基于多軸同步控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李國林，馬紅雷

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

片式多層陶瓷電容器（Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC）是電子信息產(chǎn)業(yè)最為核心的元器件之一，除了具有一般瓷介電容器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有體積小、容量大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐濕性好、內(nèi)感小、高頻特性好、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，用途極其廣泛。隨著MLCC可靠性和集成度的提高，其使用的范圍越來越廣，目前已廣泛地應(yīng)用于各種電子整機(jī)和電子設(shè)備，如電腦、手機(jī)、移動(dòng)通訊、5G、程控交換機(jī)、精密測(cè)試儀器等，已成為應(yīng)用最普遍的陶瓷電容產(chǎn)品。

MLCC疊層機(jī)設(shè)備是MLCC生產(chǎn)制造工藝過程中極為重要的設(shè)備之一，到目前為止，國內(nèi)MLCC生產(chǎn)廠家的疊層設(shè)備基本依賴進(jìn)口。而多軸同步控制技術(shù)是制造MLCC疊層機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)。現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備對(duì)于多軸同步跟隨控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)要求越來越高，而傳統(tǒng)的多軸同步控制往往是通過機(jī)械縱軸連接的方法實(shí)現(xiàn)，這種方式的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，靈活性差已無法滿足疊層機(jī)這種MLCC制造設(shè)備的生產(chǎn)要求。

1 多軸同步控制系統(tǒng)原理

多軸系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。多軸系統(tǒng)同步控制的主要性能指標(biāo)有：速度比例同步、位置或角度同步、絕對(duì)值誤差小于某限幅值。多軸系統(tǒng)的同步運(yùn)行關(guān)系一般分為以下幾類[1]：

（1）要求多軸系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)具有相同的速度或位移量在瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)都能夠保持同步，這是通常講的狹義上的同步，也就是最簡(jiǎn)單的同步控制。以常見的雙軸系統(tǒng)為例，這種情況下角位移同步誤差Δθ可由式(1)求得：

其中 θ1、θ2、ω1、ω2分別為運(yùn)動(dòng)軸1和2的角位移和角速度。由式(1)可知，若在某個(gè)階段Δω始終為零，則Δθ也為零。但假設(shè)系統(tǒng)因?yàn)橥饨绺蓴_等原因?qū)е娄う劝l(fā)生變換，為消除該同步誤差，必然要求兩個(gè)軸以不同的速度運(yùn)動(dòng)，從而使得Δω偏離零點(diǎn)，即產(chǎn)生速度誤差。由此可以看出，雖然在多數(shù)情況下系統(tǒng)的位置同步需要有速度同步作為前提保障，但在某些時(shí)刻，為了實(shí)現(xiàn)位移同步，就必須犧牲一定的速度同步性能，此時(shí)兩者呈現(xiàn)相互制約的關(guān)系。

（2）要求多軸系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)軸以一定的比例關(guān)系運(yùn)行。在實(shí)際多軸系統(tǒng)中，有些場(chǎng)合并不一定要求各臺(tái)電機(jī)的速度完全相等，而一般的情況是要求各臺(tái)電機(jī)之間都能協(xié)調(diào)運(yùn)行。假設(shè)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)軸1、2的輸出角速度為ω1、ω2，那么它們之間應(yīng)當(dāng)保持如式(2)關(guān)系才能滿足此類同步控制的需求：

式(2)中，a為速度同步系數(shù)。通過對(duì)該系數(shù)的在線設(shè)定和修改，便可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在各種不同場(chǎng)合下的同步運(yùn)動(dòng)，這便是廣義上的同步概念。另外，還有一種為了特殊的工藝要求，它不是要求各個(gè)輸出單元的速度保持一定的比值關(guān)系，而是要求可以在不同速度下仍保持恒定的速度差。

目前，保證多軸系統(tǒng)同步運(yùn)動(dòng)的常用方法主要分為兩大類：機(jī)械同步方式和電氣同步方式。

機(jī)械同步方式主要通過在運(yùn)動(dòng)軸之間的物理連接實(shí)現(xiàn)，該方法往往使用一臺(tái)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力的來源，通過齒輪、鏈條、皮帶等機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。改變這些機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的特性，就可以使整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)速等參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是能夠很好地保證各單元之間的同步關(guān)系[2]。在工作時(shí)，如果某個(gè)從動(dòng)軸的負(fù)載受到了擾動(dòng)，該擾動(dòng)將會(huì)通過機(jī)械環(huán)節(jié)傳遞給主軸電機(jī)，改變主軸的輸出。由于主軸和從軸之間均存在機(jī)械連接，因此其它從動(dòng)軸的輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而起到同步控制的效果。

電氣式同步控制主要由一個(gè)核心控制器以及與其相連的若干個(gè)子單元組成，每個(gè)子單元都有一個(gè)獨(dú)立電機(jī)來控制對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軸。設(shè)計(jì)人員通過編寫相應(yīng)控制程序，使得各子單元在核心控制器的協(xié)調(diào)之下工作，控制對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軸同步運(yùn)行。由于每個(gè)軸都由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此該方法帶動(dòng)負(fù)載的能力有了顯著提高，且簡(jiǎn)化了設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高、同步性更好的控制。而電氣同步方式主要有主令參考同步控制、主從同步控制和虛擬主軸同步控制等。機(jī)械同步方式機(jī)械結(jié)構(gòu)固定，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲大，靈活性差，傳動(dòng)范圍和傳動(dòng)距離小，單元負(fù)載小，系統(tǒng)成本高。電氣同步方式同步性高，抗干擾性好，克服了機(jī)械方式的種種缺點(diǎn)，但是由于算法的不同，各種控制方式都有不同的缺陷。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，電氣同步方式在很多場(chǎng)合都取代了機(jī)械同步，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各機(jī)械行業(yè)中。

2 多軸系統(tǒng)的虛擬主軸同步控制方法

經(jīng)過長期的發(fā)展，國內(nèi)外科研人員對(duì)于同步控制策略的研究取得了長足的進(jìn)步，并將其廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。對(duì)于電氣式同步中所使用的控制策略，一般可分為非耦合式與耦合式兩大類[3]。目前常見的電氣同步控制策略主要有以下幾種：主令參考式同步、主從式同步、交叉耦合式同步、偏差耦合式同步及虛擬主軸同步。這里著重介紹虛擬主軸同步控制方法。

虛擬主軸的控制理念最初由Robert D.Lorenz提出，當(dāng)時(shí)的名稱為相對(duì)剛度運(yùn)動(dòng)控制（Relative Stiffness Motion Control）。該方案在主從式同步的基礎(chǔ)上，將從軸的驅(qū)動(dòng)參數(shù)反饋至主軸控制回路中，實(shí)現(xiàn)了主軸與從軸之間控制信號(hào)的耦合反饋。隨后，Kevin Payette明確提出了虛擬主軸的概念，通過模擬機(jī)械主軸式同步方案的特性，為反饋參數(shù)賦予了物理意義，在各運(yùn)動(dòng)軸間建立了聯(lián)系。

虛擬主軸同步控制方式是基于電子虛擬軸技術(shù)的一種同步控制方式，虛擬主軸同步控制的結(jié)構(gòu)與主從式同步控制結(jié)構(gòu)較為相似。在虛擬主軸同步模型中，傳動(dòng)系統(tǒng)中每根機(jī)械輥軸均由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各從軸接受來自主軸的輸出信號(hào)作為其給定信號(hào)輸入。但是這里的主軸不再是實(shí)際的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械軸，而是基于控制系統(tǒng)中的虛擬主軸功能建立起來的一根電子虛擬軸，電子虛擬軸可以按照設(shè)定的速度仿真實(shí)際軸進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。因此，電子虛擬軸同樣可以作為整個(gè)系統(tǒng)中的主軸，即虛擬主軸，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示[5，6]。

圖1 虛擬主軸同步控制方式結(jié)構(gòu)圖

虛擬主軸的同步系統(tǒng)中，將傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械輥均作為從軸，在控制周期中它們同時(shí)接受虛擬主軸的控制信號(hào)，并根據(jù)各軸與虛擬軸速度關(guān)系比進(jìn)行變換后得到的信號(hào)作為各軸輸入給定信號(hào)，各從軸跟隨給定信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而使各自的輸出均準(zhǔn)確無誤地跟隨虛擬主軸信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中各軸的同步運(yùn)動(dòng)控制。

虛擬主軸控制與主從式同步控制相比，由于前者的主軸為電子虛擬軸，從而可以有效地克服系統(tǒng)中各軸的指令時(shí)間差。但是，虛擬主軸同步模型同樣沒有在主從軸之間建立反饋關(guān)系。因此當(dāng)某一從軸出現(xiàn)干擾后對(duì)其跟隨性能的影響，不會(huì)反應(yīng)到主軸或其他從軸上，這樣也可能會(huì)導(dǎo)致該從軸間的失步甚到使整個(gè)系統(tǒng)同步控制失效。

3 多軸同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本文所述的基于虛擬主軸方法的多軸同步控制系統(tǒng)主要由PLC控制器和被控對(duì)象（伺服電機(jī)）以及光電開關(guān)、激光測(cè)距儀、角度傳感器等組成，主要包括剝離臺(tái)回零程序和四軸同步控制程序兩大部分，其中剝離臺(tái)回零過程是指剝離運(yùn)動(dòng)軸回L1位置，而四軸同步控制過程是指剝離運(yùn)動(dòng)軸01、真空輥軸02、卷出軸03和卷取軸04同步從位置L1運(yùn)動(dòng)至位置L2。

機(jī)械平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4軸（軸01、軸02、軸03和軸04）以相同的速度從位置L1運(yùn)動(dòng)至位置L2的過程，將剝離運(yùn)動(dòng)軸01定義為虛擬主軸，真空輥軸02、卷出軸03和卷取軸04定義為虛擬從軸，在同步運(yùn)動(dòng)過程中，只需要通過指令控制虛擬主軸，虛擬從軸則跟隨虛擬主軸并與其速度實(shí)時(shí)保持一致。而在這個(gè)控制過程中，卷出軸03和卷取軸04的軸卷半徑是一直變化的，通過在軸03和軸04分別加裝一個(gè)激光測(cè)距儀來實(shí)時(shí)測(cè)量其軸卷半徑，并通過半徑與線速度的換算關(guān)系實(shí)時(shí)改變相應(yīng)軸的輸出角速度，從而保持其線速度與虛擬主軸01的速度一致。

圖2 四軸同步控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖2中所標(biāo)“E”的軸輥都是位置固定的軸輥，不隨4軸同步控制移動(dòng)，而所標(biāo)“E′”的兩個(gè)軸輥是與剝離運(yùn)動(dòng)軸01機(jī)械結(jié)構(gòu)連接在一起，并跟隨剝離軸01的運(yùn)動(dòng)一同動(dòng)作。圖2中所標(biāo)“C”和“D”的兩個(gè)軸輥是擺角范圍在0°～30°的浮動(dòng)軸輥，主要是為了消除卷出軸03和卷取軸04半徑測(cè)量誤差、從軸03或軸04出現(xiàn)干擾后對(duì)其跟隨性能的影響及控制卷膜的恒定張力輸出所設(shè)計(jì)。

同步控制系統(tǒng)電氣框圖如圖3所示，三菱PLC通過CC-Link總線協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的輸出控制。并通過以太網(wǎng)模塊與觸摸屏連接通訊，方便通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的操作。其中，各運(yùn)動(dòng)軸自身都通過編碼器的反饋形成了一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)已用于MLCC疊層機(jī)設(shè)備的介質(zhì)膜上片過程中，取得了非常好的控制效果。

圖3 基于CC-Link總線技術(shù)多軸同步控制系統(tǒng)框圖

4 結(jié) 論

本文主要介紹了多軸同步控制技術(shù)的控制原理，詳細(xì)介紹了基于虛擬主軸同步控制的控制方法，并基于此方法設(shè)計(jì)了基于虛擬主軸方法多軸同步控制系統(tǒng)，將此控制系統(tǒng)應(yīng)用在MLCC疊層機(jī)設(shè)備中，取得了較好的實(shí)際控制效果。隨著MLCC的應(yīng)用范圍越來越廣，多軸同步控制系統(tǒng)也隨相關(guān)設(shè)備得到了應(yīng)用和發(fā)展。本文對(duì)多軸系統(tǒng)同步控制技術(shù)的研究有著重要而深刻的意義，此方法具有很強(qiáng)的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。