1 引言
本文介紹一種新的控制系統，它以“伺服驅動器”為核心，再加上單軸控制器及plc的基本功能，再為不同的應用領域加入了實用的特殊機能，最終整合成為具有新一代理念的“智能型伺服控制驅動器”。
“智能型伺服控制驅動器”的特點是具備了完整的“單軸控制器”功能;同時也還是一個“伺服驅動器”。由于控制器的部分是以功能導向為主，種類極多，不容易作全面性的介紹;在此僅以眾所熟知的定長裁切上的應用系統作為本文介紹的主題。
顧名思義，整合式“智能型伺服定長裁切控制驅動器”是一個將伺服驅動器與定長裁切控制器整合為一體的主動式、智能型馬達驅動器。
“整合”并不僅僅是單純的把兩種獨立的產品包裝在同一個機殼之內就算大功告成。整合為一體的好處有表相的、也有深層的意義。
表相的好處:
(1) 兩者可以共享系統的資源，像是外殼、電源、顯示裝置、輸入按鍵或是cpu、內存等等。
(2) 因為內存的共享，資料信息的交換是實時的、直接的;所以原先介于兩者之間的信號轉換及緩沖電路如d/a、a/d、dda、clock bbbbb、clock output、i/o等硬件接口，可以完全的被省略。
更深層的意義在于:
原先是兩個獨立的個體，控制器僅能透過有限的硬件(例如a/d，d/a，clock，serial port)來傳遞電壓速度命令(vcmd)或位置脈沖命令(pcmd)來指揮驅動器的運作。經過整合之后，因為彼此共享了cpu及內存，所以可以交換的資料信息將比以前更多、更完整。例如vcmd、pcmd、tcmd(轉矩命令)可以同時傳送，pid參數可以動態變更，可以容易執行前置目標量、實時前饋演算(real-time feed forward algorithm)等，更可以強化整個控制系統的反應性及精準度。
2 系統構成
2.1 傳統nc伺服定位系統的基本架構
圖1為“nc伺服定位系統”最原始的基本架構圖，主要構成的單元有:“nc控制器”、“位置控制器”及“伺服驅動器”。
圖1 傳統nc伺服定位系統之基本架構
三者以nc控制器為主，依時間軸決定馬達應該在何時移動至何特定位置。該命令以pcmd形式指揮位置控制器，由位置控制器檢測當時馬達的位置并經過運算，從而決定馬達必須運行的轉速及方向。該命令則以vcmd形式指揮伺服驅動器。接到vcmd之后，伺服驅動器由pg測得馬達現在的轉速及方向，也立即加以運算并送出合適的電壓、電流和頻率直接控制伺服馬達的運動。
2.2 整合的趨勢
近幾年伴隨著半導體產業的快速發展，功能更強速度更快的cpu、dsp陸續推出后;采用新組件設計的新機種，乃開始了系統整合的動作。其主要的發展趨勢可以分成兩個主流方向:
(1) 以“nc控制器”為核心，盡量涵蓋伺服驅動器的部分功能
有些設計由nc控制器的觀點來規劃新的控制系統(如圖1之短虛線方塊所描繪的范圍)，將原屬于驅動器內cpu的速度運算回路也一并納入nc控制器的范圍;再通過光纖sercos(serial real-time communications system )網絡直接指揮驅動器。這種方式的發展方向適合運用于多軸且復雜的運動曲線控制系統。
(2) 以“伺服驅動器”為核心，整合“單軸nc控制器的功能”
有許多場合僅需要單軸nc控制器加伺服驅動器即可構成完整的控制系統。乃以伺服驅動器為核心，再加入特殊nc控制器的應用功能于一體(如圖1之長虛線方塊所描繪的范圍)，設計成智能型控制+驅動器。
3 整合式智能型伺服控制驅動器的系統
圖2 整合式nc伺服控制+驅動器
整合式智能型伺服控制驅動器的系統如圖2所示。
圖2中，虛線范圍是整合式智能型伺服控制驅動器，而它的必要硬件組件，則詳列于表1。
基本要求:
(1) cpu的等級需要32位才有足夠的運算能力，達成125us的nc運算需求。
(2) 內存容量越大越可整合的功能越多。
(3) 與上位機的通信格式采用工業標準，且速率最好大于19200bps。
(4) up/down counter最少要兩組。
(5) 依系統需求配置足夠的i/o， 必須包含觸發中斷型輸入功能。
驅動器必需具備了以上的基本硬件要求才有能力在順利的控制馬達之后，進一步整合nc控制器的功能，構成所謂“智能型伺服控制驅動器”。在歐洲，有些廠牌甚至又更進一步，將soft- plc(iec-1131-3兼容)的功能整合于其最新推出的智能型控制驅動器之內。由于不同的控制驅動器功能各異，在此僅介紹專用于“定長裁切”的控制驅動器。
4 定長裁切系統的基本模式
本文敘述的各類型定長伺服控制系統，其實應用范圍并不僅局限于裁切加工;也同時適用于其它需要固定尺寸、位置的加工方式。例如食品封裝、套色印刷、沖床沖孔、管材鋸斷或是瓦愣紙、卡紙裁切和鋼板裁切等等，都可以適用。在此為了方便描述以及容易比較不同系統的差異，則統稱定長裁切系統。
從機械的角度來看，按照裁切刀座的設計方式來定義，定長裁切系統可分為三大類:
l 走停送料、靜態裁切(feed to length)
l 連續送料、往復式同步動態裁切(cut on the fly)
l 連續送料、旋轉式同步動態裁切(cut on the fly)
走停送料型的刀座是固定不動的，因此待切材料在裁切加工的那一瞬間，材料必須完全停止，故稱為靜態裁切。而連續送料型不論是往復式或旋轉式，在裁切加工的瞬間刀具與材料是同步運行的，因此稱為動態裁切，一般也泛稱“飛剪(cut on the fly)”。
4.1 走停送料、靜態裁切系統
(1) 機械基本結構
走停送料、靜態裁切系統是最普遍的裁切方式之一，因為相較于其它裁切系統而言，其機械結構最單純。如圖3所示，馬達運轉時，材料靠夾輪引出;當引出長度到達預設值時，馬達停止送料。等材料確實靜止之后，裁刀動作將材料分切成一片片大小相同的成品。
圖3 走停送料、靜態裁切的系統架構
(2) 兩段速度式走停送料
最簡易的定長控制用計數器(length counter)、或近接開關作回饋單元。觸發開始后，馬達以高速運行;接近目標時，則以低速運行直到目標到達，立即煞車停止，完成「兩段速度式」走停送料系統。這種方式需要以低速尋找目標，效率較低;煞車后又存在些微滑行(亦稱爬行)，故精確度較差。實際馬達運行速度曲線如圖4。
圖4 兩段速度走停送料系統之速度曲線
(3) 自動定長式走停送料
比較常用的是“自動定長式”走停送料系統。長度控制由內含脈沖產生器的plc(programmable logic controller)指揮伺服驅動器;或直接采用pds-ap“可規劃智能型控制驅動器(programmable drive system-auto bbbbbbbb mode)”直接控制馬達的運行速度曲線，如圖5。觸發開始后，系統直接以預設的加減速率、最高速度、s曲線以及目標長度為基本參數，計算出最佳化的運轉速度曲線，直接驅動伺服馬達自動運轉至定位。因為不需要低速滑行區，因此速度較快。
圖5 nc定位控制走停送料系統之速度曲線
(4)走停式定長送料系統的基本缺陷
a) 無法裁切連續進料的成品
需要連續裁切時(如圖3所示)，在送料夾輪的前段，一定存在著loop緩沖區，一方面增加機器的體積;另一方面，也無法處理由前段生產線連續產出的硬質材料，例如硬管軟管異形材的押出機生產線、斜紋紙管生產線、無縫鋼管生產線、…等等，管材是連續不間斷地生產出來的，根本無法采用停止后靜態裁切的方式。
b) 容易損傷材料
如塑料袋材料很薄時，快速送料將導致材料拉伸變形;如鏡面鋼板表面很精致時，夾輪的加減速將會對成品造成刮痕。
c) 送料速率的極限
如圖6所示，針對相同的長度，當送料速率要提升一倍時，則馬達需要4倍的扭力。
圖6 馬達扭力需求與送料速度的關系
5 連續送料、往復式同步動態裁切
(1) 機械基本架構
在一條連續性生產線的末端，成品是連續不斷的生產出來的。如果生產的成品是軟性的材質(如電線、塑料薄膜)，則采用卷繞方式將成品連續卷取收料即可。但是，如果生產的成品是硬性的材質(例如pvc硬管押出機)時，就必須將連續送來的材料，立刻裁切成一段段固定長度的成品。這時，便需要應用“往復式同步動態裁切”的技術，或者稱之為“往復式飛剪(reciprocal fly shear)”。因為在裁切的過程中(大約0.1~1秒)，如果硬質材料與刀具之間有相互的位置變動，將會對刀具造成傷害;同時也勢必影響成品的質量。
采用如圖7所示的“往復式飛剪”機械結構，便是解決這種問題的最佳方案。本機械結構的裁切刀具并不是安置于固定點，而是安裝于可以移動的“切臺”上。透過導螺桿，“切臺”的位置由伺服馬達帶動;因此，在整個裁切的過程中，控制器可以隨時控制切臺的移動速度與位置，讓刀具與材料的相對位置永遠維持固定。運用這種方式才能確保每一個成品的定長精度及切口平整度，同時還能延長刀具的使用壽命。
圖7 往復式同步動態裁切的系統架構
(2) 往復式飛剪系統的基本組成單元及其功能
a)往復式飛剪專用控制驅動系統(pds-fs) (programmable drive system-fly saw mode):
接受plc及hmi輸入的運轉命令及長度設定;
檢測測量輪編碼器傳回的脈波，以獲得進料速度及進料長度;
控制伺服馬達的運轉速度及同步定位動作;
激活切刀(鋸片)加工裝置。
b) hmi(human machine interface):(人機接口)
接受設定資料及顯示運轉狀態
c) plc:(可編程程序控制器)
處理基本的接口、互鎖、連動信號
d) servo motor:(無刷伺服馬達或感應伺服馬達)
帶動導螺桿的正逆轉動或停止
e) ball-screw:(導螺桿或齒排)
帶動切臺往復運動及停止
f) carriage with cutting mechanism:(鋸臺或切臺)
包含切刀(鋸片)加工裝置之移動基臺
g) measure roll with encoder:(附編碼器的測量輪)
直接緊密的接觸待切材料，靠材料的橫移而帶動編碼器產生脈沖信號
(3) 運行速度曲線(如圖8所示)。
(4) 切臺移動速度與加工動作的時序說明
圖8 往復式同步動態裁切系統的速度曲線
圖8中，上下起伏的實線，清楚的表示出整個裁切循環過程中，切臺運行的速度曲線;而平直的虛線則代表穩定的進料速度。整個循環分成五個不同的狀態，分析如下:
a) 待機狀態(standby)
在一個循環開始時，若送料總長度尚未達到指定裁切長度，即屬于待機狀態。pds-fs隨時檢測輸入材料的長度及當時送料速度。采取前置量檢測法，若長度到達前置量，則立刻指揮伺服馬達激活，進入加速狀態。
b) 加速狀態(frampup)
送料持續進行，pds-fs在檢測輸入材料的長度及當時送料速度的同時，并指揮伺服馬達依照s曲線加速至與進料速度同步;務求在進入同步速度的瞬間，裁刀與材料的動態相對位置已經整定完成。接著便進入同步狀態。
c) 同步狀態(synczone)
一旦進入同步狀態，pds-fs立刻送出同步信號(sync)給裁刀控制機構，要求執行切斷動作。同時，pds-fs 依然持續偵測進料長度及進料速度，隨時保持切刀與材料之間的動態相對位置永遠不變;如此才能確保裁切斷面的平整。當裁切完成之后，切刀自動退出，并發出裁切完成信號(cut-end)。pds-fs接收到本信號，則不再繼續維持同步，立刻進入減速狀態。
d) 減速狀態(frampdown)
pds-fs指揮馬達依照s曲線減速直到完全停止。同時，仍然持續偵測并累計進料長度。一旦馬達完全停止，pds-fs立刻將切臺現在的位置記錄為本次裁切的最遠行程。接著立刻進入回車狀態。
e) 回車狀態(returnhome)
回車狀態其實可以看成是“nc走停式定長送料”的標準動作程序，茲不贅述。回車過程中，pds-fs仍持續偵測并累計進料長度。回車完成之后系統自動進入待機狀態，等待下一循環的開始。
(5) 適用場合
l化妝品或牙膏軟管押出機后段的離心刀定長裁切機;
l高頻焊管生產線后段的定長鋸切機;
l斜紋螺旋紙管生產線后段的定長裁切機;
lpvc管或異型材擠出機生產線后段的定長鋸切機;
l鋼板定長橫剪機。
6 連續送料、旋轉式同步動態裁切
(1) 機械基本架構
圖9為旋轉式同步動態裁切(飛剪)機的簡單圖示。注意上下兩組裁切刀輪同時被伺服馬達帶動，各依箭頭所示方向相對旋轉。刀輪的上方的刀刃必須作精密的調整，當上刀輪的刀刃旋轉至正下方時，下刀刃恰好轉至正上方;如此，才能執行正確的裁切。每次裁切刀輪旋轉一圈，便自動將材料切斷一次;馬達只要在相同方向連續運轉，刀輪便能連續裁切。因此，裁切效率比「往復式」為佳。
圖9 旋轉式同步動態裁切的系統架構
(2) 旋轉式飛剪系統的基本組成單元及其功能
a) 旋轉式同步飛剪控制驅動系統:(pds-rc)
(programmable drive system-rotary cut mode)
接受plc及hmi輸入的運轉命令及長度設定;
檢測輪編碼器傳回的脈波，得知進料速度及進料長度;
控制伺服馬達的運轉速度及同步定位動作。
b) hmi(human machine interface):(人機接口)
接受設定資料及顯示運轉狀態
c) plc:(過程控制器)
處理基本的接口、互鎖、連動信號。
d) rotary knife:
裁切刀輪，上下鏡射、各帶刀刃的一組回轉機構。
e) servo motor:(無刷伺服馬達或感應伺服馬達)
帶動裁切刀輪的主動力。
f) gear assembly:(齒輪組合)
將馬達動力傳送至上下裁切刀輪。
g) measure roll with encoder:(附編碼器的檢測輪)
直接緊密的接觸待切材料，靠材料的橫移而帶動編碼器產生脈沖信號
(3) 旋轉式飛剪機之動作說明
圖10、11、12，為旋轉式飛剪機的三種標準運行曲線。在進一步說明之前，必須先熟習下列重要名詞:
·裁切刀輪(rotary knife):上下鏡射、各帶刀刃的一組回轉機構，用來執行裁切加工動作。
·裁切點(cut point):當裁切刀輪旋轉至上下兩組刀刃恰好相切時，定義這一點為裁切點。
·裁切點檢測裝置(cut point sensor)及裁切點信號(cut point signal):裁切點檢測裝置(高速型)安裝于裁切刀輪適當之處，用來檢測裁切刀輪是否經過裁切點。每次裁切刀輪經過裁切點的瞬間，立刻產生一個觸發信號，稱為裁切點信號(cut point signal)。
· 裁刀圓周長(circumference of rotary knife):計算裁切刀輪的圓周長是以刀刃切合點到圓心的距離當成半徑，旋轉一周所得的圓周長度，屬于機械特性參數。(單位:meter)。
· 裁刀速度(linear speed of rotary knife):裁刀的刀刃的等效線速度。(單位:meter/min)。
·裁刀方位角(angle of rotary knife):裁刀的刀刃所對應的方位角度，范圍從0°到360°。裁刀方位角在裁切點時，定義為180°。
·進料速度(in-feed speed):
·待裁切材料的進料線速度，(單位:meter/min)。
·進料長度(in-feed length):累計進料的長度，(單位:m)。
·裁切長度(cut length):每次裁切所要的成品長度，(單位:m)。
·同步區域(synchronous zone):以裁切點為中心(裁刀方位角=180°)，擴及其前后一定范圍之內稱為同步區域。在同步區域內裁刀速度與進料速度必須保持完全同步。同步區域的范圍大小在設計刀刃形狀時已經決定，屬于機械特性參數。
·同步角度(synchronous zone expressed in angle)，以角度為單位衡量同步區域，(單位:°)。
· 同步長度(synchronous zone expressed in length):以等效線性長度衡量同步區域,(單位:m)。
·切長圓周比(ratio between cut length and circumference):裁切長度與裁刀圓周長之比率。
·超速比(ratio between peak rotary speed and in-feed speed):在同一次裁切循環當中，裁刀速度的最大值與進料速度的比率。
·裁切循環(cut cycle):兩個裁切點之間為一次完整的裁切循環。
(4) 運行速度曲線之說明
在一次完整的裁切循環的內，裁刀速度曲線下方的面積等于裁刀圓周長;進料速度曲線下方的面積等于裁切長度。因此
切長圓周比是旋轉裁切動作時，重要的參考指針。為了討論方便，一般都先假設同步區域不大，可忽略之;于是便根據切長圓周比的大小，決定運行速度曲線的基本型態:
·圖10:切長圓周比大于或等于2
· 圖11:切長圓周比小于2，大于1
· 圖12:切長圓周比小于1
如果切長圓周比恰好等于1則是特例;圖形將介于圖11與圖12之間。此時，裁刀速度與進料速度在整個裁切循環之內完全相同;因此刀輪旋轉一圈所得到的裁切長度當然等于裁刀圓周長。
圖10 旋轉式飛剪系統的速度曲線，切長圓周比>2
如果切長圓周比大于或等于2，運行速度曲線如圖10所示;整個裁切循環從第一個裁切點開始到第二個裁切點結束，重點分段說明如下:
·pds-rc控制系統隨時監控進料長度與進料速度并控制伺服馬達帶動裁切刀輪，掌握正確的裁刀速度曲線。
· 從第一個裁切點開始(裁刀方位角等于180°)，當時仍然在同步區域內，因此裁刀速度必須與進料速度維持同步運轉。
·當裁切刀輪離開同步區域后，裁刀速度曲線經過控制系統精確的計算、控制，在降低到零速的同時，裁刀方位角也必須剛好等于0°。
·當進料長度累計到適當長度時，裁切刀輪開始朝進料速度目標加速;而且裁刀速度曲線經過控制系統精確的計算、控制，務求在裁刀速度上升到與進料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進入同步區域。
·進入同步區域之后，裁刀速度必須隨時與進料速度維持同步運轉，直到第二個裁切點出現，乃完成一次裁切循環。
· 切長圓周比可以趨近無限大。當切長圓周比越大時，圖10唯一的變化僅有零速區域(zero speed zone)延長而已。
圖11 旋轉式飛剪系統的速度曲線，2>切長圓周比>1
如果切長圓周比小于2且大于1，則運行速度曲線如圖11所示。基本運行速度曲線類似圖10。差異如下:
· 在整個裁切循環中，當裁切刀輪離開同步區域后，裁刀速度雖然也會下降，但不會降速至零速停止，不存在零速區域。
· 經過pds-rc控制系統精確的計算、控制，在裁刀速度降低到一定值之后，立刻開始再加速;務求在裁刀速度上升到與進料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進入同步區域;并維持同步直到第二個裁切點出現，即完成一次裁切循環。
· 切長圓周比越趨近1，則速度下降越少;當切長圓周比等于1時，裁刀速度在整個裁切循環中都維持與進料速度完全同步。
如果切長圓周比小于1，則運行速度曲線如圖12所示;基本運行速度曲線類似圖11。差異如下:
·在整個裁切循環中，當裁切刀輪離開同步區域后，裁刀速度不降速，反而開始加速。
· 經過pds-rc控制系統精確的計算、控制，在裁刀速度上升到一定值之后，立刻開始減速;務求在裁刀速度下降到與進料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進入同步區域;并維持同步直到第二個裁切點出現，即完成一次裁切循環。
·切長圓周比越趨近0，則裁刀速度上升越高;超速比也越大。但是超速比如果太大，將造成馬達劇烈的加減速。
由于裁刀速度的最大值受所選定馬達的最高轉速的限制;因此超速比的限制將導致進料速度無法提高，影響機器的產能。故降低超速比是一般短尺寸裁切機必須解決的重要課題。如圖13表示，裁刀如果采用多刀的設計，相等于降低等效裁刀圓周長，而不需改變裁刀的實際半徑。故前述的計算公式可以改為:
圖13 多刀設計，有效降低裁刀圓周長可改善超速比
當一只切刀變成四只切刀時，等效裁刀圓周長將減少成原來的1/4，切長圓周比也可以增加4倍。至于幾只刀具為最佳值，則由機械設計者評估裁刀半徑的合理化及可能裁切長度的范圍等因素決定之;其最終目的是讓機臺在運轉時，切長圓周比越接近1越好。從圖11、圖12可以明顯的看出，切長圓周比越接近1時，馬達就不需要做劇烈的加減速動作。
(5) 適用場合
臥式包裝機、立式包裝機
電線定長裁剪機
卡紙、瓦楞紙定長裁切機
7 結語
隨著我國正式進入wto，機械制造業的壓力也不小。為了提升競爭力，大家唯有不斷地研發改進產品的性能，才能繼續開拓市場。在國內，前述三種定長裁切機械之中，走停式控制系統已經開始普遍進行改造，運用自動定長走停式控制系統逐步取代了傳統的兩段速度式控制系統。
因為飛剪控制系統的困難度較高，所以往復式裁切機至今仍多數采用油壓系統切臺;旋轉式裁切機也大多采用凸輪耦合切刀。因此，其裁切追蹤的同步性、操控性及裁切精確度都有待進一步提升。
智能型定長控制驅動器的出現，立刻簡化了飛剪控制系統的設計難度也降低了制造成本。原先令業者裹足不前的障礙消失之后，現在大家都有了與歐美日競爭的基礎。相信不多久，不論往復式或旋轉式裁切機，都會在國內業者共同努力之下，逐漸演變成高性能的電控式飛剪機。
參考文獻
[1] 正頻企業股份有限公司 pds-伺服驅動使用說明書。
[2] 正頻企業股份有限公司 pds-fs自動追剪控制驅動技術手冊fly shear/fly saw(v9.10~,pds-sp12)。
[3] 正頻企業股份有限公司 pds-rc自動輪切控制驅動技術手冊rotary cut(v9.30~,pds-sp9)。
作者簡介
周慶瑜(1954-) 1976年畢業于臺灣大學電機工程學系，1980年畢業于臺灣大學電機工程研究所，現在正頻企業股份有限公司(臺灣)研究發展部工作，從事有關馬達及控制領域研究。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
