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中達電通股份有限公司 解 剛
摘 要：本文主要介紹高速牙刷植毛機的性能需求，以及臺達ASDA-B系列伺服在此設(shè)備上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：植毛機 伺服 臺達 共振抑制 變頻器
1 引言
現(xiàn)代社會牙齒已成為健康美麗的標(biāo)志，牙刷的需求也在逐漸增加。目前，全球牙刷年需求量已經(jīng)超過90億支，并以每年10%的速度遞增。中國人口眾多，牙刷做為現(xiàn)代生活必需品需求相當(dāng)?shù)拇�。牙刷雖小卻是一個消費巨大市場成熟的大商品，并且伴隨著生活質(zhì)量的提高，對于牙刷的質(zhì)量同樣提高，優(yōu)質(zhì)的保健牙刷設(shè)備的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量需求促進了高速牙刷植毛機的設(shè)備開發(fā)。
江蘇揚州的中國牙刷城――杭集工業(yè)園的牙刷產(chǎn)量占中國牙刷產(chǎn)量的80%，年產(chǎn)量達30億支。牙刷設(shè)備的生產(chǎn)廠家過去大都用相同品牌的單片機控制系統(tǒng)和伺服電機電控系統(tǒng)，其中伺服系統(tǒng)大多選用日本進口產(chǎn)品。近年臺達伺服產(chǎn)品憑借優(yōu)異的性能和具有競爭力的價格優(yōu)勢，在高速牙刷植毛機行業(yè)份額逐年遞增。
2 牙刷植毛機原理簡述
高速牙刷植毛機傳動結(jié)構(gòu)由主驅(qū)動軸和四個伺服驅(qū)動軸系統(tǒng)組成。四個伺服軸分別為水平X軸，垂直Y軸，翻板Z軸和換毛U軸。XY兩軸坐標(biāo)決定牙刷孔的位置，Z軸起更換至下一個牙刷的作用，U軸起到換牙刷毛色的作用。當(dāng)主軸電機運轉(zhuǎn)，四個電控伺服軸隨動運轉(zhuǎn)，主軸停則其余四軸隨動停止。主軸的轉(zhuǎn)速決定植毛的速度，四個伺服軸響應(yīng)要求協(xié)調(diào)驅(qū)動，否則會出現(xiàn)脫毛或者毛不齊的現(xiàn)象。應(yīng)用臺達電通公司的高精度的電氣伺服控制可以做到 1000次/分鐘植毛速度，而且可以做到跳孔植毛，如圖1所示。
圖1 高速牙刷植毛機
2中達伺服解決方案
2.1 方案規(guī)劃
目前植毛機電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為單片機控制系統(tǒng)或CNC數(shù)控系統(tǒng)。其中單片機控制系統(tǒng)以自動化系統(tǒng)制造商集成配套服務(wù)為主，牙刷設(shè)備制造商家自主研發(fā)為輔。性能性能更見優(yōu)越的CNC數(shù)控系統(tǒng)多為臺達的PUTNC-H2P和歐日等進口品牌。
CNC數(shù)控主要是控制軸脈沖命令信號實現(xiàn)伺服驅(qū)動，通常是四軸控制輸出實現(xiàn)，臺達的CNC只需兩軸輸出即可實現(xiàn)，另外兩軸中達的伺服可以獨立完成，牙刷植毛機要求系統(tǒng)可以實現(xiàn)兩軸插補運算即可。四套伺服驅(qū)動器型號是中達的B系列ASDA-B交流伺服系統(tǒng)，功率400W,驅(qū)動器具有多種功能控制。主軸電機變頻器型號是中達的VFD-S，功率大小為400W。
2.2 調(diào)試要點
伺服解決方案的開發(fā)難點是機電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，其中主要是伺服增益的調(diào)整。四個伺服軸中X軸與Y軸由于絲杠傳動結(jié)構(gòu)機械慣量比較穩(wěn)定，調(diào)試相對容易一些，頻寬一般可以調(diào)到130HZ以上。而翻板Z軸是一個旋轉(zhuǎn)軸，高速旋轉(zhuǎn)存在離心力，如果單純將其頻寬設(shè)置的很高，電機起停時會有振動，這時可以把位置平滑濾波參數(shù)開啟，消除振動。
相對來說換毛U軸的凸輪機構(gòu)機械的構(gòu)造使得調(diào)試比較困難，再加上U軸的機械剛性不好，電機運行起來時慣量比變化較大，馬達輸出電流變化也較大，參數(shù)調(diào)不好，電機左右運行時，這個軸要么有振動或嘯叫聲，要么反應(yīng)遲鈍。為此需要應(yīng)用B系列ASDA-B交流伺服系統(tǒng)的共振抑制功能。圖2為帶有共振的系統(tǒng)增益共振抑制原理。
圖2 帶拒濾波器抑制和低通濾波器抑制比較
如圖2所示，當(dāng)?shù)屯V波器(P2-25)由0開始調(diào)大，B.W.會越來越小。雖然共振問題解決了，但是系統(tǒng)響應(yīng)頻寬和相位邊界也降低了，系統(tǒng)會變得更不穩(wěn)定，如果可以知道共振頻率，則帶拒濾波器（P2-23,P2-24）可以直接將共振量消除。通常知道共振抑制是多少，使用帶拒濾波器的效果會比低通濾波器好，但是如果共振頻率會隨時間或其它因素漂移，而且漂移的太遠(yuǎn)的話，那么就不適合使用帶拒濾波器。本項目設(shè)備U軸的運行起來所產(chǎn)生的問題就是共振點飄逸，使用P2-25低通濾波器效果較好，將其參數(shù)設(shè)大，加之這個軸對位置精度要求不是太高，所以問題得到解決。伺服相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。臺達伺服增益參數(shù)調(diào)整軟件如圖3所示。
表1 伺服相關(guān)參數(shù)設(shè)置
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參數(shù) |
代碼 |
X軸參數(shù)值 |
Y軸參數(shù)值 |
Z軸參數(shù)值 |
U軸參數(shù)值 |
單位 |
說明 |
|
P1 – 37 |
GDR |
8 |
8 |
15 |
110 |
0.1 |
對伺服馬達的負(fù)載慣量比 |
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P1 – 44 |
GR1 |
10 |
10 |
20 |
15 |
pulse |
1st脈波命令電子齒輪比分子 N1 |
|
P1 – 45 |
GR2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
pulse |
脈波命令電子齒輪比分母 (M) |
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P2 – 00 |
KPP |
188 |
188 |
172 |
78 |
rad/s |
位置控制比例增益 |
|
P2 – 04 |
KVP |
753 |
753 |
690 |
314 |
rad/s |
速度控制增益 |
|
P2 – 06 |
KVI |
120 |
120 |
110 |
50 |
1/s |
速度積分補償 |
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P2 – 25 |
NLP |
13 |
13 |
15- |
233 |
0.lms |
共振抑制低通濾波 |
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P2 – 26 |
DST |
120 |
120 |
110 |
50 |
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外部干擾抵抗增益 |
圖3 臺達伺服增益參數(shù)調(diào)整軟件
3 結(jié)束語
通過在客戶的長期的使用，臺達伺服系統(tǒng)性能穩(wěn)定，效果很好，深受好評。隨著國內(nèi)高速牙刷植毛機產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)能力的逐漸提升，植毛機的市場一定競爭的更加激烈，與其配套的剪毛機設(shè)備也隨之提升，而且更先進的植毛、剪毛一體機也會出現(xiàn)。臺達伺服憑借極具競爭力的性價比將更受客戶青睞。
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