EtherCAT运动控制器电子凸轮在包装机的应用

什么是电子凸轮？

在讲电子凸轮前，我们先了解下机械凸轮，机械凸轮主要由主轴（凸轮）和从轴（推杆）构成，将旋转运动转换为线性运动，基本结构如下图所示。

? 机械凸轮

从图可看出，机械凸轮靠主轴旋转，驱动推杆沿凸轮轮廓做周期性运动。但传统机械凸轮存在固有机械刚性短板，一旦产品规格或生产工艺发生变更，就必须更换整套机械结构。

而电子凸轮摒弃了物理机械联动的方式，无需依赖机械硬连接，即可实现推杆精准同步跟随运动。

? 电子凸轮预设轨迹示意图

电子凸轮通过控制器预设凸轮曲线，并将此段运动轨迹参数写入运动指令，转化为数字信号，即可控制主从轴伺服电机按照目标轨迹跑出对应的位置、速度关系从而模拟机械凸轮的动作，可通过修改软件相关运动参数即可调整运动曲线，灵活性高。

电子凸轮常用在对响应速度、精度有要求的从属控制应用中（追剪、飞剪），例如包装机、口罩机等，需要持续不断送料，并按照不同规格长度裁切获取成品的设备。

枕式包装机市场应用

? 三轴枕式包装机工作示意图

枕式包装机是一种将产品沿水平传送带移动，并通过包装膜卷膜成型、纵封/横封刀切完成制袋、填充、封口、切断、成品等工序的包装设备。

常用在日化、食品、五金、医药等行业自动包装生产线上。

传统三轴枕式包装机行业痛点

横封刀运动曲线依赖机械凸轮，机械结构复杂，调试耗时长；

精度稳定性差膜材拉伸或传动误差导致废品率超5%；

维护成本高昂机械磨损频繁，维护成本增加；

换型调整麻烦、效率低、柔性不足，难以兼容不同规格袋长或新工艺生产需求。

随着高端包装设备升级改造，电子凸轮正成为枕式包装机控制升级重要方向。本篇将通过介绍正运动EtherCAT运动控制器电子凸轮在包装机的应用，展现其技术优势与落地价值。

正运动技术枕式包装机解决方案

正运动针对上述问题，特此开发了基于EtherCAT运动控制器XPLC104E-V2的枕式包装机解决方案，采用电子凸轮、色标锁存、多轴同步、相位补偿等功能，实现高速高精度同步控制和智能追剪。

方案封装了枕式包装机所需的关键工艺参数，提升裁切位置、封口质量一致性和设备生产节拍，并具备防空切，防空包功能减少材料浪费，送料轴无需挡条，可实现物料自动错位间隔。

▌客户应用价值

可实现效率：≥230包/分钟，精度：切包精度≤0.5mm（封包效率根据实际产品大小和工艺决定）。

袋长、速度、切点、相位补偿参数可配方化管理，减少换规格时的机械凸轮的机械调整和程序修改。

集中运动控制、参数化调试和模块化复制，降低设备开发、调试、维护和换型过程中的综合成本。

核心实现原理：电子凸轮控制

电子凸轮属于多轴同步运动，基于主轴外加一个或多个从轴系统。因此，枕式包装机可实现“送料轴”、“送膜轴”、“横切轴”三个轴的高速同步运动，并通过相位补偿（虚拟轴叠加修正主轴与从轴角度偏差），替代机械凸轮，消除轴间运行时出现的误差。

三轴同步控制

正运动技术为用户提供了多种电子凸轮运动指令，可根据项目需求进行应用：

CAM：凸轮表运动；

CAMBOX：跟随凸轮表运动；

MOVELINK、MOVESLINK：特定轨迹凸轮运动，一般应用于追剪应用；

FLEXLINK: 特定轨迹凸轮运动，又称飞剪运动，一般应用于飞剪应用。

枕式包装机的刀切工艺可分为旋切和追剪，本次案例我们使用MOVESLINK自动凸轮2指令来实现电子凸轮的追剪应用。

01 指令说明

MOVESLINK(distance,link dist,start sp,end sp,link axis[,link options][,link pos][,link offpos])

参数说明：

distance：从连接开始到结束，跟随轴移动的距离，此参数可正可负，为正数正方向跟随，为负数负方向跟随，采用units单位。

link dist：参考轴在连接的整个过程中移动的绝对距离，采用units单位。

start sp：启动时跟随轴和参考轴的速度比例，units/units单位，负数表示跟随轴负向运动。

end sp：结束时跟随轴和参考轴的速度比例，units/units单位,负数表示跟随轴负向运动。注：当start sp = end sp = distance/link dist时，匀速运动。

link axis：参考轴的轴号。

link options：连接模式选项，不同的二进制位代表不同的意义。

link pos：当link options参数设置为2时，该参数表示参考轴在该绝对位置值时，连接开始。

link offpos：当link_options参数bit4置为1时，该参数表示主轴已经运行完的相对位置。20170428以上固件支持。

02 追剪basic程序示例

 

RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE(0)
WAIT IDLE(1)
DATUM(0)

BASE(0,1)
UNITS=10000,10000
ATYPE=1,1
DPOS=0,0
SPEED=1,1
ACCEL=2,2
DECEL=2,2
SRAMP=200,200
TRIGGER              '自动触发示波器
VMOVE(1)  AXIS(1)
WHILE 1
MOVESLINK(0,1,0,0,1)  AXIS(0)    '型材运动1单位前，工作台静止
MOVESLINK(0.4,0.8,0,1,1)  AXIS(0)  '工作台加速阶段
MOVESLINK(0.2,0.2,1,1,1)  AXIS(0)    '速度跟随阶段
MOVESLINK(0.4,0.8,1,0,1)  AXIS(0)  '工作台减速阶段
MOVESLINK(-1,1.2,0,0,1)  AXIS(0)  '工作台回到起始点
WEND

'运动轨迹和速度曲线
DPOS(0) '垂直刻度1，无偏移
DPOS(1) '垂直刻度1，无偏移
MSPEED(0) '垂直刻度1，无偏移
MSPEED(1)'垂直刻度1，无偏移

 

电子凸轮-追剪波形图

电子凸轮追剪示意图

核心实现原理：高速色标锁存

当高速IO信号触发时，立即响应，锁定当前的电机/编码器的位置，用来锁定流水线产品经过光电传感器时的位置、锁定包装膜材料上色标的位置等，并通过相位或叠加运动补偿，来保障后续横封刀切时位置的准确性。

色标锁存示意图

通过锁存功能可以实现：

色标记长

自动记录色标之间的膜长度。

色标补偿

根据色标锁存的结果，自动校正膜材拉伸误差。

光电防切

判断物料所处位置，切刀自动避料，减少浪费。

正运动枕式包装机工艺流程

正运动控制器在枕式包装机解决方案优势

01 丰富的通讯硬件接口

方案支持模拟量、以太网、RS485等多种通讯与控制接口，可灵活集成温控器、打码机、变频器等外围设备，提升整机自动化水平。

温控器控制

支持模拟量输出与PID动态调节，可独立控制横封/纵封温度，设备在无生产状态下，自动降低加热功率，实现节能控制。

打码机通讯

通过网口通讯控制打码机，支持写入生产日期、产品型号等字符串信息，并与配方参数绑定，提升生产切换的灵活性。

变频器控制

通过RS485通讯控制变频器，实现多段速度调节，满足不同工况下输送、送料及辅助机构的速度控制需求。

02 丰富的枕式包装机工艺功能

具备定袋长、防空包、防切袋、位置功能、皮带补偿、产品测长、配方管理、温控、报警等。

03 智能防切袋

前端光电传感器检测到产品错位时，系统根据上包料尾位置、下包料头位置及夹膜时间，判断产品是否进入异常横切区域，系统自动触发防切袋功能，保护横封刀不切到错位物料，从而保护横封刀免受机械损伤。

04 配方管理

支持多配方功能，调用不同配置文件，实现多种产品快速切换加工。

05 提供All In One的全国产IDE RTSys运控开发平台

支持RTBasic语言开发，灵活配置电子凸轮曲线，满足复杂工艺需求。

RTSys软件的API接口可以支持客户使用各种环境与上位机语言进行运动控制项目代码的编程、测试、调试与配置，实现自定义上位机和显示界面、操控界面的开发。

EtherCAT总线运动控制器 XPLC104E-V2

XPLC104E-V2经济型多轴运动控制器是一款兼容EtherCAT总线和脉冲的独立式运动控制器，用以实现点位运动、直线插补、电子凸轮等控制需求，支持高速色标锁存，相位补偿等包装行业的核心功能，具有丰富的通讯接口，非常适用于包装设备应用场合。

硬件信息

支持4-12轴运动控制；

EtherCAT总线最快1ms的刷新周期；

脉冲输出模式：方向/脉冲或双脉冲；

支持编码器位置测量，可以配置为手轮输入模式；

每轴最大输出脉冲频率500kHz；

轴正负限位信号/原点信号可以随意配置为任意通用数字输入口；

EtherCAT接口、RS232串口、RS485串口、以太网接口；

支持电子凸轮、电子齿轮、同步跟随、虚拟轴、12轴直线插补等

多种程序加密手段，保护客户的知识产权。   

正运动技术专注于运动控制技术研究和通用运动控制软硬件产品的研发，是国家级高新技术企业。正运动技术汇集了来自华为、中兴等公司的优秀人才，在坚持自主创新的同时，积极联合各大高校协同运动控制基础技术的研究。主要业务有：运动控制卡_运动控制器_EtherCAT运动控制卡_EtherCAT控制器_运动控制系统_视觉控制器__运动控制PLC_运动控制_机器人控制器_视觉定位_XPCIe/XPCI系列运动控制卡等等。

审核编辑 黄宇