1. 飞剪与追剪工艺概述
在工业自动化生产线中，飞剪(Flying Cut)和追剪(Following Cut)是两种常见的动态剪切工艺。它们的主要区别在于：
- 飞剪工艺：刀具在物料连续运动过程中完成剪切，剪切后刀具快速返回起始位置
- 追剪工艺：刀具与物料保持同步运动，在运动过程中完成剪切，无需返回起始位置
这两种工艺广泛应用于包装、印刷、金属加工等行业，能够显著提高生产效率。以包装行业为例，传统静态剪切需要物料停止才能切割，而飞剪/追剪工艺可以在物料运动状态下实现精确剪切，生产效率可提升30-50%。
2. 系统架构设计
2.1 硬件组成
本系统采用西门子S7-200 SMART PLC作为控制核心，搭配Smart 700 IE V3触摸屏实现人机交互。硬件架构如下：
code复制物料输送系统 → 光电传感器 → PLC → 伺服驱动器 → 伺服电机 → 剪切机构
↑
触摸屏监控界面
关键硬件选型考虑：
- PLC选择：S7-200 SMART系列具有高速脉冲输出(100kHz)，满足飞剪工艺对实时性的要求
- 伺服系统：支持任意品牌伺服，但需确保：
- 位置控制模式
- 支持电子齿轮比功能
- 响应频率≥500Hz
- 传感器：选用欧姆龙E3Z系列光电传感器，检测距离可调(10-300mm)，响应时间<1ms
2.2 电气图纸设计要点
CAD电气图纸应包含以下核心内容：
- 主电路图：包括断路器、接触器、伺服驱动器等
- 控制电路图：PLC I/O分配、传感器接线
- 安全回路：急停按钮、安全继电器等
- 关键标注：
- 伺服电机动力线规格（如2.5mm²屏蔽线）
- 编码器线缆类型（双绞屏蔽线）
- PLC输入滤波时间设置（通常设为5ms）
注意：伺服电机动力线与信号线必须分开走线，避免干扰。建议间距保持10cm以上。
3. PLC程序实现
3.1 运动控制算法
飞剪工艺的核心是建立"位置-速度"同步关系，数学表达式为：
code复制刀具位置 = 物料位置 × 传动比 + 相位补偿
在S7-200 SMART中通过高速计数器(HSC)和脉冲输出(PTO)实现：
ladder复制// 网络1：HSC初始化
LD SM0.1
MOVB 16#F8, SMB37 // 配置HSC0：AB相4倍频，复位输入有效
HDEF 0, 0 // 模式0：正交计数
MOVD 0, SMD38 // 当前值清零
HSC 0 // 启动HSC0
// 网络2：电子齿轮计算
LD M0.0 // 同步使能
EU
MOVD HC0, VD100 // 读取物料位置
MUL VD100, VD104 // VD104存储传动比
ADD VD108, VD112 // VD108存储相位补偿
MOVD VD112, VD116 // 目标位置
3.2 关键功能块实现
3.2.1 速度前瞻算法
为避免加减速过程中的位置误差，需实现速度前瞻：
ladder复制// 网络3：速度计算
LD SM0.0
MOVW VW200, VW202 // 上次位置
SUB HC0, VW200 // 当前脉冲差
MOVW VW200, VW202 // 更新位置
DIV VW204, VW206 // VW204=时间间隔(ms)，VW206=瞬时速度
3.2.2 剪切触发逻辑
采用位置窗口比较法触发剪切：
ladder复制// 网络4：剪切触发
LDW>= HC0, VW300 // 比较当前位置与触发位置
AW< HC0, VW302 // 窗口上限
= Q0.0 // 触发剪切
实操技巧：窗口宽度通常设为编码器2-3个脉冲当量，过大会影响剪切精度，过小可能导致漏触发。
4. 触摸屏界面设计
4.1 核心画面布局
Smart 700 IE V3触摸屏程序应包含以下画面：
- 主监控画面：
- 实时速度曲线图
- 当前位置显示
- 设备状态指示灯
- 参数设置画面：
- 剪切长度设定
- 速度设定
- 补偿参数调整
- 报警画面：
- 实时报警列表
- 历史报警查询
4.2 关键变量连接
PLC与触摸屏数据交互示例：
| 触摸屏变量名 | PLC地址 | 数据类型 | 说明 |
|---|---|---|---|
| CutLength | VD200 | REAL | 剪切长度(mm) |
| ActualSpeed | VD210 | REAL | 实际速度(mm/s) |
| AlarmCode | VW220 | INT | 当前报警代码 |
ladder复制// PLC侧数据转换
LD SM0.0
ITD VW10, VD210 // 速度值转双整
DTR VD210, VD210 // 转浮点数供触摸屏显示
5. 调试与优化
5.1 伺服参数整定
不同品牌伺服关键参数设置参考：
| 参数 | 安川伺服 | 台达ASDA | 松下MINAS |
|---|---|---|---|
| 位置环增益 | PP11=35 | P1-37=30 | Pr0B=40 |
| 速度环增益 | PP12=250 | P1-30=200 | Pr10=180 |
| 加减速时间(ms) | PP13=100 | P1-55=80 | Pr02=120 |
5.2 常见问题排查
-
剪切位置不稳定：
- 检查编码器连接是否可靠
- 确认机械传动间隙（应<0.1mm）
- 调整伺服刚性参数
-
触摸屏数据显示异常：
- 确认变量地址映射正确
- 检查PLC与触摸屏通信参数（波特率、站号等）
- 验证数据类型是否匹配
-
高速运行时丢步：
- 检查伺服电机扭矩是否足够
- 优化加减速曲线
- 确认电源电压稳定（波动<±10%）
6. 工艺进阶优化
6.1 动态补偿算法
针对不同物料特性，可增加以下补偿：
- 温度补偿：根据环境温度调整机械参数
- 磨损补偿：记录刀具使用次数自动调整剪切位置
- 惯性补偿：高速运行时预判位置偏移量
ladder复制// 网络5：动态补偿
LD SM0.0
MOVR VD400, VD404 // 基础补偿
MULR VD408, VD412 // 温度系数
ADDR VD416, VD420 // 磨损补偿
MOVR VD420, VD424 // 最终补偿值
6.2 安全功能实现
必须包含的安全逻辑：
- 急停连锁：切断所有动力输出
- 安全门监控：门开立即停止
- 过载保护：电流检测与报警
ladder复制// 网络6：安全回路
LD I0.7 // 急停按钮
O I1.0 // 安全门信号
= M10.0 // 安全状态
NOT
= Q0.7 // 安全继电器
在实际项目中，我们通过增加激光测距传感器实时检测物料位置，将剪切精度从±1mm提升到±0.2mm。同时采用双伺服同步控制方案，使最高线速度达到120m/min，满足高速包装线的需求。