基于電子齒輪的定長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(wěn)定等優(yōu)點在煙草包裝機中得到大量應(yīng)用^[1-2]，傳統(tǒng)的凸輪、齒輪等機械結(jié)構(gòu)逐漸被伺服電機所取代。根據(jù)卷煙包裝的發(fā)展需求，卷煙廠為了實現(xiàn)更加豐富的煙盒包裝形式，包裝材料如內(nèi)框紙、盒外透明紙等逐漸由傳統(tǒng)的無圖案變?yōu)橛刑厥鈭D案或活動宣傳二維碼。這就需要對內(nèi)框紙、透明紙等包裝材料進行固定長度的裁切，且使得每一個裁切下來的紙張上的圖案均在同一位置，這就是定長切割功能，對于卷煙包裝設(shè)備，各原輔材料裁切誤差一般不超過±0.5 mm。

本文基于ZB48A 型卷煙包裝機組，設(shè)計了一種基于伺服電機的內(nèi)框紙定長切割裝置，采用電子齒輪取代常規(guī)的機械齒輪對內(nèi)框紙輸送輥進行控制，對傳統(tǒng)的切換凸輪曲線控制方法進行優(yōu)化，實現(xiàn)了更高的定長切割控制精度和電機穩(wěn)定性。

1   定長切割裝置

內(nèi)框紙定長切割裝置主要包括內(nèi)框紙輸送輥伺服電機、色標(biāo)檢測器及放大器等，切刀輥則通過機械連軸跟隨主電機運動，控制系統(tǒng)硬件包括伺服控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機、PLC。伺服控制器與驅(qū)動器之間采用SERCOSⅢ 總線通訊，SERCOSⅢ 的循環(huán)掃描時間為1 ms，PLC 與伺服系統(tǒng)之間采用EtherCAT 總線通訊。

通過將色標(biāo)傳感器感應(yīng)到內(nèi)框紙上的色標(biāo)標(biāo)記時伺服電機邏輯編碼器位置與計算得到的標(biāo)準位置進行比較，得到該工位上偏差值，通過控制輸送輥輸送快慢改變輸送長度以補償該偏差值，使得每個工位上的內(nèi)框紙長度保持一致的同時每張內(nèi)框紙上圖案偏差在要求的±0.5 mm 以內(nèi)。

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(nèi)環(huán)也是最復(fù)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(biāo)系αβ 下的兩相正交電流之后，再經(jīng)Park 變換轉(zhuǎn)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)過逆Park、逆Clarke 變換得到目標(biāo)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(dāng)前速度值與目標(biāo)速度值進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)，通過控制伺服電機電流達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。位置環(huán)是三環(huán)控制中的最外環(huán)，通過將當(dāng)前電機位置與目標(biāo)位置進行比較，經(jīng)PI 控制器之后得到位置修正值，通過控制電機速度使電機至運行目標(biāo)位置。伺服電機的三環(huán)控制都在伺服驅(qū)動器中實現(xiàn)^[4]。

2.2 改進前的定長切割控制方法

定長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，通過控制伺服電機位置進而控制電機轉(zhuǎn)速，目標(biāo)速度決定了電流環(huán)的目標(biāo)電流^[5]。根據(jù)內(nèi)框紙切割長度及色標(biāo)在內(nèi)框紙上的位置，可由式（1）計算得出電機目標(biāo)位置，將由電機編碼器反饋的當(dāng)前位置與目標(biāo)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度的補償值，進而得出下一周期電子齒輪的新的周期長度，使得從軸電機的電子齒輪根據(jù)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周期進行電子齒輪的切換，由于ZB48A 機組內(nèi)框紙部件速度較快，可達700包/min，尤其當(dāng)觸發(fā)檢測的標(biāo)位處于周期的前端時，會導(dǎo)致糾偏時間間隔較長，而在這段時間內(nèi)內(nèi)框紙偏移量可能已經(jīng)發(fā)生改變。如果不能及時將補償值加入反饋中進行糾偏，會使得電機累計誤差不斷增大，內(nèi)框紙會發(fā)生堵塞、斷裂等情況，進而影響機組穩(wěn)定運行^[6]。

其中，P_ref為電機目標(biāo)位置；P_mark為色標(biāo)傳感器感應(yīng)時電機位置；C_vel為主軸速度矯正系數(shù)；L_frame為內(nèi)框紙長度；F為電機進給周期常數(shù)。

2.3 改進后的定長切割控制方法

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

3   軟件實現(xiàn)

采用施耐德運動控制軟件Somachine Motion 進行伺服程序的編寫與設(shè)計， 編程語言和規(guī)范符合IEC61131-3 標(biāo)準，PLC 程序采用TWINCAT3 進行編寫調(diào)試。邏輯控制總體框圖如圖3 所示，分為標(biāo)位功能啟用與不啟用兩種模式，其中標(biāo)位功能啟用時，由于伺服電機與內(nèi)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模式，即伺服電機需要在嚙合過程中轉(zhuǎn)動到與主軸匹配的相位，這樣不僅可以實現(xiàn)電氣位置的嚙合，也實現(xiàn)了機械結(jié)構(gòu)上位置的嚙合。不啟用色標(biāo)功能時采用冷啟動模式，即直接將電機邏輯編碼器位置寫為與主軸位置匹配的位置度數(shù)，只需要電氣意義上的嚙合，不需要機械結(jié)構(gòu)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(biāo)位是否抓取成功，如果色標(biāo)傳感器連續(xù)三次沒有捕獲到色標(biāo)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(xù)剔除過多，則報錯停機。因此，只有偏差值在Threshold和Reject之間時YOff set才會對偏差進行補償。

4   樣機試驗

如圖5為內(nèi)框紙定長切割裝置樣機，采用施耐德LMC300伺服控制器，LXM52驅(qū)動器，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(nèi)框紙規(guī)格為35.5mm，試驗控制參數(shù)如表1 所示。

4.2 試驗結(jié)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(dǎo)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，這就會導(dǎo)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(dāng)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控制下的定長切割

圖7 YOffset控制下的定長切割

樣機存在左右兩卷內(nèi)框紙材料，當(dāng)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(nèi)部接頭時會產(chǎn)生拼接動作^[7-8]。對于內(nèi)框紙定長切割裝置而言，必須在新的一卷內(nèi)框紙輸送前進行重新再次尋零，如圖8為拼接發(fā)生時伺服電機運行參數(shù)波形圖。

圖8 左右卷筒內(nèi)框紙拼接

從圖中可以看出，拼接開始時，主軸首先進行降速，經(jīng)過7 個工位之后伺服電機切換到stop 曲線停止運行準備進行新的尋零動作，此時主軸繼續(xù)保持運行以將前一卷殘留的內(nèi)框紙材料開完給新一卷的材料預(yù)留尋零空間，此時切割出來的內(nèi)框紙需要進行剔除。在拼接開始13 個工位之后，主軸停機，此時從軸伺服進行尋零，尋零完成后，主從軸嚙合動作，繼續(xù)進行定長切割運轉(zhuǎn)，最先切割出的兩張內(nèi)框紙需要剔除。

5   結(jié)束語

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

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[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.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）