追剪与飞剪的王者之道：基于西门子PLC与伺服/步进技术的同步运动控制深度剖析
一、 引言：在运动中实现精准——“剪”的哲学
在高速连续生产的舞台上，材料（如薄膜、钢材、包装袋）如流水般不息前行。如何在材料不间断运动的情况下，完成定长、精准的切割或分断？这便是追剪（Flying Cut）与飞剪（Flying Saw）技术所要解决的终极难题。这不仅是简单的定位控制，而是在两个或多个运动轴之间，建立一种动态的、实时的、高精度的同步关系。它考验的是控制系统对“时空”的预测与掌控能力，是运动控制领域皇冠上的明珠。
二、 追剪与飞剪：概念辨析与应用场景
尽管目标一致，但追剪与飞剪在机械结构和运动轨迹上存在本质区别。
- 追剪： 其剪切机构通常做往复直线运动。在一个剪切周期内，剪刀首先在同步区加速，与材料速度达到同步（相对速度为零），在同步区内完成剪切动作，然后剪刀减速、返回原点，等待下一个周期。它适用于直线型、轻质材料的切割，如包装膜、纸张、线缆等。
- 飞剪： 其剪切机构通常做旋转运动。剪刀安装在旋转的刀盘上，通过控制刀盘的转速与材料的线速度匹配，在相遇的瞬间完成剪切。飞剪更适用于重型、连续型材料的定尺剪切，如钢材、管材、橡胶等。其运动更为连续，效率通常更高。
无论是追剪还是飞剪，其核心技术都是主从同步，即剪切轴（从轴）的位置和速度，必须严格跟随送料轴（主轴）的位置和速度，并按照预定的“同步区”关系进行运动。
三、 系统的灵魂：电子凸轮表
机械时代的追剪/飞剪依靠精密的机械凸轮来实现同步，而现代自动化则用“电子凸轮”取而代之。电子凸轮本质上是一个定义了从轴位置与主轴位置之间函数关系 Y = f(X) 的数据表。
- 主轴（X）： 通常是送料编码器反馈的实际位置值，它代表了材料移动的“绝对里程”。
- 从轴（Y）： 是剪切轴（步进或伺服电机）需要到达的命令位置。
- 凸轮曲线设计： 一条典型的追剪凸轮曲线包含以下几个阶段：
- 同步区： 这是曲线的核心部分。在此区域内，从轴与主轴保持严格的1：1比例关系，即
ΔY = ΔX。这意味着剪刀与材料之间没有相对运动，是实现无应力剪切的前提。同步区的长度必须大于或等于剪切动作所需的理论长度。
- 加速区： 剪刀从静止或低速状态，以平滑的加速度（如S曲线）追赶至同步速度，并进入同步区起点。
- 减速与返回区： 剪切动作完成后，剪刀以平滑的减速度离开同步区，并快速返回至周期的起始点，准备下一次剪切。
在西门子TIA Portal中，我们可以通过“CAM”编辑器，以图形化或表格的方式，轻松地设计、编辑和优化这条凸轮曲线。曲线的质量直接决定了剪切的效果、设备的振动与寿命。
四、 实现路径：西门子PLC的高级运动控制功能
要实现电子凸轮，必须使用具备高速技术工艺功能PLC，如西门子的S7-1500T（Technology）或S7-1500TF（Technology Fail-safe）系列。它们集成了硬件级的凸轮盘、齿轮同步等专业功能。
其实现流程如下：
- 硬件组态与工艺对象创建： 在TIA Portal中，配置S7-1500T PLC、伺服/步进驱动器（通过PROFINET与PROFIdrive协议或脉冲方向接口）、以及测量实际送料位置的主编码器。随后，为送料轴和剪切轴分别创建“速度轴”和“定位轴”工艺对象。
- 凸轮表配置与激活： 在“CAM”工艺对象中，导入或绘制设计好的凸轮曲线。使用
MC_CamIn指令块，将剪切轴“挂接”到凸轮盘上，并指定送料轴为主轴。一旦MC_CamIn被执行，从轴便会立即开始跟随凸轮曲线运动。
- 同步的启动与剪切触发： 追剪/飞剪的核心难点在于，必须在每一次剪切周期中，在正确的相位启动同步。这通常通过检测主轴的绝对位置来实现。我们可以在PLC程序中设定一个“剪切触发位置”。当主编码器反馈值到达此位置时，立即执行
MC_CamIn指令。由于电子凸轮的相位是可以设置的，可以确保每次启动时，剪刀都能准确地在同步区的起点与材料相遇。
- 定长剪切逻辑： 剪切长度由主轴的位置决定。我们可以设置一个计数器，每当主轴移动过一个“定长”距离，就更新一次“剪切触发位置”（新触发位置 = 旧触发位置 + 定长），从而实现连续的定长剪切。
- 动态补偿与自适应控制： 在高速应用中，机械传动间隙、材料打滑等因素会导致剪切误差的累积。高级系统会引入第二个测量编码器，直接检测材料的实际位置（而非送料辊的位置），作为真正的主轴反馈，实现全闭环控制。此外，系统还可以根据实时误差，动态微调凸轮曲线的相位或偏置，实现自适应补偿。
五、 步进电机在追剪系统中的应用与局限
步进电机以其成本低、控制简单、在低速下转矩大的特点，在某些中低速、负载不大的追剪应用中有一席之地。
- 优势： 开环控制，系统构成简单，无需昂贵的编码器反馈，成本极具竞争力。在速度不高的同步区内，可以提供稳定的保持转矩。
- 挑战与局限：
- 速度与转矩： 追剪要求电机在加速区能快速提升至高速，而步进电机的转矩随转速升高而急剧下降的特性，限制了其最高同步速度。
- 丢步风险： 这是开环系统的固有风险。在加速过快、负载突变或共振点时，步进电机可能发生丢步，且控制系统无法自知，导致剪切位置完全错误，必须通过寻找参考点来复位。
- 振动与噪音： 即使在细分驱动下，步进电机在高速运行时的振动和噪音也通常大于伺服电机。
因此，在追求高速、高精度、高可靠性的场合，伺服电机是无可争议的选择。伺服系统的闭环控制保证了永不丢步（在转矩范围内），其过载能力强，动态响应极快，能轻松实现高速高精度的追剪/飞剪工艺。
六、 HMI在追剪系统中的高级功能
对于如此复杂的工艺，HMI的作用远超常规设备。
- 凸轮曲线可视化与在线微调： 高级HMI可以实时显示当前运行的凸轮曲线，并允许工程师在不停机的情况下，对同步区的长度、加速度等参数进行微调，以优化剪切效果。
- 剪切精度统计过程控制： HMI可以连接数据库，记录每一个剪切工件的长度，并生成X-R控制图，实时监控生产质量，实现预测性维护。
- 配方管理： 对于生产不同长度、不同材料的产品，可以在HMI上建立配方系统，一键切换不同的凸轮曲线、速度参数和定长设置，极大提升设备柔性。
七、 结论
追剪与飞剪技术，将西门子PLC的强大运算能力、伺服/步进电机的精准执行能力与电子凸轮的柔性曲线规划能力融为一体，实现了运动控制领域的最高成就之一。从机械凸轮到电子凸轮的演进，不仅是技术的升级，更是控制理念的飞跃——它将固定的机械关系，转化为可随时定义、优化和切换的软件算法。深入掌握这套系统，要求工程师不仅懂编程，更要理解运动学、机械动力学与工艺需求的深度融合。在TIA Portal这一统一工程框架下，从前端HMI的配方管理，到后端PLC的MC_CamIn指令执行，再到驱动器的电流环控制，形成了一个无缝的、高性能的解决方案，赋能现代工业持续向更高效、更柔性、更智能的方向迈进。
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