1. 引言
當(dāng)前隨著制藥企業(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)和控制方案存在控制精度差、設(shè)備故障率高等問題，這明顯已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的制藥行業(yè)發(fā)展的需求。新一代的基于伺服裝置控制的制藥機(jī)械將可以提供更高精度的，更高自動化程度的制程工藝，以滿足市場新的要求。
本文基于臺達(dá)A2伺服獨(dú)有的電子凸輪功能配合全新pr運(yùn)動控制模式，針對藥品水針劑生產(chǎn)灌裝生產(chǎn)線高精度同步灌裝工藝工程，實(shí)現(xiàn)了一套高性價比的主從多軸伺服同步控制方案。
2 機(jī)械設(shè)計和工藝要求
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
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，如圖1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部分動力來源均為送瓶拖鏈電機(jī)輸出。多是以機(jī)械凸輪通過多級機(jī)械傳動，帶動兩個實(shí)體凸輪機(jī)構(gòu)來實(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)試和安裝起來非常麻煩，并且隨著使用時間增加，機(jī)械的磨損會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。
臺達(dá)A2系列伺服電子凸輪功能就是針對上述問題而開發(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)如圖2所示。
其詳細(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差動信號。
主電機(jī)由變頻器控制工作頻率在0~50hz。
X/Y滑臺絲桿的螺距為10mm，X/Y伺服編碼器分辨率通過電子齒輪比功能設(shè)定為100000ppu。
X軸同步的區(qū)域長度為A~B=240mm。Y軸插入的距離為40mm。
2.2 工藝要求
A、精度要求：
（1）灌裝噴嘴直徑為2mm，藥瓶口直徑為6.5mm，無論何種速度。噴嘴和瓶口不能接觸
（2）要求伺服在同一灌裝速度下，定位精度在0.5mm內(nèi)。
（3）不論主動軸變頻器速度在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。
（4）伺服可以在變頻器10HZ低速運(yùn)行時，也能保證好的同步效果。
B、同步灌裝動作要求：
（1）X軸水平軸跟蹤伺服，驅(qū)動灌裝噴嘴前后運(yùn)動。灌裝過程分為同步區(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軸才可以插針到瓶內(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。
（2）Y軸垂直軸提升伺服，驅(qū)動灌裝噴嘴上下運(yùn)動，灌裝過程分為快速插入和慢速返回區(qū)間。快速插入時的距離為40mm。并要求在瓶底停留一段時間。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。
（3）在灌裝過程時，不論在快速插入瓶口和返回區(qū)間Y軸始終和主動軸的編碼器命令同步對應(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 臺達(dá)高精度灌裝控制方案
3.1 方案配置
本方案配置ASD-A2- 0421－－B 控制器2臺。
臺達(dá)A2系列高解析智能伺服是臺達(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)用價值，產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：
（1）20bit高解析編碼器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。
（2）內(nèi)含64組PR運(yùn)動路徑編輯功能，電子凸輪功能。無需高階控制系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制和凸輪同步功能，
（3）內(nèi)含伺服By-pass功能，可以實(shí)現(xiàn)命令信號逐級傳遞不衰減，輕松構(gòu)造一主多從的控制架構(gòu)。
（4）高響應(yīng)和共振抑制可以滿足各類機(jī)械環(huán)境。
3.2 方案實(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)動控制要求。以下將針對同步灌裝的主要工藝要求對方案可行性逐一進(jìn)行分析。
3.2.1動作分析與PR路徑規(guī)劃
同步灌裝動作流程如圖3所示：
圖3 同步灌裝動作流程
下面以X水平跟蹤伺服為例說明，動作要求如下和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)行時處于X軸原點(diǎn)。
參數(shù)設(shè)定圖如圖4所示：
CAPTURE 的概念是利用外部的觸發(fā)信號DI7，達(dá)到瞬間抓取運(yùn)動軸的位置資料，并存放到資料陣列中，作為后續(xù)運(yùn)動控制使用.
需要特別說明的是，當(dāng)伺服使用CAPTURE資料抓取功能時，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@個信號經(jīng)過硬體特殊處理為高速處理I/O,響應(yīng)時間為3μ秒
PR#02 寫參數(shù)P5-39=0 關(guān)閉CAPTURE功能，防止誤動作。
PR#03 寫參數(shù)5-38=1 ，只嚙合一次，保證在同步區(qū)間不會出現(xiàn)干擾信號。
PR#4 寫參數(shù)5-39=0XF021，啟動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，由安裝在主動軸上的接近開關(guān)信號，觸發(fā)A2伺服Capture和E-CAM功能，來實(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。
PR#6 寫參數(shù)5-88=0XF2221，開啟電子凸輪功能。
參數(shù)規(guī)劃如下：
X凸輪控制=1 啟動電子凸輪。
Y凸輪命令來源=2 PULSE命令。
Z凸輪嚙合時機(jī)=2 CAPTURE任一點(diǎn)動作。
U凸輪脫離時機(jī)=2 主軸抓取脈沖數(shù)>5-89設(shè)定后脫離。
當(dāng)伺服DI7 CAPTURE檢測到ON上升沿信號時，凸輪就會嚙合，伺服電機(jī)根據(jù)A2預(yù)先編輯好的凸輪曲線軌跡，按照送瓶伺服主動軸編碼器脈沖指令運(yùn)動。
當(dāng)進(jìn)入到設(shè)定同步區(qū)輸出同步范圍后，X軸D0CAM-AREA信號ON，控制提升軸伺服Y軸凸輪嚙合。
當(dāng)伺服抓取數(shù)值通過比較等于主軸凸輪脈沖P5-89的值時，伺服馬達(dá)立刻脫離電子凸輪，追隨結(jié)束。
D. 凸輪分離，伺服電機(jī)高速返回。
伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)，高速返回起始原點(diǎn)，等待下一次觸發(fā)信號的到來。該階段為伺服自身的PR模式控制，返回時的速度和加減速規(guī)劃，由A2伺服的PR模式實(shí)現(xiàn)和完成。
PR#15 絕對定位，高速返回到原點(diǎn)
PR#16 跳轉(zhuǎn)指令，跳回到PR#02。當(dāng)流程結(jié)束，返回到PR#02，等待下一次嚙合信號到來。
對于垂直提升軸Y軸，除返回時，因返回起始原點(diǎn)速度也由凸輪曲線規(guī)劃，所以除了沒有PR規(guī)劃沒有PR#15，其他情況和水平X跟蹤軸相同，對此不再復(fù)述。
使用A2資訊軟體，用戶可以方便的規(guī)劃伺服的運(yùn)動路徑，新型的PR路徑編輯器不但支持跳轉(zhuǎn)、插斷、疊加等運(yùn)動邏輯處理，還支持參數(shù)讀寫等豐富功能。
3.2.2 電子凸輪曲線規(guī)劃
A、水平跟蹤X軸凸輪曲線規(guī)劃
對于水平跟蹤X軸而言，主要保證速度上和主動軸編碼器速度追隨，追求的是速度保持主動軸一致。建造凸輪表格和曲線方法如下：
步驟1,選擇軟體
