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基于臺達伺服解決方案的高速牙刷植毛機

中達電通股份有限公司

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系列伺服在此設備上的應用。

關鍵詞：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?shù)拇蟆Ｑ浪㈦m小卻是一個消費巨大市場成熟的大商品，并且伴隨著生活質量的提高，對于牙刷的質量同樣提高，優(yōu)質的保健牙刷設備的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質量需求促進了高速牙刷植毛機的設備開發(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構由主驅動軸和四個伺服驅動軸系統(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。當主軸電機運轉，四個電控伺服軸隨動運轉，主軸停則其余四軸隨動停止。主軸的轉速決定植毛的速度，四個伺服軸響應要求協(xié)調驅動，否則會出現(xiàn)脫毛或者毛不齊的現(xiàn)象。應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)結構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為主，牙刷設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。四套伺服驅動器型號是中達的B系列ASDA-B交流伺服系統(tǒng)，功率400W,驅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)合調試，其中主要是伺服增益的調整。四個伺服軸中X軸與Y軸由于絲杠傳動結構機械慣量比較穩(wěn)定，調試相對容易一些，頻寬一般可以調到130HZ以上。而翻板Z軸是一個旋轉軸，高速旋轉存在離心力，如果單純將其頻寬設置的很高，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軸的凸輪機構機械的構造使得調試比較困難，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，要么反應遲鈍。為此需要應用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?shù)屯V波器(P2-25)由0開始調大，B.W.會越來越小。雖然共振問題解決了，但是系統(tǒng)響應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，而且漂移的太遠的話，那么就不適合使用帶拒濾波器。本項目設備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。伺服相關參數(shù)設置如表1所示。臺達伺服增益參數(shù)調整軟件如圖3所示。

表1 伺服相關參數(shù)設置

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	對伺服馬達的負載慣量比
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 臺達伺服增益參數(shù)調整軟件

3 結束語

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。