多軸伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備的同步故障分析

吳陽(yáng)佑

引言：吹（吹瓶機(jī)）灌（灌裝機(jī)）旋（旋蓋機(jī)）是將3臺(tái)設(shè)備采用星輪傳動(dòng)作為過(guò)渡傳輸裝置將，將PET（Polyethylene Terephthalate）瓶封裝的產(chǎn)品在組合設(shè)備內(nèi)一次性完成吹瓶-灌裝-旋蓋的一體機(jī)。由廣州達(dá)意隆公司生產(chǎn)的吹灌旋設(shè)備一般為兩軸聯(lián)動(dòng)，主動(dòng)軸為吹瓶機(jī)主電動(dòng)機(jī)，從動(dòng)軸為灌裝機(jī)主電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)均采用丹佛斯伺服器控制運(yùn)行速度，旋蓋機(jī)和灌裝機(jī)以及過(guò)渡星輪之間通過(guò)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步。該設(shè)備在印度Parle公司運(yùn)行期間，頻繁出現(xiàn)同步異常的問(wèn)題，導(dǎo)致PET瓶與星輪接觸部分出現(xiàn)嚴(yán)重刮痕甚至發(fā)生過(guò)PET瓶在星輪和其護(hù)板之間堆積，引起型板支柱變形，客戶對(duì)此故障反映強(qiáng)烈，要求公司解決此問(wèn)題。

1.現(xiàn)場(chǎng)診斷

1.1 機(jī)械傳動(dòng)診斷

公司派遣的機(jī)械工程師和電氣工程師達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)后停機(jī)對(duì)設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)部分和齒輪間隙進(jìn)行了觀測(cè)和調(diào)整，并對(duì)可能出現(xiàn)松動(dòng)的齒輪鎖緊螺桿復(fù)檢其鎖緊扭矩后將設(shè)備分別單軸運(yùn)行約30分鐘左右，未發(fā)現(xiàn)任何由齒輪或者其他機(jī)械問(wèn)題所導(dǎo)致的整機(jī)同步異常，初步判斷此故障非機(jī)械傳動(dòng)誤差所導(dǎo)致。

1.2 試運(yùn)行

單機(jī)運(yùn)行后兩軸聯(lián)動(dòng)空載運(yùn)行，采用高速相機(jī)拍攝吹瓶機(jī)與灌裝機(jī)之間的兩個(gè)過(guò)渡星輪交接位置，連續(xù)運(yùn)行15分鐘，未出現(xiàn)同步異常現(xiàn)場(chǎng)。進(jìn)而開(kāi)始15分鐘的模擬生產(chǎn)運(yùn)行，在設(shè)備出口處可發(fā)現(xiàn)在與星輪接觸的位置有被刮傷的瓶子，故初步判斷為兩軸同步誤差造成瓶子刮傷。

1.3伺服器參數(shù)排查

恢復(fù)所有伺服器參數(shù)為出廠設(shè)置后，重新設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再次試生產(chǎn)期間仍然會(huì)出現(xiàn)同步異?，F(xiàn)象，初步判斷此同步異常與伺服器參數(shù)設(shè)置無(wú)關(guān)。但在參數(shù)設(shè)置后的運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)灌裝機(jī)的運(yùn)行頻率為58.7Hz，此電動(dòng)機(jī)銘牌標(biāo)注的額定電壓和頻率為380V/50Hz，實(shí)際運(yùn)行頻率超出額定頻率8.7Hz。

表1 灌裝機(jī)伺服器參數(shù)

2.電動(dòng)機(jī)特性分析

2.1 電網(wǎng)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的影響

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩和電壓的關(guān)系公式：

式中：U為輸入電壓；R2是轉(zhuǎn)子繞組每項(xiàng)的電阻；X20是電動(dòng)機(jī)禁止不動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組每相的感抗；K是電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；s是轉(zhuǎn)差率。

2.2 電動(dòng)機(jī)最大輸出功率對(duì)輸出扭矩的影響

現(xiàn)場(chǎng)工程師排除多種可能影響吹灌旋同步的因素后，考慮到電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下超頻運(yùn)行，故須對(duì)電動(dòng)機(jī)在該使用環(huán)境的特性進(jìn)行分析。

圖1 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線可知，其電磁轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，此過(guò)程為T(mén)L（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）↑→n（轉(zhuǎn)速）↓→ s（轉(zhuǎn)差率）↑→I（電流）↑→T（輸出轉(zhuǎn)矩）↑, 即負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，也即轉(zhuǎn)差率上升，此時(shí)，電流增大，使得電動(dòng)機(jī)輸出功率上升，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。但當(dāng)灌裝機(jī)負(fù)載阻力矩達(dá)到電動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就可能降速，如果此負(fù)載不能自動(dòng)降低至電動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩，電動(dòng)機(jī)將被迫停轉(zhuǎn)。

圖2 灌裝機(jī)主電機(jī)銘牌

圖3 灌裝機(jī)傳動(dòng)路徑

根據(jù)旋轉(zhuǎn)體機(jī)械功率公式：

式中：T為轉(zhuǎn)矩；P為輸出功率；ω為轉(zhuǎn)子角速度；n為轉(zhuǎn)速，

由式1可知，電動(dòng)機(jī)輸出功率一定的電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速越高則輸出轉(zhuǎn)矩越小。根據(jù)計(jì)算，灌裝機(jī)選用的減速電機(jī)，在額定頻率下運(yùn)行時(shí)，減速器輸出轉(zhuǎn)速為18r/Min，對(duì)應(yīng)產(chǎn)能為25920BPH（Bottles Per Hour），但該設(shè)備的合同產(chǎn)能為26400BPH，為實(shí)現(xiàn)此產(chǎn)能，理論上，變頻器必須超頻22%，也就是61Hz才能達(dá)到設(shè)備的合同產(chǎn)量，但通過(guò)增加伺服器輸出頻率來(lái)提升灌裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度后，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)降低，故超頻運(yùn)行情況下極有可能由于灌裝機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩不夠而導(dǎo)致其無(wú)法精準(zhǔn)跟隨吹瓶機(jī)的速度，從而引起同步異常。

核算額定頻率下電動(dòng)機(jī)額定輸出扭矩：

其中：TN為額定轉(zhuǎn)矩(產(chǎn)能為25920BPH的輸出扭矩)；PN為額定功率；nN為減速電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)速。

乘以減速機(jī)的機(jī)械效率（87.4%）和灌裝一級(jí)機(jī)齒輪傳動(dòng)效率（90%）可知灌裝機(jī)實(shí)際獲得的扭矩為：

測(cè)量模型經(jīng)驗(yàn)證性因子分析先導(dǎo)研究發(fā)現(xiàn)語(yǔ)碼混雜原因的2個(gè)維度、混雜偏好的2個(gè)維度以及混雜態(tài)度的4個(gè)維度構(gòu)成合理，共計(jì)得出8個(gè)觀測(cè)變量。依據(jù)表2模型適配度檢驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為測(cè)量模型構(gòu)成合理。進(jìn)一步構(gòu)建語(yǔ)碼混雜原因、混雜偏好和混雜態(tài)度結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用極大似然估計(jì)法（Maximum Likelihood Estimation）得到觀察變量、潛變量的因子載荷和誤差項(xiàng)方差參數(shù)估計(jì)結(jié)果，經(jīng)修正得到最終模型及其標(biāo)準(zhǔn)化路徑的參數(shù)值如下：

由于該機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)能為26400BPH，根據(jù)機(jī)械固有結(jié)構(gòu)，減速電機(jī)輸出需要達(dá)到22r/Min, 此時(shí)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為：

式中，Tr和nr分別對(duì)應(yīng)設(shè)備產(chǎn)能為26400BPH時(shí)的電動(dòng)機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，同理，灌裝機(jī)實(shí)際獲得的扭矩為：

根據(jù)灌裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，其灌裝閥為50個(gè)，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速為8.8圈/分鐘，旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量約為2620Kg，旋轉(zhuǎn)體直徑1900mm，產(chǎn)量為26400BPH時(shí)。

式中：ω為角速度；T為周期。

式中：v為線速度；r為灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)體半徑。

式中:F為旋轉(zhuǎn)體所受的向心力；a為加速度，v為線速度。

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m為旋轉(zhuǎn)體（灌裝機(jī)）質(zhì)量，r為灌裝機(jī)半徑。

故可得出灌裝機(jī)的轉(zhuǎn)矩：

TN ＞ T ＞Tr, 機(jī)械所需驅(qū)動(dòng)扭矩處于26400BPH和25920BPH電動(dòng)機(jī)所生的扭矩之間，故有可能由于驅(qū)動(dòng)扭矩過(guò)小而導(dǎo)致設(shè)備同步異常。

3.結(jié)論

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)排查結(jié)果和對(duì)電動(dòng)機(jī)特性的分析，最后，與客戶基本達(dá)成此次故障的初步解決方案為：第一，安裝穩(wěn)壓器，確保電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在380V±10%以?xún)?nèi)；第二，作為備選方案，如果電壓穩(wěn)定的情況下仍然出現(xiàn)同步異常，將更換減速電機(jī)，增大其輸出功率。