隨著現(xiàn)代工業(yè)逐步地向工業(yè)4.0時代邁進，對自動化設備的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)由于其一些弊端，逐漸難以滿足客戶的需求，為了克服傳統(tǒng)的脈沖型伺服帶來的各種弊端，市面上很多伺服廠家正在積極研發(fā)現(xiàn)場總線型伺服驅動器。目前市面上零零總總已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種較成熟的現(xiàn)場總線技術，其中EtherCAT現(xiàn)場總線以其優(yōu)異的性能，開放式的通訊協(xié)議得到了世界上絕大部分伺服廠家的青睞。本文將以“EtherCAT現(xiàn)場總線技術在膠帶高速分條機上的應用案例”來簡單說明EtherCAT現(xiàn)場總線技術的發(fā)展現(xiàn)狀以及在實際現(xiàn)場中的應用經(jīng)驗。

關鍵詞：偉創(chuàng)總線型伺服、EtherCAT、超高速分條機

1.EtherCAT簡介及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.EtherCAT現(xiàn)場總線的優(yōu)點

通訊速度快：相比其他現(xiàn)場總線，EtherCAT現(xiàn)場總線采用以太網(wǎng)傳輸技術，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣壬嫌酗@著地提升，達到了100Mbps的通訊速率，而且采用的是全雙工傳輸方式，使數(shù)據(jù)傳輸效率得到了進一步提高。

支持的拓撲結構類型多：EtherCAT總線支持星型，總線型，樹型等大多數(shù)總線拓撲結構，在布線上具有更大的靈活性，而且支持地址自動分配，無需設置IP地址。

分布式時鐘功能：分布式時鐘功能使得兩個伺服軸間同步時間誤差不超過1微秒，在伺服軸同步控制上起到了至關重要的作用。

安全性高：由于使用了TwinSAFE安全技術，現(xiàn)在可以使用EtherCAT安全協(xié)議，在同一網(wǎng)絡上進行安全相關通訊和控制通訊，這樣使得EtherCAT總線安全性可達到安全集成級別SIL3，在采取相關措施后甚至可達到SIL4。

1.2EtherCAT現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀

EtherCAT現(xiàn)場總線自從推出以來在世界上已經(jīng)得到了非常廣泛的應用，去年年底倍福公司進一步推出第二代EtherCAT現(xiàn)場總線技術-EtherCATG。EtherCATG采用千兆以太網(wǎng)通訊技術，將EtherCAT性能提升到了一個全新的高度。EtherCATG不僅完全兼容上一代百兆EtherCAT技術，這使得客戶在不修改主站參數(shù)的前提下進行可靠地通訊，而且也具有同樣簡單易用的優(yōu)勢。此外，EtherCATG的分支控制器模式可以并行實現(xiàn)多個子網(wǎng)段的高效運行。在倍福公司推出EtherCATG千兆級EtherCAT的時候，同時也提出了萬兆級別EtherCAT10G的設計構想，萬兆級別的EtherCAT10G具有更高的通訊速率（100Gbit/s），因此支持高密度數(shù)據(jù)密集型應用。

2.EtherCAT現(xiàn)場總線在超高速膠帶分條機上的應用

2.1膠帶的生產(chǎn)過程

封箱膠帶不僅在我們日常生活中是必不可少的日用品，在工業(yè)生產(chǎn)中也具有十分廣泛的用途，特別是在物流，包裝等行業(yè)使用量十分巨大。膠帶的制作從原材料到成品膠帶要經(jīng)過以下數(shù)十道復雜的工序：

封箱膠帶生產(chǎn)工藝流程圖

（1）添加原料：在膠帶生產(chǎn)工藝流程當中首先要做的就是添加膠帶原材料，比如：丙烯酸。

（2）乳化槽：然后將丙烯酸這種膠帶原材料添加到乳化槽進行乳化。

（3）反應鍋：丙烯酸加入到乳化槽里面進行乳化后，再將其放到反應鍋里面進行加熱。

（4）膠水：通過以上膠帶生產(chǎn)工藝步驟后生產(chǎn)出膠水成品。

（5）涂布機：將剛制成的膠水放在薄膜進行上膠。

（6）半成品：通過這些膠帶生產(chǎn)工藝就制成的膠帶半成品—母卷。

（7）切管機：將剛剛制成的膠帶母卷采用切管機進行切管工序。

（8）分條機：膠帶母卷切管成功后采用分條機進行分條的膠帶生產(chǎn)工藝。

（9）紙箱：膠帶母卷經(jīng)過切管、分條后就成了市場上人們看到的膠帶，現(xiàn)在即可進行紙箱包裝。

（10）膠帶：將包裝好的膠帶放置倉庫，這就是最后一道膠帶生產(chǎn)工藝，這時才能將其稱為膠帶成品。

2.2高速分條機的硬件部分設計

膠帶生產(chǎn)流程最后一步是利用分條機將生產(chǎn)的母卷膠帶分割成成品膠帶，本文案例中設計的高速分條機就是完成此步驟的自動化設備。整個控制系統(tǒng)可大概分為三部分進行單獨設計，分別為：（1）機械手同步插補運動部分；（2）變頻器張力控制部分；（3）貼標電子凸輪運動部分。

機械手同步插補運動部分

系統(tǒng)中加入了機械手自動上下料系統(tǒng)，機械手部分是由兩個關節(jié)式機械手組成，通過四臺偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服來驅動機械的關節(jié)運動，此部分控制的重難點是在運動過程中必須保證左右機械手運動的同步性，同步時間誤差不得超過2微秒，而且單個機械手的兩個關節(jié)的運動還必須有插補算法的參與，所以在保證插補軌跡的前提下還要保證兩軸間的同步性就顯得十分困難。偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服驅動器采用分布式時鐘同步原理來進行位置環(huán)的控制，時間同步周期最短達到125微秒，兩軸間的位置同步誤差在1微秒左右，所以性能上完全能夠滿足工藝需求。

2）變頻器張力控制部分

系統(tǒng)中張力控制部分是系統(tǒng)設計的第二大難點，由于在分條機運行過程中需要不斷地啟停，而張力的波動往往就發(fā)生在啟停階段，所以系統(tǒng)對于張力控制的要求十分嚴格，偉創(chuàng)AC200-T張力控制專用變頻器是專門為了張力控制嚴格的場所而設計的，即使在頻繁啟停的場所下對于張力控制的精度也能保證在1.5%波動范圍內，而且還提供張力錐度控制，使得加工的產(chǎn)品更完美。

貼標電子凸輪運動部分

系統(tǒng)的貼標部分需要用到電子凸輪功能，偉創(chuàng)SD700EtherCAT總線型伺服驅動器采用分布式時鐘同步算法，使得從軸跟隨性更強。在貼標過程中能夠完美的與主軸進行連動完成貼標動作。

機械手位置控制部分算法簡介

整個系統(tǒng)中較為復雜的部分是機械手部分，由于機械手部分的設計并非采取傳統(tǒng)的XYZ直角坐標機械手設計，而是采取雙關節(jié)式機械手設計，所以對于機械手末端位置的坐標需要利用正反解算法來確定，由于整個系統(tǒng)程序過于龐大，所以在這里筆者只分享下雙關節(jié)機械手的正解算法以及怎樣控制機械手以插補運動的方式運行到指定位置。

由（θ，α）

確定（X，Y）的關系式：

由：

以下為機械手控制的部分算法程序：

3.現(xiàn)場照片

4.結束語

偉創(chuàng)電氣一直致力于研發(fā)更具優(yōu)勢的總線型伺服驅動器，目前已經(jīng)成功研發(fā)包括CANopen，EtherCAT，M-II等多種高性能的總線型伺服驅動器，并且已經(jīng)在市場上得到了大量的實際應用，經(jīng)過實踐的檢驗，偉創(chuàng)總線型伺服驅動器無論是在性能還是在穩(wěn)定性方面都已經(jīng)達到了一個新的高度。