摘 要：介紹基于臺(tái)達(dá)智能型伺服系統(tǒng)的高精度灌裝控制方案。對(duì)于藥品液體灌裝生產(chǎn)線的高精度同步灌裝工藝，臺(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)了液體灌裝速度和送瓶速度實(shí)時(shí)保持高精度同步。
關(guān)鍵詞：高解析智能伺服、同步灌裝、電子凸輪、新PR模式、CAPTURE資料抓取、By-PASS一主多從 。

1. 引言

今天，隨著制藥企業(yè)“GMP”新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證制度的實(shí)施，為制藥企業(yè)對(duì)制藥裝備提出了更高的目標(biāo)和要求。同樣為制藥裝備廠家提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和市場(chǎng)空間，但是傳統(tǒng)的制藥機(jī)械機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)和控制方案已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的制藥行業(yè)發(fā)展的需求，新一代的制藥機(jī)械將可以提供更高精度的，更高自動(dòng)化程度的控制工藝，來(lái)不斷迎接市場(chǎng)的挑戰(zhàn)！

本文以藥品水針劑生產(chǎn)灌裝生產(chǎn)線高精度同步灌裝工藝為案例，詳述了如何利用臺(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動(dòng)控制模式，僅以外置編碼器作為命令來(lái)源，即可實(shí)現(xiàn)液體灌裝速度和送瓶速度實(shí)時(shí)保持高精度同步。同時(shí)利用伺服By-pass功能，無(wú)需昂貴的運(yùn)動(dòng)控制器的參與，即可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的一主多從多軸伺服同步控制控制方案。

2. 機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝要求

1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

灌裝同步生產(chǎn)線，主要分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構(gòu)成，如下圖所示。

早期藥機(jī)同步灌裝，送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分動(dòng)力來(lái)源均為送瓶拖鏈電機(jī)輸出。多是以機(jī)械凸輪通過(guò)多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)實(shí)體凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。實(shí)體的凸輪加工需要高精密的CNC加工中心才能生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高，而且調(diào)試和安裝起來(lái)非常麻煩，并且隨著使用時(shí)間增加，機(jī)械的磨損會(huì)影響到同步灌裝的精度，后期維護(hù)費(fèi)用很高，產(chǎn)品換型困難。

臺(tái)達(dá)A2系列伺服電子凸輪功能就是針對(duì)上述問(wèn)題而開發(fā)的智能型伺服系統(tǒng)。

伺服灌裝同步生產(chǎn)線，仍然分為送瓶軸拖鏈、水平跟蹤軸和垂直跟蹤軸3部分構(gòu)成，只是在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪連接，取而代之的是兩顆高精度伺服系統(tǒng)，通過(guò)精密絲桿分別控制水平跟蹤軸（X軸）和垂直跟蹤軸（Y軸）的位移。其伺服系統(tǒng)的命令來(lái)源均為安裝在送瓶拖鏈上的高解析度編碼器提供。控制架構(gòu)如下圖所示：

· 詳細(xì)機(jī)械數(shù)據(jù)如下：

* 主編碼器分辨率為2000p/r，凸輪一周，編碼器旋轉(zhuǎn)2圈，采集脈沖數(shù)量16000ppr，5v差動(dòng)信號(hào)。
* 主電機(jī)由變頻器控制工作頻率在0~50hz。
* X/Y滑臺(tái)絲桿的螺距為10mm，X/Y伺服編碼器分辨率通過(guò)電子齒輪比功能設(shè)定為100000ppu。
* X軸同步的區(qū)域長(zhǎng)度為A~B=240mm。Y軸插入的距離為40mm。

2) 工藝要求：

· 精度要求：

* 灌裝噴嘴直徑為2mm，藥瓶口直徑為6.5mm，無(wú)論何種速度。噴嘴和瓶口不能接觸！
* 要求伺服在同一灌裝速度下，定位精度在0.5mm內(nèi)。
* 不論主動(dòng)軸變頻器速度在0~50HZ內(nèi)任意變換，伺服的加減速都可以保證完全同步，偏移量不得大于1mm。
* 伺服可以在變頻器10HZ低速運(yùn)行時(shí)，也能保證好的同步效果。

· 同步灌裝動(dòng)作要求：

* X軸水平軸跟蹤伺服，驅(qū)動(dòng)灌裝噴嘴前后運(yùn)動(dòng)。灌裝過(guò)程分為同步區(qū)間和高速返回區(qū)間。其中同步區(qū)間速度和送料拖鏈速度保持一致。在同步區(qū)域內(nèi)，Y軸才可以插針到瓶?jī)?nèi)。同步區(qū)結(jié)束后X軸高速返回到原點(diǎn)，等待插入下一組藥瓶。

* Y軸垂直軸提升伺服，驅(qū)動(dòng)灌裝噴嘴上下運(yùn)動(dòng)，灌裝過(guò)程分為快速插入和慢速返回區(qū)間。快速插入時(shí)的距離為40mm。并要求在瓶底停留一段時(shí)間。然后慢速提升，提升速度和灌裝系統(tǒng)流量相關(guān)，任何情況下不允許針管接觸到灌裝液面。

* 在灌裝過(guò)程時(shí)，不論在快速插入瓶口和返回區(qū)間Y軸始終和主動(dòng)軸的編碼器命令同步對(duì)應(yīng)，同樣伺服馬達(dá)的速度和藥瓶的輸送速度保持一致，即為同步灌裝要點(diǎn)！

3. 臺(tái)達(dá)高精度灌裝控制方案
方案配置：

* ASD-A2- 0421--B 控制器X2臺(tái)

臺(tái)達(dá)A2系列高解析智能伺服是臺(tái)達(dá)電子憑借多年的伺服研發(fā)經(jīng)驗(yàn)于2009年推出的新一代的伺服系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)引入了歐系高端伺服智能化的理念和控制架構(gòu)。大幅提升了產(chǎn)品的性能和應(yīng)用價(jià)值，產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：

* 20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。
* 內(nèi)含64組PR運(yùn)動(dòng)路徑編輯功能，電子凸輪功能。無(wú)需高階控制系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制和凸輪同步功能，
* 內(nèi)含伺服By-pass功能，可以實(shí)現(xiàn)命令信號(hào)逐級(jí)傳遞不衰減，輕松構(gòu)造一主多從的控制架構(gòu)。
* 高響應(yīng)和共振抑制可以滿足各類機(jī)械環(huán)境。

4. 方案的制定和實(shí)施

綜合上述的分析，但A2智能伺服就完全可以實(shí)現(xiàn)的同步灌裝運(yùn)動(dòng)控制要求。以下將針對(duì)同步灌裝的主要工藝要求對(duì)方案可行性逐一進(jìn)行分析。

1) 動(dòng)作分析與PR路徑規(guī)劃

同步灌裝動(dòng)作流程如下圖所示：

下面以X水平跟蹤伺服為例說(shuō)明，動(dòng)作要求如下和PR路徑規(guī)劃如下：

A. X軸回歸機(jī)械原點(diǎn)

* PR#00 回機(jī)械原點(diǎn)。開機(jī)X軸回歸到機(jī)械原點(diǎn)。。
* PR#01 回到原點(diǎn),確保伺服因緊急情況脫離后，再次執(zhí)行時(shí)處于X軸原點(diǎn)。

B. 開啟CAPTURE資料抓取功能。

CAPTURE 的概念是利用外部的觸發(fā)信號(hào)DI7，達(dá)到瞬間抓取運(yùn)動(dòng)軸的位置資料，并存放到資料陣列中，作為后續(xù)運(yùn)動(dòng)控制使用.

需要特別說(shuō)明的是，當(dāng)伺服使用CAPTURE資料抓取功能時(shí)，伺服系統(tǒng)將強(qiáng)制關(guān)閉原有DI 功能規(guī)劃，將DI7強(qiáng)制為CAPTURE。故在CAP功能開啟后，DI7只能使用在CAPTURE，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)硬體特殊處理為高速處理I/O,響應(yīng)時(shí)間為3μ秒

* PR#02 寫參數(shù)P5-39=0 關(guān)閉CAPTURE功能，防止誤動(dòng)作。
* PR#03 寫參數(shù)5-38=1 ，只嚙合一次，保證在同步區(qū)間不會(huì)出現(xiàn)干擾信號(hào)。
* PR#4 寫參數(shù)5-39=0XF021，啟動(dòng)CAP資料抓取功能 。

C. 電子凸輪功能設(shè)置。

等待CAPTURE資料抓取信號(hào)，由安裝在主動(dòng)軸上的接近開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)電子凸輪嚙合。

* PR#5 寫參數(shù)5-88=0XF2220，關(guān)閉電子凸輪功能。