Line Following in the Packaging Industry (產線包裝產業)

運用於包裝產業之運動控制技術

在傳統產線包裝應用,先進控制功能與伺服馬達取代步進馬達為未來合乎邏輯的優勢
Figure 1
圖一,傳統產線包裝應用

有許多產線包裝應用,包含貼標機,定尺寸切割,飛剪,追剪,分條,刀具旋轉等許多商業應用。這些產線應用都有相同機器功能程式。這些機台中有一個很大的共通點,也就是他們通常地會有一個獨立移動線量測線速度做回饋。這個回授訊號輸入透過輔助編碼器輸入到運動控制器。然後運動控制器使用輔助編碼器輸入如控制命令,當它控制其他次軸或追隨軸移動到相同的速度。線速度與追隨速度可以為一比一比例 或 “其他功能或比例”。

在產線上,除了需要同步上線速度,指定點(或位置)必須同步於追隨軸。在產線上,為了標記位置,透過裝置的高速輸入接點,使用感測器量測物件的位置, (如”光遮斷器, 測重平台等”)。此時,產線的位置就會被截取下來。

若已知標記位置與距離(感測器器與軸控距離),控制器計算一組軌跡,為了吻合追隨軸的位置與產線的位置。 產線上追隨軸的位置軌跡。 簡單的說,控制器必須配合軸的速度與位置。它正在控制一條獨立產線基於速度與事件感測器。

產業需求

一般多數產線機器使用步進馬達。但當他們需要精密的控制,需要更有高解析度,更聰明,與有能力下載資料,更好的人機介面,與更多的裝置故障訊息時,伺服馬達就會變的重要。此外,軟體明顯的差異與控制方式,讓機器製造商使用不同的部件用於機器的各個部份,部分區塊使用步進馬達,其他區塊使用伺服馬達來進行運動。

包裝機加工速度為成本與產能的主要關鍵。 例如: 在貼標機的應用,傳統精度為1/32 inch (0.79375mm),與產線速度為 2000~3000 inches/minute (50,800~ 76,200 mm/minute)。這代表控制包裝流程將會需要高速IO與全功能運動軌跡。另外,一些舊的機器內包含一PLC裝置與一個運動驅動器。當升級新軟體與硬體時,這增加複雜性與工時。

Aerotech 在包裝產業的優點與好處
Figure 2

 圖二:Aerotech’s Ensemble CP

Aerotech 針對包裝產業,提供強大軟體功能與靈活性高的驅動器與馬達。使用這些產品編寫複雜的程式的能力,使其成為今日苛刻應用的良好選擇。

多種類馬達驅動技術: Aerotech驅動產品能在不改變軟體與硬體的情況下,驅動步進馬達與伺服馬達。這代表在同一個平台上,只需改變參數後,一個驅動器就能控制步進馬達與伺服馬達。此外,使用相同的硬體與軟體的優勢代表著從步進馬達切換到伺服馬達的成本降低。

高速IO:Aerotech驅動器提供高速IO。包含雙組高速輸入與輸出。驅動器還能基於許多不同的輸入訊號,計算全功能的同步運動軌跡,將其用在帶動快速和複雜的製程。驅動器有兩組高速輸入接點與一組 50 奈秒延遲時間接點。高速輸出,PSO訊號,為一組可程式化單軸同步位置觸發,延遲時間為160奈秒。

輔助編碼器:Aerotech 驅動器包含一組輔助編碼器輸入。這組輔助編碼能被使用在高精度應用的雙迴路控制,輸出主要編碼器訊號到外部裝置,或在產線應用,將外部編碼器訊號接進驅動器當作追蹤目的。這組輸入接點能接受10MHz的四倍頻A、B相訊號

PLC 到運動控制:Aerotech產品可當作PLC與運動控制器元件,用來降低複雜性,減少程式編輯與整合成本,且增加每個元件的功能性

數據處理:Aerotech驅動器透過工業乙太網通訊協定(EtherNet/IP™),提供與RFID閱讀器連接,儲存資料到網路與回應即時訊息的功能。

工業乙太網通協定(EtherNet/IP™): Aerotech驅動器支援工業工業乙太網通協定匯流排。這允許運動控制器直接透過Allen Bradley協定溝通與被RSLogix程式控制。

全面性整合: Aerotech .NET 函式庫能被整合到視覺系統中。通過先進運動功能,將視覺與運動同步。

客製化控制:Aerotech為垂直整合供應鏈的公司,且Aerotech工程部涉及廣泛的工程學科。這讓可以對軟硬體每個部份進行客製化以適用到應用中的確切需求。範例包含 OEM 驅動器包裝,客製化軟體與函式庫與客製化馬達設計。

程式編輯概念

Figure 3

圖三, Ensemble 任務計算器

Aerotech控制器包含多個Task(任務)。這些任務可以被使用在確保多組產品能被標記在一組線與運動發生分開。在下面範例,我們在Ensemble控制器上使用兩個任務。任務一被使用在運動軌跡與任務三使用在標記輸入。我們使用IGLOBAL暫存器將訊息傳遞在兩個任務間。

Ensemble Task Calculator 使用在幫任務分配週期時間。這裡有五個任務片段(Task Slices),任務 1到任務 4使用4個任務片段。第五個任務包含各種流程, 每一毫秒一次,其中一個為輔助任務。

我們需要設定多組任務用來執行多組程式。任務一與任務三使用相同的時間片段,這個允許每個任務有100微秒時間片段。可以選擇從不同的任務間,給予一個任務有較高優先權,下面展示程式給任務有相同的優先權執行

下面程式碼展出一套貼標機在瓶罐上應用所需的步驟。光電感測器接到Ensemble CP驅動器的高速輸入接點。這個輸入點在硬體層由POSCAP功能使用。POSCAP功能使用在標記皮帶的位置。從輸入訊號被觸發到這個位置被擷取,含有400奈秒(ns)延遲時間。

已知從光電感測器(或稱為電眼Photo-Eye)到標籤的固定距離。使用POSCAP功能紀錄數值,程式將準確地知道什麼時候轉動馬達放置標籤在瓶罐上。

Figure 4

Figure 4. Bottle labeling application with photo-eye.

圖四,貼瓶機搭配光電感測器(電眼)的應用

Figure 5a

Figure 5b

 Figure 5c

圖五,五個部件被觸發

上圖裡五個部件被觸發。位置擷取位元(Position Capture bit) =0,此時被觸發。當瞄準時,位置擷取位元=1。如圖可見觸發訊號彼此間有不同距離。在第一組標籤到達之前,我們能有多組觸發。這是好方式,程式將持續紀錄所有觸發數值 與 在部件使彼此間維持正確距離,只要運動能在下一個部件進入視窗之前完成執行。這應用時間將成為皮帶移動速度能有多快的一個限制因素,或皮帶上的原件能有多近。

我們擷取從上到下順序, 位置回饋,速度命令,位置擷取位元(Ensemble中的狀態),數位輸入接點正被位置擷取位元,與皮帶上編碼器

因為Aeronet  運動匯流排 有非常高判斷,我能 “dial in” 我們的移動位置。為了軸的延遲時間,在運動程式裡EyeToLabelDistanceInCounts變數能擁有一個偏移量到 “帳號”

這個延遲在程式裡會有一個固定數值,且同常為 3-5ms決定於哪種位移命令被使用。我們能夠簡單地使用這個延遲時間去計算它的線速度。這將完全自動化”線”所以終端使用者能調整速度,不用重新調整標籤位置。

下頁顯示放大後的測試結果。

Trigger 1顯示顯示 擷取觸發位置與 軸運動間之距離為123,750 counts
Figure 6

圖六

Figure 7

圖七

Trigger 2顯示 擷取觸發位置與 軸運動間之距離為 123,749 counts。

Figure 8

Figure 8.

Figure 9

Figure 9.

圖九

Trigger 3顯示 擷取觸發位置與 軸運動間之距離為123,759 counts

Figure 10a

圖十

Figure 11 

圖十一

Trigger 4顯示擷取觸發位置與 軸運動間之距離為 123,751 counts

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圖十二

Figure 13 

圖十三

Trigger 5顯示擷取觸發位置與 軸運動間之距離為 123,746counts

Figure 14

圖十四

Figure 15 

圖十五

在這個範例,每英吋有50,800 counts 進入輔助編碼器輸入。皮帶曾移動在42英吋/秒 或 2520 IPM。最壞情況下,觸發機制被使用在追蹤與啟動運動  中有 751 counts。 從目標位置到每個不同觸發點之間不差於4 counts 。

我們是否曾透過反覆測試將觸發延遲降到0。但即使不用這個方式,結果也是非常精確。這系統測試能在速度2520 IPM下,能精確地放置一個標籤在 0.015英吋,約1/67 英吋 (0.379mm)且有0.0001英吋的重覆精度。