基于電子齒輪的卷煙包裝機(jī)輸出通道優(yōu)化設(shè)計(jì)

（中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海 201206）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在全數(shù)字化、高性能化、多功能化、小型化和模塊網(wǎng)絡(luò)化等方面存在著諸多優(yōu)勢(shì)[1,2]。在卷煙生產(chǎn)工業(yè)中越來越多的機(jī)械傳動(dòng)被伺服驅(qū)動(dòng)所取代，其中比較有代表性的為德國(guó)HAUNI公司Protos-M系列卷接機(jī)組[3,4]以及意大利GD公司的H1000包裝機(jī)組[5]，上海煙機(jī)公司的ZB47[6]和ZB28型包裝機(jī)組以及常德煙機(jī)公司的ZJ116型卷煙機(jī)組。

本文分別介紹了優(yōu)化前與優(yōu)化后ZB415型包裝機(jī)煙包輸出通道的控制方法，并對(duì)兩種控制方法進(jìn)行了對(duì)比，闡述了優(yōu)化前該系統(tǒng)存在的不足，以及優(yōu)化后的控制方法。

本文介紹的樣機(jī)控制系統(tǒng)采用了施耐德運(yùn)動(dòng)控制器LMC300C、LXM62驅(qū)動(dòng)器和MH3伺服電機(jī),采用SERCOS III作為伺服的同步總線，采用電子齒輪控制方式實(shí)現(xiàn)上下兩條輸出通道同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，其控制精度和動(dòng)態(tài)性能均能滿足要求。采用了優(yōu)化后的控制方法后，輸出通道在電子齒輪脫開同步和嚙合同步情況下運(yùn)動(dòng)更優(yōu)化，相對(duì)于原控制方法減少了機(jī)械沖擊，增加機(jī)械結(jié)構(gòu)和伺服電機(jī)的使用壽命。

1 系統(tǒng)工作原理

ZB415型煙包包裝機(jī)的煙包輸出通道如圖1所示，輸出通道分為上下兩個(gè)通道，分別由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，右側(cè)的包裝輪將包裝完成的煙包通過推手送到滑塊內(nèi)，滑塊上下移動(dòng)，將煙包分配到兩條輸出通道上。煙包在輸出通道上需要緊密排列，防止包裝好的煙包在膠水未烘干前散開。在正常運(yùn)行時(shí)伺服電機(jī)和主傳動(dòng)之間是通過電子齒輪嚙合，而當(dāng)出現(xiàn)缺包時(shí)，伺服電機(jī)和主傳動(dòng)脫開電子齒輪同步，等到下次再有煙包，伺服電機(jī)和主傳動(dòng)再次嚙合同步。伺服電機(jī)跟隨主傳動(dòng)的速度信號(hào)和位置信號(hào)來自與主傳動(dòng)的編碼器，而包裝輪、滑塊和推手的運(yùn)動(dòng)都是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)與主傳動(dòng)保持同步。

圖1 輸出通道原理圖

1.1 優(yōu)化前煙包輸出通道控制方法

未優(yōu)化前采用的控制硬件是GD公司專用的基于MicroII系統(tǒng)專用運(yùn)動(dòng)控制卡和專用伺服驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)封閉，通用性較差，采購(gòu)價(jià)格高。

控制方法方面如下所述，假設(shè)機(jī)器以某個(gè)恒定速度勻速運(yùn)行，主驅(qū)動(dòng)每轉(zhuǎn)一圈所用時(shí)間為t，主驅(qū)動(dòng)每轉(zhuǎn)1圈包裝輪就輸出一包煙；在沒有缺包的情況下主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)2圈，輸出通道移動(dòng)1包煙的寬度為S。如圖2中時(shí)間-速度曲線所示，時(shí)間0～2t為輸出通道在正常運(yùn)行，輸出通道皮帶與主驅(qū)動(dòng)編碼器保持同步齒輪嚙合，速度為V；時(shí)間2t～6t為包裝輪相應(yīng)工位缺煙包，輸出通道運(yùn)行速度在第一個(gè)機(jī)器周期（2t～3t）時(shí)設(shè)為2V/3，第二個(gè)機(jī)器周期（3t～4t）設(shè)為V/3，第三個(gè)機(jī)器周期（4t～5t）設(shè)為V/3，第四個(gè)機(jī)器周期（5t～6t）設(shè)為2V/3；由時(shí)間-位置曲線所示可知，在0～2t時(shí)間內(nèi)，輸出通道正常運(yùn)行，包裝輪無缺包，輸出通道運(yùn)行距離S；而2t～6t時(shí)間內(nèi)，輸出通道運(yùn)行距離為S，空出來的缺包位置就能被補(bǔ)上，就能實(shí)現(xiàn)煙包緊密排列。但是這種控制方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，從時(shí)間-速度曲線可以看出在2t和3t以及5t和6t時(shí)速度曲線不連續(xù)，發(fā)生跳變，理論上這些位置的加速度是無窮大的，但在實(shí)際的伺服系統(tǒng)中加速度的值受限于電機(jī)的最大輸出扭矩和外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，這樣會(huì)使電機(jī)的跟隨誤差增大，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)也會(huì)受到瞬時(shí)沖擊，影響系統(tǒng)的使用壽命。

圖2 優(yōu)化前時(shí)間-速度曲線和時(shí)間位移曲線

1.2 優(yōu)化后煙包輸出通道控制方法

優(yōu)化后采用了市場(chǎng)上通用的器件，系統(tǒng)開放性好，采購(gòu)成本大幅降低。

在控制軟件方面作了較大的改進(jìn)，假設(shè)機(jī)器的運(yùn)行條件跟優(yōu)化前一致，將圖2和圖3對(duì)比可知，優(yōu)化后和優(yōu)化前不同點(diǎn)在于，在2t～6t范圍內(nèi)，由時(shí)間-速度曲線可知，在脫開嚙合時(shí)速度隨著時(shí)間的變化按比例逐步減小，在嚙合過程中速度隨著時(shí)間的變化按比例逐步增大，這樣速度曲線是連續(xù)的，加速度是一個(gè)固定值，這樣電機(jī)的輸出扭矩為一個(gè)固定的可控值，這樣在電機(jī)脫開嚙合與嚙合時(shí)的跟隨誤差比較小，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊也較優(yōu)化前減小很多。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用了施耐德LMC系列運(yùn)動(dòng)控制器，LXM62系列伺服驅(qū)動(dòng)器和MH3系列伺服電機(jī)，采用SERCOS III作為伺服的同步總線。

圖3 優(yōu)化后時(shí)間-速度曲線和時(shí)間位移曲線

2.1 控制系統(tǒng)硬件

圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中運(yùn)動(dòng)控制器通過SERCOS III總線將電機(jī)的位置設(shè)定值和加速度設(shè)定值發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，并同時(shí)采集驅(qū)動(dòng)器反饋的電機(jī)實(shí)際位置、速度、加速度和電流等信號(hào)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)模型進(jìn)行計(jì)算，圖4中的電源模塊的作用是將三相交流電源轉(zhuǎn)化為直流母線電源，給各伺服驅(qū)動(dòng)器供電，并將電機(jī)制動(dòng)時(shí)的多余電能通過制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能。圖4中的M為上部輸出通道和下部輸出通道電機(jī)，E為與主傳動(dòng)耦合的編碼器。

2.2 單電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)控制模型

圖5 單電機(jī)控制模型

單個(gè)電機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)控制由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成如圖5所示，三個(gè)環(huán)的計(jì)算都是在伺服驅(qū)動(dòng)器中完成，為了得到高的動(dòng)態(tài)性能位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)均采用了125us的掃描周期。伺服驅(qū)動(dòng)器接收來自運(yùn)動(dòng)控制器的位置設(shè)定值和加速度設(shè)定值，由于SERCOS III的總線循環(huán)時(shí)間為1ms，而位置、速度和電流環(huán)的掃描時(shí)間為125us，掃描時(shí)間不一致，故采用IPO對(duì)位置設(shè)定值和加速度設(shè)定值按時(shí)間進(jìn)行線性插補(bǔ)，設(shè)定值進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算后，再輸出給各個(gè)控制環(huán)。其中，Kv為位置環(huán)比例系數(shù)，速度環(huán)和電流環(huán)均采用了PI調(diào)節(jié)器。Vs為插補(bǔ)后速度前饋值，為了提高電機(jī)的速度響應(yīng)。As為插補(bǔ)后加速度前饋值，并結(jié)合外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和減速比，來計(jì)算電機(jī)電流環(huán)的前饋值，這樣能提高電機(jī)的快速響應(yīng)性能。在電流環(huán)的輸入處采用了二階低通濾波器（PT2），是為了降低扭矩波動(dòng)造成的電機(jī)震動(dòng)。在電機(jī)的速度反饋采用了一階低通濾波器（PT1），目的是為了防止編碼器由于外界干擾而導(dǎo)致位置和速度信號(hào)的抖動(dòng)。

圖5中各符號(hào)含義：

As：插補(bǔ)后加速度前饋值；

Vs：插補(bǔ)后速度前饋值；

Xs：插補(bǔ)后位置設(shè)定值；

IPO：插補(bǔ)器；

Kv：位置環(huán)增益；

PI：比例積分調(diào)節(jié)器；

PT1：一階低通濾波器；

PT2：二階低通濾波器；

dXa/dt：位置實(shí)際值微分（速度反饋）；

M：電機(jī)繞組；

E：電機(jī)編碼器。

2.3 控制程序

本樣機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)和調(diào)試采用施耐德LMC系列專用運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)軟件SoMachine Motion，編程語(yǔ)言和規(guī)范符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)[7,8]。程序總體邏輯框圖如圖6所示。

2.4 通道電機(jī)電子齒輪嚙合與脫開嚙合的計(jì)算方法

圖6 控制程序框圖

單個(gè)軸嚙合與脫開嚙合中的關(guān)鍵在于通道伺服電機(jī)和主軸的電子齒輪比應(yīng)該是一個(gè)線性變化的過程，即齒輪比隨著主軸的相位變化。先假定當(dāng)通道電機(jī)和主軸完全嚙合時(shí)的電子齒輪比為1，完全脫開時(shí)的電子齒輪比為0，當(dāng)脫開嚙合時(shí)計(jì)算方法如式(1)所示：

當(dāng)同步嚙合時(shí)計(jì)算方法如式(2)所示：

其中Δ是從開始脫開或者開始同步主軸所轉(zhuǎn)過的相位值；

i為電子齒輪嚙合的齒輪比；

K為緊密度系數(shù)，通常情況下為1，如果需要煙包排列更緊密可將K調(diào)小；

Sa為實(shí)際煙包寬度；

S為標(biāo)準(zhǔn)煙包寬度。

由于對(duì)同步精度的要求較高，上述兩個(gè)公式采用1ms的任務(wù)周期進(jìn)行計(jì)算。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

如圖7所示為樣機(jī)上下兩條煙包通道，煙包在通道內(nèi)烘干并跟隨主軸運(yùn)行的速度向前輸送。

3.1 試驗(yàn)條件

包裝機(jī)以500包/分鐘的速度運(yùn)行，即主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速500rpm，煙包寬度為23.2mm，機(jī)器主傳動(dòng)和煙包輸出通道伺服控制系統(tǒng)之間采用一個(gè)1800線/轉(zhuǎn)的脈沖編碼器進(jìn)行耦合，該脈沖編碼器作為上、下兩個(gè)輸出通道伺服電機(jī)的電子主軸，給兩個(gè)電機(jī)提供速度和位置信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中采用了采用施耐德公司的SoMachine Motion軟件，對(duì)電機(jī)的速度位置和主軸的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采樣周期為4ms。

圖7 實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖8所示為采樣所得到的數(shù)據(jù)繪制成的曲線，單個(gè)電機(jī)在上下滑塊上無煙包時(shí)的啟停曲線，圖中橫坐標(biāo)方向?yàn)闀r(shí)間單位為（ms），左側(cè)縱坐標(biāo)為主軸相位單位為（°），右側(cè)縱坐標(biāo)為通道位置單位為（mm），虛線為主軸相位曲線，點(diǎn)劃線為煙包通道位置曲線，實(shí)線為煙包通道速度曲線。如曲線所示，在主軸運(yùn)行四個(gè)周期（即4包煙）時(shí)，煙包通道通過脫開嚙合和同步嚙合恰好運(yùn)行了1包煙的寬度（約23.2mm），這樣恰好少運(yùn)行了一包空煙包的寬度，達(dá)到了緊密排列的效果。

圖8 單個(gè)通道電機(jī)脫開同步和嚙合時(shí)位置、速度曲線

4 結(jié)論

現(xiàn)在該樣機(jī)正在廣西南寧卷煙廠使用，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果來看，該控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和同步精度等方面均能滿足正常生產(chǎn)的需求。同時(shí)該系統(tǒng)優(yōu)化后，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性，降低了采購(gòu)成本，在性能方面減少了機(jī)械沖擊和電機(jī)的沖擊，能提高伺服電機(jī)和減速機(jī)的使用壽命，同時(shí)通過參數(shù)化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)更加柔性化，提供更多的診斷信息易于用戶的維護(hù)保養(yǎng)。

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