高速包裝設(shè)備的擺臂同步控制技術(shù)研究

李忠華

摘 要：在工業(yè)高速擺臂包裝設(shè)備中，擺臂同步控制的穩(wěn)定性直接影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，本文分析了工業(yè)上目前存在的幾種同步控制方式，從中找出一種適用于高速擺臂包裝設(shè)備的同步控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高速；包裝設(shè)備；擺臂；同步控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.056

隨著物料包裝生產(chǎn)企業(yè)不斷增長(zhǎng)的高速生產(chǎn)需求，對(duì)包裝行業(yè)的制造企業(yè)又提出了新的挑戰(zhàn)，新一代高速包裝設(shè)備迫待開發(fā)。由于傳統(tǒng)的單擺臂包裝已無法滿足物料包裝生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)速度的要求，因此一種新型的雙擺臂包裝應(yīng)時(shí)而生，并在實(shí)踐中嶄露頭角，雙擺臂包裝中的雙臂協(xié)調(diào)同步是包裝設(shè)備高速運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。下面本文將針對(duì)基于主令參考式、基于機(jī)械凸輪式、基于驅(qū)動(dòng)器的電子凸輪式、基于運(yùn)動(dòng)控制器的虛擬主軸式，這幾種同步技術(shù)在包裝設(shè)備擺臂控制上的應(yīng)用，進(jìn)行分析研究，試圖找到一種綜合性能更優(yōu)的同步方法。

1 同步方法

1.1 基于主令參考式

這種方式是通過外部控制器發(fā)出指令，兩個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器接收外部控制器（外部控制器可以是PLC，單片機(jī)或是工業(yè)IPC，嵌入式控制器）的指令后，開始并行運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器控制的負(fù)載可以是正交軌跡運(yùn)行，也可以是平行軌跡運(yùn)行的，或其它軌跡方式的。

1.2 基于機(jī)械凸輪式

由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或多個(gè)軸按照預(yù)定的軌跡使其各自在自己的凸輪曲線槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)多軸的同步控制。

1.3 基于驅(qū)動(dòng)器的電子凸輪式

國(guó)內(nèi)外主流高端的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的控制功能中都有電子凸輪的功能，選擇帶有電子凸輪功能的驅(qū)動(dòng)器，將帶有電子凸輪功能的控制器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)所連接的軸，稱之為主軸，其它電機(jī)軸稱之為從軸，利用控制主軸的控制器生成的電子凸輪表或凸輪曲線，離散化生成一連串的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給從軸控制器進(jìn)行主從同步控制。

1.4 基于運(yùn)動(dòng)控制器的虛擬主軸式

以運(yùn)動(dòng)控制器為核心，由運(yùn)動(dòng)控制器生成一個(gè)虛擬主軸信號(hào)，模擬真實(shí)主軸運(yùn)行情況，通過虛擬主軸輸出電子凸輪曲線控制從軸驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)從軸，進(jìn)行主從同步控制。

2 幾種同步方法的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

2.1 階躍響應(yīng)分析

主令參考式、電子凸輪式、虛擬主軸式都是基于驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸的方式，都具有較快階躍響應(yīng)特性。機(jī)械凸輪式和電子凸輪式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都是采用多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它的階躍響應(yīng)性能與電子凸輪式一樣。

2.2 抗干擾分析

主令參考式的精度僅靠各個(gè)軸驅(qū)動(dòng)器的自身來保證，兩軸之間相互沒有干擾；當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)軸存在擾動(dòng)時(shí)，另一個(gè)軸不會(huì)對(duì)擾動(dòng)做出響應(yīng)，就會(huì)出現(xiàn)雙臂機(jī)構(gòu)無法保持同步運(yùn)行現(xiàn)象，這種同步對(duì)于干擾的響應(yīng)僅限控制軸本身，不具有雙軸或多軸同步過程的抗干擾能力。

機(jī)械凸輪同步式在忽略機(jī)械磨損，假定具有較好的加工精度和較低加工誤差下，具有很好的抗干擾能力。

基于驅(qū)動(dòng)器的電子凸輪同步方式這種工作方式只能選取系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)實(shí)軸做為主軸，另一個(gè)實(shí)軸做為從軸，采取主從方式同步運(yùn)行，主軸驅(qū)動(dòng)器輸出電子凸輪曲線的軌跡和精度都會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，當(dāng)主軸受到擾動(dòng)時(shí)，這種干擾會(huì)傳遞到從軸中，從軸會(huì)受引入的主軸擾動(dòng)因素影響，在跟隨主軸的同步過程會(huì)出現(xiàn)偏離同步曲線的現(xiàn)象；而當(dāng)從軸受到擾動(dòng)時(shí)，這種干擾不會(huì)傳遞到主軸中，會(huì)出現(xiàn)從軸不能跟隨主軸同步運(yùn)行的現(xiàn)象。

基于運(yùn)動(dòng)控制器虛擬主軸同步方式這種方式運(yùn)動(dòng)控制器具有較強(qiáng)運(yùn)算功能，控制器輸出的虛擬主軸模擬一個(gè)實(shí)際主軸，分別控制雙臂驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)軸做為從軸，也是采用主從方式同步運(yùn)行，由于運(yùn)動(dòng)控制器的具有優(yōu)良性能指標(biāo)，只要規(guī)劃好主軸與從軸之間的電子凸輪曲線，就能實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。下圖將這幾種同步方式的系統(tǒng)階躍響應(yīng)得到的曲線繪制在一起，便于分析，從圖中可以看出基于虛擬主軸式的同步方式具有較高的穩(wěn)定性。

2.3 耐沖擊分析

主令參考式各軸獨(dú)立運(yùn)行，只需分析單個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，單軸運(yùn)動(dòng)軌跡常用的算法，有線性梯形速度軌跡、S形速度軌跡。線性梯形速度軌跡在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，曲線兩段是否采用對(duì)稱，由曲線兩段的時(shí)間段長(zhǎng)度是否相等決定，一般情況都采用對(duì)稱式的曲線，主要用于點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)過程。由于線性梯形速度曲線在快速起停會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，而相比線性梯形軌跡S形速度軌跡能夠有效減緩剛性沖擊，但無法避免柔性沖擊。下圖為分別為線性梯形曲線和S形曲線。

機(jī)械凸輪式與基于驅(qū)動(dòng)器的電子凸輪式、以及基于運(yùn)動(dòng)控制器的虛擬主軸式這幾種方式的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線都是凸輪曲線，電子凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律多采用多項(xiàng)式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)多項(xiàng)式采用一次多項(xiàng)式時(shí)，驅(qū)動(dòng)的軸作等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在曲線的始末瞬時(shí)都會(huì)產(chǎn)生剛性的沖擊，當(dāng)多項(xiàng)式采用二次多項(xiàng)式時(shí)，驅(qū)動(dòng)的軸作等加速等減速或拋物線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在運(yùn)動(dòng)的始、中、末瞬時(shí)都會(huì)產(chǎn)生柔性的沖擊，是為了保證速度和加速的連續(xù)，既不產(chǎn)生剛性的沖擊，也不產(chǎn)生柔性的沖擊，多項(xiàng)式可采用3-4-5次，一般多選用5次多項(xiàng)式。

3 結(jié)論

通過對(duì)工業(yè)常用幾種同步控制方法的對(duì)比分析，雖然基于機(jī)械凸輪式的同步技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)高速同步，但由于機(jī)械凸輪本身設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工制造困難，元件易磨損，且加工完成后不能修改凸輪輪廓等缺點(diǎn)，與之相比采用電子凸輪的方式，凸輪曲線可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)進(jìn)行軟件修正，不需要加工，沒有元件磨損等優(yōu)點(diǎn)，而采用運(yùn)動(dòng)控制器的虛擬主軸與單獨(dú)驅(qū)動(dòng)器相比更具有良好的穩(wěn)定性，因此使用基于運(yùn)動(dòng)控制器的虛擬主軸式應(yīng)用于高速包裝設(shè)備的擺臂同步控制中是目前比較好的選擇。

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