富的操作模式：RS232網絡模式、RS485網絡模式、脈沖模式、模擬信號模式以及獨立運行模式；iDrive可以用來驅動多種不同的電機：直流無刷(有刷)伺服電機、交流伺服電機和直線電機；iDrive還集成了18點的輸入/輸出，可以由上位機控制輸入/輸出口的狀態。
(3) 更具節約潛能
RS485網絡操作模式下，一條RS485總線可同時連接最高可達31臺iDrive驅動器，可以簡化系統的連接并可保證在安裝和維修方面節約大量的成本；iDrive的獨立運行模式可以用來組建無需上位機控制器的運動控制系統，減少系統成本；
(4) 更快的動態響應
控制器和驅動器一體化的結構保證了各個控制環的較高的采樣和控制頻率，較高的采樣和控制頻率保證了系統有較高的動態響應。從而能保證電機在高速運動狀態下系統的控制精度。
4. iDrive雙軸智能伺服驅動器在定長切割領域的應用
 iDrive是一個集成了運動控制、伺服驅動和PLC的雙軸智能伺服驅動器，由于內置了運動控制功能，可以在驅動器內部內置電子齒輪和電子凸輪的應用。在加上智能伺服驅動器的通訊功能，可以和上位機如HMI等進行直接連接通訊。這些特征都決定了iDrive雙軸智能伺服驅動器在定長裁切領域具有非常大的優勢。下面就以往復式同步動態裁切和旋轉式同步動態裁切為例說明iDrive雙軸在動態裁切領域的應用。
 圖7顯示了iDrive雙軸智能伺服驅動器的接口示意圖，雙軸模塊正好適合定長裁切領域的應用。集成的PLC功能可以連接達18點的輸入/輸出及接口。
 

圖8和圖9顯示了iDrive應用于動態定長裁切系統中，由于iDrive雙軸智能伺服驅動器并集成了運動控制和PLC的功能，所以無需PLC即可以實現定長裁切的速度控制功能，即iDrive內置了電子凸輪的功能。iDrive集成的網絡功能可以與觸摸屏或文本編輯器直接連接，進行系統參數的修改和系統運行狀況的顯示。由于iDrive雙軸智能伺服驅動器內置了電子凸輪的功能，使得系統響應速度極快，保障了系統的動態性能，而與觸摸屏的直連也增加了系統構建的方便性。
iDrive可以通過I/O口來連接第二編碼器，實現定長裁切功能，如圖10所示。
另外，在一些成本敏感的應用領域，我們甚至可以去掉觸摸屏，直接用iDrive自帶的I/O口的狀態來控制系統的運行還是停止，具有很大的成本優勢。

5. 結束語
 利用iDrive組建動態定長裁切系統，有如下的優勢：
（1） 系統簡單、結構緊湊。
由于iDrive內建了電子凸輪和色標抓取和補償功能，而且智能驅動器可以直接和HMI連接，使得系統的組建更為簡潔和方便。
（2） 顯著價格優勢和性能優勢
由于電子凸輪功能內置于iDrive內部，使得系統的凸輪功能無需通過上位PLC來進行，直接在驅動器級就實現了同步和跟隨的功能，系統的響應速度和控制精度都有了顯著的提升。而原先的PLC可以直接省略或選擇功能更小的PLC，從而達到了節省投資的目的。
隨著市場競爭的越來越激烈，機械制造業的壓力也不小。為了提升競爭力，大家唯有不斷地研發改進產品的性能，才能繼續開拓市場。在國內，走停式控制系統已經開始普遍進行改造，運用自動定長走停式控制系統逐步取代了傳統的兩段速度式控制系統。因為飛剪控制系統的困難度較高，所以往復式裁切機至今仍多數采用油壓系統切臺；旋轉式裁切機也大多采用凸輪耦合切刀。因此，其裁切追蹤的同步性、操控性及裁切精確度都有待進一步提升。
智能型定長控制驅動器的出現，立刻簡化了飛剪控制系統的設計難度也降低了制造成本。原先令業者裹足不前的障礙消失之后，現在大家都有了與歐美日競爭的基礎。相信不多久，不論往復式或旋轉式裁切機，都會在國內業者共同努力之下，逐漸演變成高性能的電控式飛剪系統。
基于我國自主知識產權智能伺服技術的多軸伺服枕式包裝機控制系統iDrive采用總線型控制架構，內置運動控制器，內建電子凸輪、多軸同步飛剪、多軸跟隨，高速色標實時補償，內置PLC完成I/O功能，全部運動控制均在伺服驅動器級完成，系統響應快，結構簡單，擴展性強，可廣泛應用于多軸枕式包裝機，且造價低廉，比進口產品節省成本超過50%，將逐步成為枕式包裝行業控制系統的主流方案。