介紹高速牙刷植毛機(jī)性能需求，伺服設(shè)備應(yīng)用
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，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，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)
3 中達(dá)伺服解決方案
3.1 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。
3.2 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)置如下表所示。臺達(dá)伺服增益參數(shù)調(diào)整軟件如圖3所示。
表 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
4 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*的植毛、剪毛一體機(jī)也會出現(xiàn)。臺達(dá)伺服憑借競爭力的性價比將更受客戶青睞。
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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)置如下表所示。臺達(dá)伺服增益參數(shù)調(diào)整軟件如圖3所示。
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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(dá)的負(fù)載慣量比
p1 – 44
gr1
10
10
20
15
pulse
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p1 – 45
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1
1
1
1
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kpp
188
188
172
78
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位置控制比例增益
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kvp
753
753
690
314
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120
120
110
50
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nlp
13
13
15-
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120
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