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)拇蟆Q浪㈦m小卻是一個消費(fèi)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(jìn)了高速牙刷植毛機(jī)的設(shè)備開發(fā)。
江蘇揚(yáng)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(dá)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(jī)控制系統(tǒng)和伺服電機(jī)電控系統(tǒng),其中伺服系統(tǒng)大多選用日本進(jìn)口產(chǎn)品。近年臺達(dá)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(jī)行業(yè)份額逐年遞增。
2 牙刷植毛機(jī)原理簡述
高速牙刷植毛機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),四個電控伺服軸隨動運(yùn)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(dá)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(jī)
2中達(dá)伺服解決方案
2.1 方案規(guī)劃
目前植毛機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為單片機(jī)控制系統(tǒng)或CNC數(shù)控系統(tǒng)。其中單片機(jī)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(dá)的PUTNC-H2P和歐日等進(jìn)口品牌。
CNC數(shù)控主要是控制軸脈沖命令信號實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動,通常是四軸控制輸出實(shí)現(xiàn),臺達(dá)的CNC只需兩軸輸出即可實(shí)現(xiàn),另外兩軸中達(dá)的伺服可以獨(dú)立完成,牙刷植毛機(jī)要求系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩軸插補(bǔ)運(yùn)算即可。四套伺服驅(qū)動器型號是中達(dá)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(jī)變頻器型號是中達(dá)的VFD-S,功率大小為400W。
2.2 調(diào)試要點(diǎn)
伺服解決方案的開發(fā)難點(diǎn)是機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)機(jī)械的構(gòu)造使得調(diào)試比較困難,再加上U軸的機(jī)械剛性不好,電機(jī)運(yùn)行起來時慣量比變化較大,馬達(dá)輸出電流變化也較大,參數(shù)調(diào)不好,電機(jī)左右運(yùn)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(xiàng)目設(shè)備U軸的運(yùn)行起來所產(chǎn)生的問題就是共振點(diǎn)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(dá)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
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(dá)的負(fù)載慣量比 |
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) |
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(bǔ)償 |
P2 – 25 |
NLP |
13 |
13 |
15- |
233 |
0.lms |
共振抑制低通濾波 |
P2 – 26 |
DST |
120 |
120 |
110 |
50 |
|
外部干擾抵抗增益 |
圖3 臺達(dá)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(dá)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(jī)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)能力的逐漸提升,植毛機(jī)的市場一定競爭的更加激烈,與其配套的剪毛機(jī)設(shè)備也隨之提升,而且更先進(jìn)的植毛、剪毛一體機(jī)也會出現(xiàn)。臺達(dá)伺服憑借極具競爭力的性價比將更受客戶青睞。