基于臺達(dá)伺服解決方案的高速牙刷植毛機(jī)

中達(dá)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(jī)的性能需求，以及臺達(dá)ASDA-B系列伺服在此設(shè)備上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：植毛機(jī) 伺服 臺達(dá) 共振抑制 變頻器

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。

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。

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。

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。

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。

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。