基于電子齒輪的定長(cháng)切割裝置控制方法優(yōu)化研究

0   引言

伺服電機因其具有控制精度高、高速運行穩定等優(yōu)點(diǎn)在煙草包裝機中得到大量應用^[1-2]，傳統的凸輪、齒輪等機械結構逐漸被伺服電機所取代。根據卷煙包裝的發(fā)展需求，卷煙廠(chǎng)為了實(shí)現更加豐富的煙盒包裝形式，包裝材料如內框紙、盒外透明紙等逐漸由傳統的無(wú)圖案變?yōu)橛刑厥鈭D案或活動(dòng)宣傳二維碼。這就需要對內框紙、透明紙等包裝材料進(jìn)行固定長(cháng)度的裁切，且使得每一個(gè)裁切下來(lái)的紙張上的圖案均在同一位置，這就是定長(cháng)切割功能，對于卷煙包裝設備，各原輔材料裁切誤差一般不超過(guò)±0.5 mm。

本文基于ZB48A 型卷煙包裝機組，設計了一種基于伺服電機的內框紙定長(cháng)切割裝置，采用電子齒輪取代常規的機械齒輪對內框紙輸送輥進(jìn)行控制，對傳統的切換凸輪曲線(xiàn)控制方法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現了更高的定長(cháng)切割控制精度和電機穩定性。

1   定長(cháng)切割裝置

內框紙定長(cháng)切割裝置主要包括內框紙輸送輥伺服電機、色標檢測器及放大器等，切刀輥則通過(guò)機械連軸跟隨主電機運動(dòng)，控制系統硬件包括伺服控制器、伺服驅動(dòng)器、伺服電機、PLC。伺服控制器與驅動(dòng)器之間采用SERCOSⅢ 總線(xiàn)通訊，SERCOSⅢ 的循環(huán)掃描時(shí)間為1 ms，PLC 與伺服系統之間采用EtherCAT 總線(xiàn)通訊。

通過(guò)將色標傳感器感應到內框紙上的色標標記時(shí)伺服電機邏輯編碼器位置與計算得到的標準位置進(jìn)行比較，得到該工位上偏差值，通過(guò)控制輸送輥輸送快慢改變輸送長(cháng)度以補償該偏差值，使得每個(gè)工位上的內框紙長(cháng)度保持一致的同時(shí)每張內框紙上圖案偏差在要求的±0.5 mm 以?xún)取?/p>

2   控制策略

2.1 伺服電機控制策略

單電機伺服控制采用電流、速度、位置的三環(huán)控制^[3]。電流環(huán)為三環(huán)控制中的最內環(huán)也是最復雜的一環(huán)，將采集到的U、V、W 三相電流經(jīng)Clark 變換為靜止坐標系αβ 下的兩相正交電流之后，再經(jīng)Park 變換轉換為d、q 軸電流，將得到的d 軸電流與給定電流值比較得到d軸電流偏差值，得到的q 軸電流與0 作比較得到q 軸電流偏差值。d 軸與q 軸電流偏差值經(jīng)PI 控制器后將所得d、q 軸電流修正值，之后經(jīng)過(guò)逆Park、逆Clarke 變換得到目標UVW 三相電流，而三相電流直接決定了電機的扭矩出力。速度環(huán)是將當前速度值與目標速度值進(jìn)行比較得到速度偏差值，之后經(jīng)PI 控制器得到速度修正值送入電流環(huán)，通過(guò)控制伺服電機電流達到控制電機轉速的目的。位置環(huán)是三環(huán)控制中的最外環(huán)，通過(guò)將當前電機位置與目標位置進(jìn)行比較，經(jīng)PI 控制器之后得到位置修正值，通過(guò)控制電機速度使電機至運行目標位置。伺服電機的三環(huán)控制都在伺服驅動(dòng)器中實(shí)現^[4]。

2.2 改進(jìn)前的定長(cháng)切割控制方法

定長(cháng)切割方法主要是直接參與伺服電機三環(huán)控制中的位置環(huán)控制，通過(guò)控制伺服電機位置進(jìn)而控制電機轉速，目標速度決定了電流環(huán)的目標電流^[5]。根據內框紙切割長(cháng)度及色標在內框紙上的位置，可由式（1）計算得出電機目標位置，將由電機編碼器反饋的當前位置與目標位置作比較，計算得出位置偏差值。將該偏差值作為運行在電子齒輪下的從軸周期長(cháng)度的補償值，進(jìn)而得出下一周期電子齒輪的新的周期長(cháng)度，使得從軸電機的電子齒輪根據補償值不斷變化。但這種控制方法只能將本周期計算得到的補償值在下個(gè)周期進(jìn)行電子齒輪的切換，由于ZB48A 機組內框紙部件速度較快，可達700包/min，尤其當觸發(fā)檢測的標位處于周期的前端時(shí)，會(huì )導致糾偏時(shí)間間隔較長(cháng)，而在這段時(shí)間內內框紙偏移量可能已經(jīng)發(fā)生改變。如果不能及時(shí)將補償值加入反饋中進(jìn)行糾偏，會(huì )使得電機累計誤差不斷增大，內框紙會(huì )發(fā)生堵塞、斷裂等情況，進(jìn)而影響機組穩定運行^[6]。

其中，P_ref為電機目標位置；P_mark為色標傳感器感應時(shí)電機位置；C_vel為主軸速度矯正系數；L_frame為內框紙長(cháng)度；F為電機進(jìn)給周期常數。

2.3 改進(jìn)后的定長(cháng)切割控制方法

改進(jìn)后的定長(cháng)切割控制框圖如圖2所示，在位置、速度、電流三環(huán)控制的基礎上，在位置反饋上添加YOffset 環(huán)節，通過(guò)伺服電編碼器獲得實(shí)際色標位置與給定色標位置進(jìn)行比較，從而觸發(fā)YOffset 使能。其中， mechanic 為電流環(huán)干擾，包括負載轉矩J-Load、齒輪轉矩J-Gear、齒輪比GearIn/GearOut 以及進(jìn)給常量FeedConstant 等。電機編碼器獲取電機位置P_Feedback 進(jìn)行反饋，通過(guò)與時(shí)間微分得到速度的反饋值V_Feedback。改進(jìn)后的控制策略可改善改進(jìn)前切換電子齒輪方法無(wú)法在當前周期就對當前檢測出的偏離值進(jìn)行糾偏的缺點(diǎn)，避免了累加誤差的產(chǎn)生。

3   軟件實(shí)現

采用施耐德運動(dòng)控制軟件Somachine Motion 進(jìn)行伺服程序的編寫(xiě)與設計， 編程語(yǔ)言和規范符合IEC61131-3 標準，PLC 程序采用TWINCAT3 進(jìn)行編寫(xiě)調試。邏輯控制總體框圖如圖3 所示，分為標位功能啟用與不啟用兩種模式，其中標位功能啟用時(shí)，由于伺服電機與內框紙輸送輥連接，因此從軸電機與主軸嚙合采用的為熱啟動(dòng)模式，即伺服電機需要在嚙合過(guò)程中轉動(dòng)到與主軸匹配的相位，這樣不僅可以實(shí)現電氣位置的嚙合，也實(shí)現了機械結構上位置的嚙合。不啟用色標功能時(shí)采用冷啟動(dòng)模式，即直接將電機邏輯編碼器位置寫(xiě)為與主軸位置匹配的位置度數，只需要電氣意義上的嚙合，不需要機械結構上位置的嚙合。

YOff set部分的控制邏輯如圖4 所示，其中Threshold為觸發(fā)補償糾偏的閾值，Reject為觸發(fā)剔除的閾值。判斷標位是否抓取成功，如果色標傳感器連續三次沒(méi)有捕獲到色標則報錯停機；判斷抓取到的偏差值是否大于剔除閾值，如果連續剔除過(guò)多，則報錯停機。因此，只有偏差值在Threshold和Reject之間時(shí)YOff set才會(huì )對偏差進(jìn)行補償。

4   樣機試驗

如圖5為內框紙定長(cháng)切割裝置樣機，采用施耐德LMC300伺服控制器，LXM52驅動(dòng)器，伺服電機采用SH3系列電機，PLC控制采用倍福CX2030 系列。

圖5 試驗樣機

4.1 試驗條件

試驗樣機為ZB48A機組，試驗速度為600包/min，內框紙規格為35.5mm，試驗控制參數如表1 所示。

4.2 試驗結果

圖6 和圖7 分別為利用下一周期切換電子齒輪NewCam方法和優(yōu)化后的YOffset方法控制下的電機運行狀態(tài)波形，從圖中可以看出，利用NewCam方法控制下的電機由于累計誤差的產(chǎn)生導致補償糾偏較為頻繁，且從軸電機與主軸之間的跟隨誤差在±0.1之間，這就會(huì )導致累計誤差增大與補償頻繁之間的循環(huán)。優(yōu)化后的YOffset控制下的電機可在當前周期就將偏差值補償，因此補償糾偏的頻率大大減少，且從軸電機的跟隨誤差只有±0.01。

圖6 NewCam控制下的定長(cháng)切割

圖7 YOffset控制下的定長(cháng)切割

樣機存在左右兩卷內框紙材料，當一卷檢測到直徑達到最低限度或檢測到由于原輔材料制作產(chǎn)生的內部接頭時(shí)會(huì )產(chǎn)生拼接動(dòng)作^[7-8]。對于內框紙定長(cháng)切割裝置而言，必須在新的一卷內框紙輸送前進(jìn)行重新再次尋零，如圖8為拼接發(fā)生時(shí)伺服電機運行參數波形圖。

圖8 左右卷筒內框紙拼接

從圖中可以看出，拼接開(kāi)始時(shí)，主軸首先進(jìn)行降速，經(jīng)過(guò)7 個(gè)工位之后伺服電機切換到stop 曲線(xiàn)停止運行準備進(jìn)行新的尋零動(dòng)作，此時(shí)主軸繼續保持運行以將前一卷殘留的內框紙材料開(kāi)完給新一卷的材料預留尋零空間，此時(shí)切割出來(lái)的內框紙需要進(jìn)行剔除。在拼接開(kāi)始13 個(gè)工位之后，主軸停機，此時(shí)從軸伺服進(jìn)行尋零，尋零完成后，主從軸嚙合動(dòng)作，繼續進(jìn)行定長(cháng)切割運轉，最先切割出的兩張內框紙需要剔除。

5   結束語(yǔ)

通過(guò)試驗可以看出，優(yōu)化后的方法使得內框紙定長(cháng)切割的精確度更高，且電機與主軸之間的跟隨性更好，機組運行時(shí)因內框紙定長(cháng)裝置導致的堵車(chē)、斷裂進(jìn)而停車(chē)的故障率更低，降低了煙包剔除率及故障停機導致的經(jīng)濟損失。目前，該內框紙定長(cháng)切割裝置已在柳州卷煙廠(chǎng)、昭通卷煙廠(chǎng)等正常生產(chǎn)使用。

參考文獻：

[1] 陳奕建,閉傳琦,楊保海,等.伺服電機控制系統的設計[J].電子制作,2022,30(5):68-70.

[2] 寇寶泉,程樹(shù)康.交流伺服電機及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[3] 黃玉釧,曲道奎,徐方,等.伺服電機的預測控制與比例-積分-微分控制[J].計算機應用,2012,32(10):2944-2947.

[4] 龔佳偉.基于電子齒輪的卷煙包裝機輸出通道優(yōu)化設計[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2017,39(9):26-29.

[5] NIU M, ZHOU Y, CHEN L, et al. Research on servo control system of electromechanical actuators with compound control and three closed-loop[C].2018 International Conference on Sensing, Diagnostics, Prognostics, and Control (SDPC), 2018.

[6] 徐國現,陳圣,權發(fā)香,等.FOCKE350內框紙接頭新型檢測裝置的研制[J].設備管理與維修,2021(15):29-32.

[7] 韓蕓,陳黎.ZB48型硬盒硬條包裝機組(電氣部分)上冊[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2021.

[8] 韓蕓,陳黎.ZB48型硬盒硬條包裝機組(電氣部分)下冊[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2021.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）