轮切解决方案与标准应用手册

基于SIMOTION D与SINAMICS S120平台的 连续材料加工解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 系列手册（一） 轮切解决方案与 标准应用手册 www.plcworld.cn 前 言 针对生产机械行业领域，西门子公司的研发与应用部门不断地进行深入研 究，开发出了许多先进而成熟的解决方案，并通过遍布全球的应用中心与技术团 队进行推广。比如，对于生产机械行业中的连续材料加工领域（Converting），我 们目前拥有： Ÿ 轮切与飞剪（Rotary Knife，Flying Shear） Ÿ 收放卷（Winder and Unwinder） Ÿ 自动接料控制（Splice Control） Ÿ 飞锯（Flying Saw） Ÿ 横动排线控制（Traversing） 等解决方案。这些方案可以应用于包装机械、印刷机械、薄膜加工设备、纸巾生 产设备和拉丝机械等。对于这些解决方案，总部的研发与应用部门已经编写了十 分详细的应用手册。在这些手册的基础上，我们进行了适当的删减，并根据我们 现有的经验增加了一些加工工艺的基本知识，从而编写出了本套手册。目的是将 我们已有的这些先进的解决方案介绍给广大负责推广和销售的同事们，并且希 望这些基础概念和方案介绍能够在大家与用户的交流过程中提供帮助。 本手册为全套手册中的第一部分，介绍了轮切工艺中的重要概念，以及基于 SIMOTION D与 SINAMICS S120平台的轮切解决方案。相对于宣传类手册，本 手册的技术性相对较强，因此希望读者有一定的机电及自动化基础，并且对 SIMOTION 控制系统能有一定的了解，以更好地理解本手册。由于编者水平有 限， 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 上可能存在某些错误，希望同事们批评指正，并与我们一起探讨。在本 手册的编写过程中，APC总部、Converting Branch和 I&S的同事给予了很大帮 助，在此向他们 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示诚挚的谢意！ MC PM APC Converting Solutions www.plcworld.cn 目 录 第一章 轮切设备的机械结构与工艺..........................................................................1 1.1 轮切的基本机械结构.....................................................................................1 1.2 轮切应用中的测速机构及编码器选择.........................................................5 1.3 关于刀辊的零位参考点.................................................................................7 第二章 西门子的轮切解决方案（SIMOTION平台） .............................................9 2.1 解决方案的硬件平台.....................................................................................9 2.2 解决方案的特性...........................................................................................10 2.3 解决方案的局限性....................................................................................... 11 2.4 关于刀辊的物理量及重要概念...................................................................12 2.5 刀辊的凸轮曲线...........................................................................................15 2.6 线性剪切特性的适用场合...........................................................................23 第三章 轮切解决方案中的程序与功能块................................................................25 3.1 程序组及程序结构.......................................................................................25 3.2 核心功能块介绍...........................................................................................27 第四章 标准应用中的程序与功能块的移植............................................................33 4.1 配置必要的TO..............................................................................................33 4.2 配置TO之间的同步关系.............................................................................36 4.3 拷贝必要的程序和功能块...........................................................................38 小结..............................................................................................................................39 www.plcworld.cn － 1 － 第一章 轮切设备的机械结构与工艺 本手册要介绍的轮切解决方案是以 SIMOTION D 控制系统与 SINAMICS S120 驱动系统为平台而开发的，用于将连续进给的材料按照用户 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的长度进 行剪切。在介绍这一解决方案之前，先对轮切的机械结构和工艺做一简单介绍。 1.1 轮切的基本机械结构 为了在生产机械上实现快速连续剪切，需要一种机械结构，可以将电机的旋 转动作转化为直线方向的剪切动作。目前，剪切设备从机械结构上来讲有两种常 见形式，如图 1-1所示。图中虚线表示既有可能是单刀辊结构，也有可能是对称 的双刀辊结构： （a） （b） 图 1-1 轮切设备的常见结构 这两种结构的共同点是，随着刀辊的旋转，每一个刀头也沿着一个圆形的轨 迹运动，并且其线速度与刀辊的圆周速度成正比。而两种结构的不同点是，（a） 的结构简单，刀头直接固定在刀辊上，运动部件少，可以达到较高的运行速度， 而且容易保证刀头的位置控制精度；而缺点是刀头的纵向行程比较短，无法切 割较厚的材料。因为对于较厚的被切割材料，需要较长的刀头来获得较长的纵向 行程。当较长的刀头与材料发生接触时，刀头与材料之间的夹角会比较小，从而 www.plcworld.cn － 2 － 对刀头产生比较大的横向作用力，一方面容易损坏刀头，另一方面也容易使被切 割材料的切口发生变形。因此，使用这种刀辊结构的刀头通常不会很长，刀头的 纵向行程也比较短，只适合切割较薄的材料，或对较厚的材料进行轧花。而（b） 的结构较为复杂，运动部件比较多，不适合剧烈的快速运转。所以运行速度相对 较低，能够达到的刀头位置控制精度也相对差一些。但是这种机构也有很明显的 优势，在刀辊的运动过程中，刀头始终与被切割材料保持垂直，不存在结构（a） 中的刀头横向应力的问题。因此使用这种机械结构可以将刀头做得比较长，来获 得较大的刀头纵向行程，可以切割较厚的材料。因此，结构（a）常用于对速度 和精度要求较高，但刀头的剪切行程较短的场合，如厚料轧花或薄膜切割设备， 如折痕机、轧花机和切纸机等；而结构（b）常用于对速度和精度要求比较低， 但刀头的剪切行程又较长的场合，如垂直落袋机的横封机构等。 虽然这两种结构各有优缺点，但是对于刀头的位置控制，两者是没有本质差 别的。 除了上面两种常见刀辊结构外，还有一些较为特殊的结构，如图 1-2所示。 图 1-2 几种特殊的剪切设备结构 这几种机械结构较为复杂，运动零件较多。而且随着旋转机构的旋转，每一 个刀口的运动轨迹也不规则，刀口的位置控制不像前面介绍的两种刀辊方便。所 以与前面的两种结构相比，这几种结构在实际应用中不是很常见。 本手册介绍的解决方案采用的就是图 1-1中的机械结构。由于对于刀头的位 www.plcworld.cn － 3 － 置控制来讲，（a）与（b）没有区别，所以在下文中我们选择更加高速的结构（a） 来进行介绍，如图 1-3所示。 图 1-3 刀辊与材料进给机构 在我们的轮切方案中，刀辊的运动采用电子凸轮进行控制，具有同步区和 非同步区。即在剪切的过程中，刀头与被切割的材料保持同步；而剪切完成之后， 根据剪切单元长度的不同，刀辊可以在非同步区做非匀速运转，以调整刀头的位 置进行下一次剪切。更加详细的介绍请参考第二章，轮切解决方案的介绍部分。 使用不同的横切机构，即不同的“刀辊” ，也可以完成一些类似的处理工 艺，如冲孔（Perforating）、轧花（Embossing）和横封（Cross Sealing）等。如图 1-4 所示： 图 1-4 与轮切类似的冲孔和横封工艺 另外，在实际应用中为了减小剪切阻力，我们会使用飞剪（Flying Shear）。 实现方法有两种：第一种，刀头与刀辊的中轴不平行，那么在切割的过程中，刀 头将与被切割材料进行点接触而非线接触，从而构成飞剪，这种刀辊常用于薄膜 切割设备；第二种，刀头与刀辊中轴平行，但刀刃是不平的，即刀头上各点到刀 Continous Web cutted material Rotary Knife material www.plcworld.cn － 4 － 辊中轴的距离不相等，这样也构成了飞剪，这种刀辊常用于金属切割设备。 无论是冲孔、轧花、横封还是飞剪，这些工艺实际上都属于轮切，也都属 于这一解决方案的适用范畴。所以在本手册中，我们将这些处理工艺统一称作“轮 切” ，而不再加以区分。 www.plcworld.cn － 5 － 1.2 轮切应用中的测速机构及编码器选择 轮切的最基本要素包括进给轴、刀辊轴及它们的测速机构，另外根据加工产 品的需要可能还需要色标传感器。本节着重介绍进给轴及刀辊轴的测速机构的选 择。 1.2.1材料进给轴的测速方式及编码器 如图 1-5所示，进给轴的测速可以采用三种方式：电机编码器（Motor Sensor） 测速、摩擦辊编码器（Pinch roll sensor）测速和测速轮编码器（Measuring wheel） 测速。 图 1-5 材料进给轴的测速 l 电机编码器测速 u 优点：是最为简单而经济的方法。因为通常进给电机都是自带编码 器的，无需额外安装，而且如果进给电机与进料辊之间连接有减速 装置（减速箱或皮带轮等）的话，相对进料辊而言电机编码器的分 辨率更高，与减速装置的减速比成正比。 u 缺点：减速箱的齿轮间隙（或皮带的伸缩）、传动轴的弹性形变，以 及被加工材料与进料辊之间的滑动会对剪切精度产生影响。 l 摩擦辊编码器测速 u 优点：消除了减速装置和传动轴的弹性形变对剪切精度产生的影响， 而且材料滑动的可能性较小，因为摩擦辊一般为从动辊。 www.plcworld.cn － 6 － u 缺点：需要高分辨率的编码器，并且对安装的要求较高。 l 测速轮编码器测速 与压力辊编码器测速的优缺点基本相同，材料滑动的可能性更小。但是 要求剪切过程中刀辊的冲击较小，即要求材料的震动较小，否则需要加 装另外一组摩擦辊，来减小材料震动对测速轮产生的影响。 1.2.2 刀辊轴的测速机构及编码器 如图 1-6所示，刀辊轴的测速可以采用两种方式：电机编码器测速和刀辊编 码器测速。 图 1-6 进给轴的测速 l 电机编码器测速 u 优点：简单经济，分辨率与减速箱减速比成正比。 u 缺点：在安装了减速装置的情况下，减速箱的齿轮间隙（或皮带的 伸缩）和传动轴的弹性形变会对剪切精度产生的影响，而且电机编 码器的零位脉冲通常都不再与刀辊的机械零位相对应（取决于减速 装置的减速比），关于刀辊零位的检测请参考下一节内容。 l 刀辊编码器测速 u 优点：消除了减速装置和传动轴的弹性形变对剪切精度产生的影响。 u 缺点：需要高分辨率的编码器，并且对安装的要求较高。 www.plcworld.cn － 7 － 1.3 关于刀辊的零位参考点 对于刀辊，为了达到较高的剪切位置精度，要保证刀辊电气位置（即系统对 刀辊轴的位置的计算值）与机械位置（即刀辊的实际物理位置）的对应。如果使 用绝对值编码器，无论编码器安装在电机侧还是刀辊侧，我们都能够保证这两个 位置的对应，而无需特别的操作；如果使用增量编码器，为防止丢脉冲导致位置 计算错误，就需要在运转的过程中对电气位置进行校准了(Passive homing)。校准 方法有以下几种，根据不同情况进行选择。 1. 只用编码器的零位脉冲(Encoder zero mark only) 只利用编码器的零位脉冲对刀辊轴的电气零位进行校准。其适用情况有 两种： Ÿ 编码器直接安装在刀辊上 Ÿ 编码器安装在电机侧，但电机与刀辊之间没有减速装置，或者减速 装置的减速比为 1:1。 2. 利用编码器的零位脉冲和外部零位接近开关（Homing output cam and encoder zero mark） 利用编码器的零位脉冲和外部 Bero信号对刀辊轴的电气零位进行校准。 其适用情况为： Ÿ 编码器安装在电机侧，电机与刀辊之间有减速装置，但减速装置的 减速比为 1:n，n为自然数。此时刀辊每旋转一周，系统会得到 n个 电机零位脉冲，这 n 个零位脉冲与刀辊的物理位置是对应的，但其 中只有一个是与刀辊的机械零位相对应的。所以我们需要一个外部 Bero 开关，固定在刀辊侧的某一位置。刀辊每旋转一周，会得到一 个Bero脉冲，我们利用这个脉冲来选择正确的电机编码器零位脉冲。 3. 只用外部零位脉冲(External zero mark only) Ÿ 当编码器安装在电机侧，电机与刀辊之间有减速装置，但减速装置 的减速比不满足前面的条件时，我们就无法利用电机编码器的零位 脉冲了。此时唯一的校准方法就是在刀辊侧安装一个快速 Bero开关， 并通过驱动器的快速输入点与驱动器相联。来尽量缩短信号延迟时 www.plcworld.cn － 8 － 间，保证位置校准的精度。 这三种方法中，第一种最为理想。对于第二种方法，使用减速皮带轮相对比 较容易实现，而满足这个条件减速箱比较少见，因为通常稍大功率的减速箱都是 非整数减速比的，以延长减速箱寿命。对于第三种方法，即使使用了快速 Bero 和快速输入点，信号的延迟时间还是比较长的，所以会导致高速运转时位置偏差 比较大。 以上内容都是对轮切中机械部分的基本知识和工艺介绍，这些内容是轮切的 理论基础，西门子的解决方案也不例外。 www.plcworld.cn － 9 － 第二章 西门子的轮切解决方案（SIMOTION平台） 2.1 解决方案的硬件平台 西门子的轮切解决方案有若干种，建立在不同的硬件平台上，包括 T400、 TCPU和 FM357 等。本手册中，我们的要介绍的轮切解决方案是以 SIMOTION 控制系统和 SINAMICS S120驱动系统为平台而开发的，其机械及电气部分示意 图如下： 图 2-1 轮切解决方案的硬件平台 该方案包括两根实轴——材料进给轴及刀辊轴，由 SIMOTION D进行控制。 由于演示设备上没有外部编码器，所以材料进给的位置和刀辊的位置均由电机自 带的编码器进行检测。又因为演示设备中模拟刀辊的电机本身带的编码器是绝对 值编码器，所以不需要零位脉冲或外部 Bero 进行对轴的电气位置进行校正。色 标传感器用开关模拟，用于色标校正，在不需要色标校正的应用中也可以将这个 功能屏蔽。 www.plcworld.cn － 10 － 2.2 解决方案的特性 l 线性剪切特性 在发生剪切的过程中，刀头与材料进给保持同步。 l 多项式凸轮曲线的自动计算 凸轮曲线用于控制刀辊的运动。在标准应用中，凸轮曲线由 5 次多项式 来表达，从而使凸轮曲线更加平滑，刀辊的运转更加平稳。在整个系统 的运行过程中，由专门的程序对该多项式的系数进行自动计算。 l 可以调节校正速度的色标校正功能 纠偏时的校正速度是叠加在刀辊上的，用户可以对这个速度进行调节。 l 适用于多刀系统 对多于一个刀头的刀辊系统同样适用，但一般地，只有在材料比较宽， 而要求剪切的单元又比较短时才会使用多刀刀辊。 l 刀辊的停止位置可以设定 在一定的速度下剪切较长的单元时，刀辊有可能在非同步区的某一位置 完全停止下来，这个停止位置可以在用户界面下进行设定。 l 可调节的启动和停止动态响应 在刀辊初次启动和最后停止的过程中，使用特殊的凸轮曲线进行控制， 与刀辊进行循环切割的过程相比较，其动态响应是不同的。 l 剪切长度的调节功能 在机器的运行过程中，剪切长度可以在一定的范围内任意调节，无需停 机即可以使新的剪切长度生效。 www.plcworld.cn － 11 － 2.3 解决方案的局限性 目前，该解决方案不具备以下功能： l 非线性剪切 在剪切的过程中，刀辊与材料进给速度相同，无法得到非线性特性。关 于线性剪切特性的适用范围请见下文。 l 剪切扭矩输入功能 该标准应用的核心功能块只能对刀辊的速度和位置进行控制，不能直接 影响刀辊的扭矩。 l 故障停机后的无缝连续运行 在故障停机情况下，机械系统必须进行初始化才能继续运行。 l 扭矩提升功能 在切割较厚材料时使用的刀辊扭矩提升功能目前无法实现。 www.plcworld.cn － 12 － 2.4 关于刀辊的物理量及重要概念 图 2-2是一个刀辊的剖面图 图 2-2 关于刀辊的物理量 图中各物理量的含义如下表所示： 物理量 描述 Fsymeth [mm] 刀辊的有效周长。 是以刀头到轴心的距离为半径进行计算的，即刀辊旋转一 周，刀头所划过的长度。 Starting Position [mm] 刀辊的起始点，也是切割较长单元时可能的静止点。 Rotary Knife PositionSensor Position S en so r Fsymech StartSyncPos Starting position DistanceToSensor Format Range Synchronous Range EndSyncPos www.plcworld.cn － 13 － StartSyncPos [mm] 同步区的起始点。 从这一位置开始，刀辊必须与材料进给保持同步。 EndSyncPos [mm] 同步区的结束点。 从这一位置开始，刀辊不必与材料进给同步，可以根据需 要进行加速或减速，从而与下一次剪切相适应。 DistanceToSensor [mm] 色标检测位置到剪切点之间的距离。 表 2-1 刀辊中各物理量的含义 Synchronous Range： 同步区，从 StartSyncPos 开始，到 EndSyncPos 之间的区域。剪切过程就发 生在这个区域内，因此在剪切的过程中，辊刀是与被剪切的材料同步的。 Format Range： 规格调整区： Format Range=Fsymech-Synchronous Range 也称非同步区。在两次剪切操作之间，刀辊运行在这个区域内，通过适当的 加速或减速来调整自己的位置，从而在下一次剪切时可以与材料进给保持同步。 如果在一个刀辊的表面上多于一把刀，则这种刀辊称为多刀刀辊。在该解决 方案中提供了相应的接口，来对多刀刀辊进行参数化。如图 2-3所示的双刀刀辊： www.plcworld.cn － 14 － 图 2-3 双刀刀辊 此时，刀辊的有效周长变为了单刀刀辊的一半，即 Fsymech=刀辊周长/刀头数量 而规格调整区仍然为 Format Range=Fsymech-Synchronous Range 但规格调整区的角度范围就要比单刀刀辊小得多了，因而对刀辊的动态响应特性 的要求也大大提高。 www.plcworld.cn － 15 － 2.5 刀辊的凸轮曲线 刀辊的凸轮曲线分为三种，分别为刀辊启动凸轮曲线，循环运转凸轮曲线和 刀辊停止凸轮曲线，下面先介绍循环运转情况下的凸轮曲线。 2.5.1 循环运转凸轮曲线的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 [注意]在下列的凸轮曲线图中，灰色区域为同步区，黄色区域为规格调整区。我 们假设刀辊的周长为 200 mm，即 360度对应 200 mm。 图 2-4 凸轮曲线的分区 刀辊的凸轮曲线要满足两大基本条件：第一，保证在剪切的过程中，刀辊与 材料进给保持同步；第二，在规格调整区内根据剪切单元的长度进行适当的加速 或减速，从而保证下一次剪切的正确进行。 另外，我们将剪切点作为凸轮的切换点，因为剪切区是不随剪切单元长度的 变化而变化的。在该点前后刀辊的速度相同，所以在更改剪切单元长度时，能够 保证两个凸轮曲线之间的平滑切换。 根据剪切单元的长度与刀辊周长之间的关系，存在以下三种循环凸轮曲线： ? 200 mm 180 mm 20 mm 0 mm 开始同步结束同步0 mm 刀辊周长 剪切单 元长度 同步区中剪切点 之后的后半部分 同步区中剪切点 之前的前半部分 规格调整区 剪切区 剪切区 www.plcworld.cn － 16 － 2.5.1.1 剪切单元长度大于刀辊周长 图 2-5 剪切单元长度大于刀辊周长 如图 2-5所示。此时，刀辊必须在规格调整区内先减速，然后再加速到同步 速度。如果剪切单元长度远大于刀辊周长，则刀辊有可能减速到零，停留一段时 间，然后再加速的同步速度。剪切单元长度越长，停留的时间越长。 2.5.1.2 剪切单元长度等于刀辊周长 图 2-6 剪切单元长度等于刀辊周长 刀辊周长 剪切单元长度 200 mm 180 mm 20 mm 0 mm –20 mm20 mm0 mm 100 mm 刀辊周长 刀辊周长 剪切单元长度 200 mm 180 mm 20 mm 0 mm – 20 mm20 mm0 mm 100 mm 刀辊周长 www.plcworld.cn － 17 － 如图 2-6所示。此时，同步区与非同步区斜率相同，即刀辊速度保持不变， 与材料进给始终同步运行。刀辊电机不需要加减速，此时驱动器和电机的负荷最 轻，只需要克服摩擦和剪切阻力。 2.5.1.3 剪切单元长度小于刀辊周长 图 2-7 剪切单元长度小于刀辊周长 如图 2-7所示。此时，刀辊必须在规格调整区内先加速，然后再减速到同步 速度。 2.5.1.4 规格调整区曲线的结构 如果将规格调整区的凸轮曲线看作一个整体，那么当剪切单元长度大于某一 个值后，通过程序运算会得到一个使刀辊反向的凸轮曲线。如图 2-8所示： 刀辊周长 剪切单元长度 200 mm 180 mm 20 mm 0 mm –20 mm20 mm0 mm 100 mm 刀辊周长 www.plcworld.cn － 18 － 图 2-8 使刀辊反向运行的凸轮曲线 剪切单元长度越大，刀辊反向越厉害，甚至有可能使刀头反向接触到进给材 料，从而对已经切割的材料、刀头或其它机械部分造成损坏。所以在这种情况下， 我们将规格调整区的凸轮曲线分成三个部分进行计算，从而避免出现刀辊反向运 转的情况，而整条曲线则一共分成了五部分，如图 2-9所示： 图 2-9 凸轮曲线的分段 www.plcworld.cn － 19 － 2.5.1.5 以多项式表示的凸轮曲线的系数计算 每当剪切单元长度发生变化时，都需要自动重新计算凸轮曲线。在该标准应 用中，凸轮曲线是用 5次多项式来表达的，从而保证了刀辊位置、速度和加速度 的连续性。表达式如下： ( ) 5544332210 xAxAxAxAxAAxfy +++++== 这 6个系数需要 6个方程式来求解。 为了确定这 6个方程式，我们需要将凸轮曲线分段表达。并且我们将规格调 整区进行归一化，标称值为 1，从而对系数求解方程组进行简化。如图 2-10所示： 图 2-10 凸轮曲线的归一化 根据前面的公式，我们可以得到： (a) 位置： ( ) 5544332210 xAxAxAxAxAAxfy +++++== (b) 速度： ( ) 45342321 5432'' xAxAxAxAAxfy ++++== www.plcworld.cn － 20 － (c) 加速度： ( ) 352432 201262"" xAxAxAAxfy +++== 将图 2-9中所列的 6个边界条件分别代入(a)、(b)、(c)三个方程中，可以得到 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ïï ï ï î ïï ï ï í ì +++=== === ++++=== === +++++=DD== === 5432 2 54321 1 543210 0 20126201"1" 200"0" 543211'1' 10'0' /11 000 AAAAfy Afy AAAAAfy Afy AAAAAAxyfy Afy 根据这个方程组，即可对这 6个系数进行求解。 www.plcworld.cn － 21 － 2.5.2 启动刀辊时的凸轮曲线——starting cam 借助这条刀辊启动凸轮曲线，可以使刀辊从启动位置（即停止位置）的静止 状态旋转到同步区，并且达到同步速度，如图 2-11所示： 图 2-11 刀辊启动凸轮曲线 该曲线是在整个剪切长度距离的基础上定义的，这样当被加工材料的边缘到 达剪切点（即进给轴的位置到达 0 mm时），凸轮曲线便可以启动了。根据剪切 单元的长度和刀辊系统的转动惯量，系统会自动计算出合适的启动曲线。如果剪 切单元长度较短，或者刀辊系统的转动惯量较大，则曲线会较早上扬，即刀辊会 较早加速。 当刀头到达剪切点时，系统即将刀辊切换到循环凸轮曲线下运行。 www.plcworld.cn － 22 － 2.5.3 停止刀辊时的凸轮曲线——stop cam 当需要停止刀辊，或者进给材料全部切割完时，系统会借助这条停止曲线， 将刀辊从循环运行状态停止在启动位置（即停止位置），如图 2-12所示： 图 2-12 停止刀辊凸轮曲线 当刀头运行到剪切点时，系统将刀辊切换到停止凸轮曲线下运行，并且停在 启动位置（即停止位置）。 www.plcworld.cn － 23 － 2.6 线性剪切特性的适用场合 线性剪切特性适合对薄质材料进行切割或加工。在第一章，我们已经从机械 结构和刀头纵向行程的角度，说明了为什么图 1-1(a)的结构适合切割薄质材料， 而(b)的结构可以切割较厚的材料。本节我们将从刀辊轴的控制工艺，即线性同 步特性的角度，来分析线性剪切特性的适用场合。 在对薄质材料进行切割时，刀头与材料发生接触的角度范围很小，相对应的 长度区间也很短。从刀头与材料的接触点到离去点，刀头在材料进给方向上的速 度分量与刀头的圆周速度始终是基本相同的，因此薄质材料可以在线性剪切特性 下进行剪切，即在剪切发生的区间内，我们可以认为刀头的圆周速度与材料进给 速度相同。如图 2-13 所示，材料进给方向上的速度分量始终与圆周速度基本相 等： 图 2-13 薄质材料的切割 但是对于厚质材料，在进行切割时，刀头与材料发生接触的角度范围较大， 相对应的长度区间较长，在靠近接触点和离去点的区域，刀头在材料进给方向上 的速度分量与刀头的圆周速度相差较大，从而导致在这两个区域内，被剪切材料 会发生挤压，因此厚质材料不适宜在线性剪切的特性下进行剪切，如图 2-14 所 示： www.plcworld.cn － 24 － 图 2-14 厚质材料的切割 对于速度分量的分析，与刀辊结构是图 1-1(a)还是图 1-1(b)无关。因此，无 论是（a）还是（b），都不能用来切割较厚的材料。对于较厚材料的轮切或飞剪， 需要特殊的切割特性，即非线性剪切特性，来补偿这种速度差异，这也是目前 该解决方案所不支持的功能。 www.plcworld.cn － 25 － 第三章 轮切解决方案中的程序与功能块 3.1 程序组及程序结构 对于以 SIMOTION D和 SINAMICS S120为平台的轮切解决方案，西门子 的应用部门开发了标准的应用程序。按照标准应用中各个程序的功能，可以将该 这些程序分为以下几组： l OMAC OMAC程序组按照 OMAC标准执行操作模式的管理。关于 OMAC标准 的具体情况请参阅 SEB(Simotion Easy Basic)手册。 l SAP(Standard Application Program) 在 SIMOTION D 演示设备的基础上开发的轮切程序组，包含了 HMI部 分。 l RK(Rotary Knife) 包含了横切标准功能块的程序组。 l CC(Cam Calculation) 包含了凸轮自动计算功能块的程序组。 l SIM(Simulation) 以演示设备为基础的信号模拟程序组。 l HMI 人机操作界面程序组。 下表列出了每个程序组包含的程序、功能或功能块。黄色区域（RK, CC） 所列的是核心程序和功能块，用户不需要进行修改就可以移植自己的项目中去， 这些也正是该标准应用中最核心的部分。 www.plcworld.cn － 26 － 表 3-1 程序组及其包含的程序单元 www.plcworld.cn － 27 － 3.2 核心功能块介绍 在该标准应用中，FB_BGD_TEMPLATE_RotaryKnife是最为重要的功能块， 轮切就是由这个功能块进行控制的。 3.2.1 功能块的接口变量和用户变量 在用户的实际项目中，需要对该功能块进行参数化。如图 3-1所示，功能块 本身包含这些输入输出变量。 图 3-1 FB_BGD_TEMPLATE_RotaryKnife的接口 各变量的数据类型和含义如下： 参数 数据类型 初始值 含义 输入变量 CutLength REAL 400 剪切单元长度，以毫米为单位。 Execute BOOL False 用来激活等待切换的运行模式。 Mode INT 0 等待切换的运行模式。 StartPMCor BOOL False 激活色标校正。每次校正完成之后，这 个变量都会自动复位。 PMDev REAL 0.0 色标校正值，由用户程序决定 www.plcworld.cn － 28 － PMCorVel REAL 0.0 色标校正速度，单位：毫米/秒。 参数 数据类型 初始值 含义 输出变量 Done BOOL False 等待切换的运行模式已经被激活。 Busy BOOL False 运行模式正在进行切换。 Error BOOL False 轮切轴在执行程序时出现错误。 ErrorID WORD 0 错误代码。 State INT 0 目前正在执行的操作模式。 表 3-2 功能块的输入输出变量 除了这些输入和输出变量之外，在该功能块内部，还用到了大量全局变量。 这些变量都是在数据单元 Rk_Var里进行定义的，我们称之为用户接口。在该数 据单元里，定义了与 TO有关的变量、用户参数和控制信息变量，如下表所示： 参数 数据类型 初始值 含义 用户接口 与 TO有关的变量矩阵 FB_RotKn StructAxesTOs 与 TO有关的变量矩阵 www.plcworld.cn － 29 － 用户参数 g_r_Fsymech [mm] LREAL 250.0 刀辊周长/刀头数 g_r_StartSyncPos [mm] LREAL 230.0 同步区的起始位置 g_r_EndSyncPos [mm] LREAL 20.0 同步区的结束位置 g_r_Startposition [mm] LREAL 125.0 刀辊的启动位置 g_r_DistanceToSensor [mm] LREAL 300.0 色标传感器与剪切点之间 的距离 g_r_FirstCutCorrection [mm] LREAL 0.0 首次剪切的校正值 g_r_to_startpos_vel [mm/s] LREAL 10.0 回到启动位置采用的速度 值 控制信息变量 g_b_Restart BOOL False 置 1后功能块重新初始化， 并且将该变量复位。 g_b_Quickstart BOOL False 置 1 后刀辊会与当前凸轮 曲线立即同步。如果置 0， 则在启动材料进给时，刀 辊会与当前凸轮曲线同 步。 g_b_CutLengthChangePossible BOOL False 置 1 后在自动模式下，变 量 g_b_switch_CAM 的每 www.plcworld.cn － 30 － 一个上升沿都会激活一次 凸轮曲线的重新计算，并 且在当前凸轮执行完成 后，新的凸轮曲线会代替 原来的凸轮曲线。 g_b_switch_CAM BOOL False 上升沿激活凸轮曲线的重 新计算。 表 3-3 数据单元 Rk_Var里定义的变量 3.2.2 功能块的运行模式 功能块 FB_BGD_TEMPLATE_RotaryKnife具有 5种运行模式或状态，它们 之间的转换关系如下图所示： 图 3-2 FB_BGD_TEMPLATE_RotaryKnife的运行模式 www.plcworld.cn － 31 － 3.2.3 功能块需要的 TO及其相互关系 在应用该功能块时，必须配置一些 TO，并且确定它们之间的相互关系。 按照功能不同，我们需要下列 TO： l 材料进给，并产生主值（Master Value or Leading Value） ——TO axis “MaterialAxis”。实轴，可以是定位轴或同步轴。用来获 得进给材料的位置和速度，并且进行材料的进给。 l 刀辊，剪切材料 ——TO axis “RotaryKnifeAxis”。实轴，同步轴。 l 对材料进给轴和刀辊轴进行隔离 ——TO axis “AuxiliaryAxis”。虚轴，同步轴。 l 凸轮 ——TO cam “Cam1” ——TO cam “Cam2” ——TO cam “Cam3” 为了能够在运行中重新计算凸轮曲线，功能块本身需要 2个凸轮 TO。第 三个凸轮 TO用于将凸轮停止在启动/停止位置。 这些 TO之间的关系如下图所示： www.plcworld.cn － 32 － 图 3-3 各个 TO之间的关系 虚轴 TO与材料进给轴 TO之间是 1:1的位置同步（gear）关系，色标校正也 作用在这个环节；刀辊轴 TO与虚轴 TO之间是凸轮关系（cam），根据需要，核 心功能块会自动切换凸轮曲线。 www.plcworld.cn － 33 － 第四章 标准应用中的程序与功能块的移植 如果用户的应用与该标准应用的硬件平台相同，都是 SIMOTION D435 与 SINAMICS S120，那么用户只需在该标准应用的基础上重新进行硬件组态和配 置，然后对程序进行简单修改即可使用。如果用户的硬件平台不同，那么用户可 以在配置项目的过程中，将该标准应用中的一些关键程序和功能块移植到自己的 实际项目中。 在拷贝这些标准程序和功能块之前，需要先对用户自己的项目进行一些配 置。 4.1 配置必要的TO 第三章提到，使用这里的标准功能块必须配置必要的 TO。 4.1.1 材料进给轴 4.1.1.1 配置 l 插入一个轴，名称为MaterialAxis l 配置为定位、直线、电气轴。模态，其模长要大于最大可能的剪切单元 长度。 l 在 MEASURING INPUTS 里，插入一个 Measuring Input，名称为 Printmark。 4.1.1.2 机械系统参数 l 配置减速箱参数。对于参数“Dist. Per. Spindle rev”，输入驱动辊每旋转 一周，材料进给的长度。 4.1.1.3 限制值 l 无需硬限位或软限位 l 适当提高硬件的动态特性 4.1.1.4 回零设置 www.plcworld.cn － 34 － l 无需回零功能 4.1.2 刀辊轴 4.1.2.1 配置 l 插入一个轴，名称为 RotaryKnifeAxis l 配置为同步、直线、电气轴。模态，其模长为 Fsymeth，即刀辊上每个 刀头的有效周长（相关内容请参考第二章）。 4.1.2.2 机械系统参数 l 配置减速箱参数。对于参数“Dist. Per. Spindle rev”，如果刀辊与电机直 接联接而没有减速箱，则在此输入 Fsymeth。 4.1.1.3 限制值 l 无需硬限位或软限位 l 适当提高硬件动态特性 4.1.1.4 闭环控制 l 如果使用绝对值编码器则无需回零功能；如果使用增量编码器在需要在 Mode4“手动”模式下进行回零操作（见第三章图 3-2）。回零可以采用 动态回零。上电后刀辊的位置为 0，在接到回零指令后，刀辊延正常工 作方向低速转动；在收到接近开关上升沿信号时继续向前转动若干距离 （有用户需要和接近开关的安装位置决定），停止后置当前位置为某一 值。如将刀辊停在刀口朝上的位置，然后置当前位置值为刀辊有效周长 的一半，在本例中为 100mm。 4.1.3 虚轴 4.1.3.1 配置 l 插入一个虚轴，名称为 AuxiliaryAxis l 配置为同步、直线轴。模态，其模长也为 Fsymeth。 www.plcworld.cn － 35 － 4.1.3.2 限制值 l 适当提高硬件动态特性 4.1.4 凸轮 l 插入三个凸轮，名称分别为 Cam1，Cam2，Cam3 l 类型均为 Polynomial l 在选项卡 Interpolation(2)中，选择 cyclic relative www.plcworld.cn － 36 － 4.2 配置TO之间的同步关系 4.2.1 AuxiliaryAxis的同步关系 l 与MaterialAxis同步，MaterialAxis做主轴，耦合类型为 Setpoint coupling l 在 default里，选择 Gear synchronization选项卡，设置如下参数： n Synchronization: Synchronization position specification of leading axis n Position reference: Synchronize symmetrically to synchronization position n Synchronization direction: Compatibility mode n 其它参数保持默认值 l 选择 Dynamic response选项卡，设置如下参数： n Profile specification: Time related sychronization n Velocity: 1000mm/s n Velocity profile: Smooth acceleration characteristic n 适当提高加减速的动态特性，其它参数保持默认值 4.2.2 RotaryKnifeAxis 的同步关系 l 与AuxiliaryAxis同步，AuxiliaryAxis做主轴，耦合类型为Setpoint coupling l 选择 Cam1, Cam2, Cam3 作为可能的凸轮 l 在 default里，选择 Cam synchronization选项卡，设置如下参数： n Synchronization: Effective immediately n Position reference: Synchronize before synchronization position n Synchronization direction: Compatibility mode n Desynchronization: End of cam cycle n Position reference: Stop from desynchronization position www.plcworld.cn － 37 － n 其它参数保持默认值 l 选择 Dynamic response选项卡，设置如下参数： n Profile specification: Time related sychronization n Velocity: 1000mm/s n Velocity profile: Trapezoidal velocity characteristic n 适当提高加减速的动态特性，其它参数保持默认值 www.plcworld.cn － 38 － 4.3 拷贝必要的程序和功能块 启动一个新的 Scout窗口，将标准应用 RotaryKnife_V1.3打开，然后拷贝以 下程序到用户的项目中： CC_CamCa, CC_Var, RK_CLB, RK_PMCUT, RK_TEMPL, RK_VAR,。然后用户再编写自己的应用程序，如 HMI 程序和主程 序等，来调用这些标准功能块。当然，用户也可以拷贝所有的程序和功能块，然 后根据实际需要进行修改。 www.plcworld.cn － 39 － 小结 本手册介绍了轮切工艺中的重要概念，并且介绍了基于 SIMOTION D 与 SINAMICS S120 平台的轮切解决方案。如果用户对 SIEMENS 的轮切解决方案 感兴趣，或者进而想应用该方案的话，还请参阅更加详细的英文手册，该英文手 册可以在 Intranet上下载，也可以向MC PM APC索取。 www.plcworld.cn