應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 案例名稱 台達電子 ASDA-A2 系列伺服系統應用於「橫式包裝機」 發行單位 AC 伺服驅動器設計課 適用機種 ASDA-A2 系列交流伺服驅動器 目 發行日期 Dec. 17, 2009 頁數 16 錄 一、前言 .....................................................................................................................2 二、系統規劃 ..............................................................................................................2 2.1 電氣配置 ....................................................................................................3 2.2 主動軸（包裝膜送料軸） ...........................................................................4 2.3 第一從動軸（熱封用飛刀軸） ....................................................................4 2.4 第二從動軸（鏈鈎輸送帶軸） ....................................................................5 三、動作分析與應用原理 ............................................................................................6 3.1 裁切位置自動修正功能 ...............................................................................6 3.2 內建遮沒與跳標續裁功能 ...........................................................................7 3.3 裁刀動態對色標..........................................................................................8 3.4 空包防止功能 .............................................................................................9 3.5 錯位停止裁切 ...........................................................................................11 四、凸輪曲線的設計 .................................................................................................13 4.1 飛剪凸輪曲線的種類.................................................................................13 4.2 同步區的意義與計算.................................................................................14 4.3 裁剪長度限制 ...........................................................................................15 4.4 裁剪速度補償 ...........................................................................................16 五、結論 ...................................................................................................................16 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 一、前言 台達電子 ASDA-A2 系列交流伺服系統在包裝機上表現卓越，包裝機上最主要的應用需求為飛剪與色標 移位的補償。當包裝膜因張力調整不良、色標間長度不一，或於機構上打滑時，ASDA-A2 系列一大特 色是能使裁刀重新對準色標。除此之外，在沒有包裝物時，停止包裝以避免空包、當包裝內容物異位時， 停止裁切以防切刀切到厚物而損壞機構、系統初始時的動態對色標、對不同寛度的裁刀能隨時產生合適 的凸輪曲線、色標與色標之間的遮没功能等特性與功能，都可藉由台達電子 ASDA- A2 系列輕易逹成。 二、系統規劃 包裝系統主要有三部分：主動軸為包裝膜的送料軸、第一從動軸為熱封用的飛刀軸與第二從動軸為鏈鈎 輸送帶軸（如圖 1 所示）。請注意此處第一與第二從動軸的命名純粹只為解說用，實際應用上並沒有任 何的順序關係。主動軸包裝膜的送料滾筒在送膜的同時，會發送脈波指揮其他從動軸運動；從動軸熱封 用的飛刀，其功能為封口與裁剪；從動軸鏈鈎輸送帶，其主要工作為運送包裝內容物。此架構為典型的 包裝系統，使用 ASDA-A2 系列內含的電子凸輪與運動控制功能，可輕鬆完成包裝系統中的各項主要控 制需求。 圖 1. 包裝系統架構圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 2.1 電氣配置 主動軸於送出包裝膜的同時，同步發送脈波給凸輪軸，因 ASDA-A2 系列具有內建脈波傳遞（By-pass） 功能，主動軸脈波可在所有的從動軸間傳遞,，脈波在任一軸上的傳遞延遲時間為 50ns，脈波信號在多 從軸間傳遞並不會衰減，因為伺服驅動器本身具有脈波重覆器（Repeater）的功能，所以使用 ASDA-A2 系列於多從軸的場合不會增加任何的成本。除了脈波信號之外，色標信號必須同時發送給兩個從動軸， 在從動軸上，因色標信號的使用，系統才可能進行相位對正（對標）的功能（如圖 2 所示）。 圖 2. 電氣配置圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 對於正反相不同色標，如底色為白色，色標為黑色，或底色為黑色，色標為白色等，都可使用 ASDA-A2 系列伺服參數輕易地完成設定，不需更更換讀取色標的光電開關（如圖 3 所示）。 色標為白色 ， 底色為黑色 P5-39.Z=1 色標為黑色 ， 底色為白色 P5-39.Z=0 圖 3. 不同顏色色標讀取設定圖 2.2 主動軸（包裝膜送料軸） 此軸主要的目的為輸送包裝膜與指揮其他從軸同步運動，包裝膜的輸送務必要求盡量的平順，如張力機 構力量不可過大，否則會延伸包裝膜的長度；另一問題是，包裝膜上的張力若不足，則易發生送膜滾筒 打滑的情形，當這兩種狀況發生時，都會造成主軸所送出的脈波數量與包裝膜長度不對稱的問題，雖然 在凸輪軸上使用 ASDA-A2 可以自行修正這樣的錯誤，但是平順的包裝膜輸送，仍是包裝機上一個重要 的課題。 2.3 第一從動軸（熱封用飛刀軸） 飛刀軸的設計，必須考慮實際裁剪長度對飛刀間距的比例，比例太大會造成裁剪時飛刀速度急遽變化， 有可能變成產能無法提升的瓶頸，以圖 4 為例，在同樣的時間內要裁剪同等的距離時，單刀結構所行走 的距離為雙刀結構的兩倍（刀與刀間的間距）。若需裁剪的距離很短時，由圖 4 可得知，單刀的機械結 構其電機極限（加減速極限與扭力極限）會比雙刀提早到逹，此乃因單刀結構所需旋轉的距離較長，面 對相同速度的主動軸，則需要有較快的加減速。所以，在機械結構的設計上需要將此列為前題作考量。 使用 ASDA-A2 系列控制飛刀，此軸將具有自動對色標的修正功能，將於後詳述之。 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 圖 4. 裁刀旋轉距離比較圖 2.4 第二從動軸（鏈鈎輸送帶軸） 鍵鈎輸送帶會接收由主動軸傳送過來的脈波，跟主動軸同步。使用 ASDA-A2 系列控制，此軸將具有追 蹤脈波與修正相位的功能，亦將於後詳述之。 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 三、動作分析與應用原理 3.1 裁切位置自動修正功能 在包裝機的應用上，ASDA-A2 系列有一極富價值的特性，即自動對色標的相位補償功能。因為包裝膜 具有延伸性，所以對不同的張力極敏感，當張力過大時，會延長包裝膜的長度；當張力不足時，包裝膜 於輸送時容易產生打滑，這兩種現象都會造成預設的脈波數量無法與設定的裁切長度對齊，而造成裁剪 不正確。ASDA-A2 系列內建的「同步抓取修正軸」功能即為改善這些現象而設計，使用此功能可在膠 膜變形或輸送打滑後，當無法對準設定的裁切點時，對系統進行補償，讓裁切位置很快地回到設定的色 標上，如圖 5 中所示的兩種情形，皆可進行此修正功能。 圖 5. 裁切位置不準確分析圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 3.2 內建遮沒與跳標續裁功能 系統藉由印在包裝材上的色標檢查包裝材的實際長度，所以，色標對包裝系統而言非常重要。如何確保 色標能準確地讀入系統是一大課題，為避免色標與色標之間的污點干擾，ASDA-A2 系列設有遮沒功能， 可以設定忽略讀取色標的範圍，避免不必要的干擾。除此之外，當色標印刷不當，產生跳標時，系統亦 可依最後一次的裁剪長度繼續裁剪，直到色標出現再做修正。 圖 6. 遮沒與跳標功能展示圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 3.3 裁刀動態對色標 更換包裝模時，系統常常需要調整裁刀與色標的位置，ASDA-A2 系列的「同步抓取修正軸」可以利用 人為產生同步誤差的技巧，逹到動態修正裁剪位置的目的，只要輸入需修正位置的脈波差量到參數 P5-79 中，然後將所有修正量總合並到參數 P5-87 記憶，則斷電後，下次系統會依斷電前設定的偏移位置而進 行裁剪。 圖 7. 裁刀動態對色標圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 3.4 空包防止功能 利用運動命令重疊的特性，藉由上位機適當的輔助，ASDA-A2 系列可以完成無內容物則不包裝的防空 包效果。使用此功能時必須考量機械系統在瞬間停止時所產生的慣量，所以系統在高速或重載時，並不 適合使用此功能。此方法可應用於處理單包空包與多包空包的場合，但先決條件必須是妥適佈置空包檢 測光電開關 1 與 2 的位置，如圖 8 所示，當飛刀的凸輪處在零度或一適當的位置（為檢測時的固定參考 點） ，此時空包檢測器（光電開關）可測試是否有包裝物在鍊鈎輸送帶中，如狀況 1，代表沒有空包，單 包空包則如狀況 2，若有多包空包則如狀況 3，所以，偵測空包的判斷條件為： 無空包：（凸輪零度信號）AND（空包檢測 1） 單包空包：（凸輪零度信號）AND（NOT 空包檢測 1） 多包空包：((前次為狀況 2 ) OR (前次為狀況 3)) AND（空包檢測 1）AND (NOT 空包檢測 2) 圖 8. 空包檢測光電開關佈置圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 當檢測出有空包時，上位機可於適當的時機，觸發 EV（事件），進行位移補償，因 ASDA-A2 系列具有 命令重疊的特性，所以使用此方法可以進行空包補償，當空包多於一包時，基於圖 8 中檢測器配置的位 置，可於前命令執行完畢前檢驗出下一包。因上位機的持續觸發事件，將造成命令重疊，同時，當空包 很多時，上位機包完鍊鈎與裁刀間的包裝物後，可將主動軸（即送膜軸）停下，但系統仍保持所有電子 凸輪嚙合的狀態，當所有空包行走完成後，再度讓主動軸運轉起來，系統則會接續原來的運轉狀態，請 參考圖 9 的命令重疊操作說明。 EV觸發命令 鍊鈎凸輪命令 EV觸發 鍊鈎一段的距離 EV觸發 EV觸發 當鍊鈎還在接受凸輪命令 的同時，若有Pr觸發，則 系統會將命令重疊輸出 EV設定觸發Pr，執行 插斷增量位置命令， 長度為一段鍊鈎距離 EV觸發 事件只要在命令結束前觸發， 則會造成行走距離相加，速度 平順，結果如下圖所示 命令合成的最後輸出結果 圖 9. 空包命令合成圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 3.5 錯位停止裁切 當輸送帶上的包裝物在裁切前產生位置錯誤時（如圖 10 所示），為防止裁刀切到厚物而產生機構損壞， 必須有適當的防衛機制，為此 ASDA-A2 伺服系統提供了雙層的保護。 圖 10. 包裝物位置移位圖 在台逹 ASDA-A2 系統上面提供了雙層的保護，若可於包裝物進入裁刀前檢測出包裝物錯誤位置，可以 控制凸輪為週期性脫離，並透過調整週期前置等待脈波量 (P5-92)，逹成跳一刀或跳多刀裁剪的需求， 如圖 11，在凸輪週期性的脫離條件上，請設新增選項 P5-88.U=C；若設 P5-88.U=4 為脫離條件，當 P5-92=0，凸輪軸於高速運轉時，會在曲線 360 度交接處產生速度不連續，設 P5-88.U=C 則不會產生 此現象，且跟 P5-88.U=4 同具有週期性脫離的功能，於韌體版本 V1.027 Sub.6 版以後支援 P5-88.U=C。 圖 11. 利用週期前置量控制停止切刀圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 若無法於包裝內容物進入裁刀的裁切位置前，檢測出包裝物的錯誤位置，則可利用伺服的扭力限制功 能，限制裁刀不要輸出過大的力量。當裁刀出力到逹扭力限定的設定值時，則可以發出 DO 信號通知上 位機停止主動軸的送膜動作，並由上位機發出警報使操作人員排除錯誤，此時凸輪仍保持在嚙合的狀 態，但因主動軸脈波已停止，所以凸輪停止運轉，當包裝物移除後，只需繼續主動軸送膜動作，系統則 會接續之前的運轉週期（如圖 12 所示） 。使用扭力限制做為包裝物錯位的機構保護時，必需考慮到系統 的規劃，如果系統於正常操作時，其扭力值已逼近伺服可輸出的最大扭力，則此用法並不合宜。 圖 12. 使用扭力限制保護機械系統圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 四、凸輪曲線的設計 4.1 飛剪凸輪曲線的種類 ASDA-A2 系列提供了豐富且多樣的飛剪曲線（如圖 13 所示），目前有三種輔助建造飛剪曲線功能：第 一種是使用 PC 軟體建造不具同步區的曲線；第二種是同步區固定為 51 度，在 PC 軟體上或直接在伺 服驅動器上使用巨集指令產生凸輪曲線；第三種是同步區可調的凸輪曲線，目前只能在伺服驅動器上以 巨集指令產生。由伺服驅動器上直接產生飛剪曲線有一好處，當裁剪長度改變時，只需在人機界面上輸 入相關參數，下逹巨集指令後，即可自行產生曲線，對於製程多變的機台而言，是一大利器，同步區的 計算與切長比例的定義，將於後詳述之。 0º 51º 330º PC 軟體 PC 軟體 或伺服驅 動器 伺服驅 動器 0.3~3 0.05~2.5 0.05~5 圖 13. 凸輪曲線展示圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 4.2 同步區的意義與計算 飛剪凸輪曲線的同步區為包裝紙上的壓合長度，即為飛刀切刀的弧長（當刀子不寛時，可以將切刀寛度 與切刀弧長視為等距），在裁剪的過程中，當行程到逹凸輪曲線的同步區時，即切刀開始壓合的位置， 此時若無法確保飛刀刀尖的切線速度等同於包裝材的輸送速度，則會因飛刀與包材之間存在相對速度而 產生拉包或堆包現象，所以，同步區的確保仍是飛剪應用的重要精神之一。同步區必須準確，其計算方 式如圖 14 所示。 圖 14. 同步區計算圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 4.3 裁剪長度限制 在圖 13 中標示出所有曲線所允許的切長比例，所謂切長比的定義為飛刀運動路徑長度對包裝材所需的 切長的比（如圖 15 所示）。以圖 13 同步區固定 51º 的造表而言，自動造表功能允許的切長比例為 0.05~2.5，當切長比趨近最小極限 0.05，飛刀於運行時，會產生很急遽的加減速，這樣的結果，很容易 到逹產能的極限（即飛刀軸運轉的極限），因此，在機械設計時，應盡量避免使機器運轉在極端條件。 飛刀運動路 徑長度ℓ 飛刀運動路 徑長度ℓ = ℓ/ L 圖 15. 切長比定義圖 當所需裁剪的長度大於切長比的 2.5 倍時，只需一點小小的設定技巧，使用週期性前置等待參數 P5-92， 即可讓裁刀適度的休息，可以輕易地突破切長比的造表限制（如圖 16 所示）。 圖 16. 利用前置量增長裁切長度圖 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 4.4 裁剪速度補償 裁剪的時候，某些特定的要求會希望裁刀的速度高於送料的速度或低於送料的速度，當裁刀速度低於同 步區速度時，會造成堆包（包材堆擠） ，若裁刀速度高於同步區速度，則會造成拉包，在 ASDA-A2 伺服 系統上可以非常容易透過速度補償形成上述的效果（如圖 17 所示）。 圖 17. 同步速度補償圖 五、結論 台達電子 ASDA-A2 系列伺服系統為包裝業提供了創新的伺服使用方式，內含運動命令的伺服系統將會 讓機械運轉地更快與更平順，大大地提昇包裝機的性能並降低設計與開發的成本，尤其在飛剪的自動對 標補償，更是一大利器，其它的功能與靈活性，更無庸赘言，ASDA-A2 系列伺服系統將與業界的先進， 共同開創包裝界的新藍海。 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT