基于電子齒輪的定長(zhǎng)切割裝置控制方法優(yōu)化研究

0   引言

伺服電機(jī)因其具有控制精度高、高速運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在煙草包裝機(jī)中得到大量應(yīng)用^[1-2]，傳統(tǒng)的凸輪、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸被伺服電機(jī)所取代。根據(jù)卷煙包裝的發(fā)展需求，卷煙廠為了實(shí)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(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(duì)內(nèi)框紙、透明紙等包裝材料進(jìn)行固定長(zhǎng)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(zhǎng)切割功能，對(duì)于卷煙包裝設(shè)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(jī)組，設(shè)計(jì)了一種基于伺服電機(jī)的內(nèi)框紙定長(zhǎng)切割裝置，采用電子齒輪取代常規(guī)的機(jī)械齒輪對(duì)內(nèi)框紙輸送輥進(jìn)行控制，對(duì)傳統(tǒng)的切換凸輪曲線控制方法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了更高的定長(zhǎng)切割控制精度和電機(jī)穩(wěn)定性。

1   定長(zhǎng)切割裝置

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

通過(guò)將色標(biāo)傳感器感應(yīng)到內(nèi)框紙上的色標(biāo)標(biāo)記時(shí)伺服電機(jī)邏輯編碼器位置與計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度以補(bǔ)償該偏差值，使得每個(gè)工位上的內(nèi)框紙長(zhǎng)度保持一致的同時(shí)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(jī)控制策略

單電機(jī)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(guò)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(jī)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(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(jī)電流達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)前電機(jī)位置與目標(biāo)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(jī)速度使電機(jī)至運(yùn)行目標(biāo)位置。伺服電機(jī)的三環(huán)控制都在伺服驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)^[4]。

2.2 改進(jìn)前的定長(zhǎng)切割控制方法

定長(zhǎng)切割方法主要是直接參與伺服電機(jī)三環(huán)控制中的位置環(huán)控制，通過(guò)控制伺服電機(jī)位置進(jìn)而控制電機(jī)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(zhǎng)度及色標(biāo)在內(nèi)框紙上的位置，可由式（1）計(jì)算得出電機(jī)目標(biāo)位置，將由電機(jī)編碼器反饋的當(dāng)前位置與目標(biāo)位置作比較，計(jì)算得出位置偏差值。將該偏差值作為運(yùn)行在電子齒輪下的從軸周期長(zhǎng)度的補(bǔ)償值，進(jìn)而得出下一周期電子齒輪的新的周期長(zhǎng)度，使得從軸電機(jī)的電子齒輪根據(jù)補(bǔ)償值不斷變化。但這種控制方法只能將本周期計(jì)算得到的補(bǔ)償值在下個(gè)周期進(jìn)行電子齒輪的切換，由于ZB48A 機(jī)組內(nèi)框紙部件速度較快，可達(dá)700包/min，尤其當(dāng)觸發(fā)檢測(cè)的標(biāo)位處于周期的前端時(shí)，會(huì)導(dǎo)致糾偏時(shí)間間隔較長(zhǎng)，而在這段時(shí)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(shí)將補(bǔ)償值加入反饋中進(jìn)行糾偏，會(huì)使得電機(jī)累計(jì)誤差不斷增大，內(nèi)框紙會(huì)發(fā)生堵塞、斷裂等情況，進(jìn)而影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行^[6]。

其中，P_ref為電機(jī)目標(biāo)位置；P_mark為色標(biāo)傳感器感應(yīng)時(shí)電機(jī)位置；C_vel為主軸速度矯正系數(shù)；L_frame為內(nèi)框紙長(zhǎng)度；F為電機(jī)進(jìn)給周期常數(shù)。

2.3 改進(jìn)后的定長(zhǎng)切割控制方法

改進(jìn)后的定長(zhǎng)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(guò)伺服電編碼器獲得實(shí)際色標(biāo)位置與給定色標(biāo)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(fù)載轉(zhuǎn)矩J-Load、齒輪轉(zhuǎn)矩J-Gear、齒輪比GearIn/GearOut 以及進(jìn)給常量FeedConstant 等。電機(jī)編碼器獲取電機(jī)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(dāng)前周期就對(duì)當(dāng)前檢測(cè)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(xiàn)

采用施耐德運(yùn)動(dòng)控制軟件Somachine Motion 進(jìn)行伺服程序的編寫與設(shè)計(jì)， 編程語(yǔ)言和規(guī)范符合IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，PLC 程序采用TWINCAT3 進(jìn)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(shí)，由于伺服電機(jī)與內(nèi)框紙輸送輥連接，因此從軸電機(jī)與主軸嚙合采用的為熱啟動(dòng)模式，即伺服電機(jī)需要在嚙合過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)到與主軸匹配的相位，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)電氣位置的嚙合，也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)上位置的嚙合。不啟用色標(biāo)功能時(shí)采用冷啟動(dòng)模式，即直接將電機(jī)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(jī)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(bǔ)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(bào)錯(cuò)停機(jī)；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(guò)多，則報(bào)錯(cuò)停機(jī)。因此，只有偏差值在Threshold和Reject之間時(shí)YOff set才會(huì)對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

4   樣機(jī)試驗(yàn)

如圖5為內(nèi)框紙定長(zhǎng)切割裝置樣機(jī)，采用施耐德LMC300伺服控制器，LXM52驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)采用SH3系列電機(jī)，PLC控制采用倍福CX2030 系列。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)樣機(jī)為ZB48A機(jī)組，試驗(yàn)速度為600包/min，內(nèi)框紙規(guī)格為35.5mm，試驗(yàn)控制參數(shù)如表1 所示。

4.2 試驗(yàn)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)波形，從圖中可以看出，利用NewCam方法控制下的電機(jī)由于累計(jì)誤差的產(chǎn)生導(dǎo)致補(bǔ)償糾偏較為頻繁，且從軸電機(jī)與主軸之間的跟隨誤差在±0.1之間，這就會(huì)導(dǎo)致累計(jì)誤差增大與補(bǔ)償頻繁之間的循環(huán)。優(yōu)化后的YOffset控制下的電機(jī)可在當(dāng)前周期就將偏差值補(bǔ)償，因此補(bǔ)償糾偏的頻率大大減少，且從軸電機(jī)的跟隨誤差只有±0.01。

圖6 NewCam控制下的定長(zhǎng)切割

圖7 YOffset控制下的定長(zhǎng)切割

樣機(jī)存在左右兩卷內(nèi)框紙材料，當(dāng)一卷檢測(cè)到直徑達(dá)到最低限度或檢測(cè)到由于原輔材料制作產(chǎn)生的內(nèi)部接頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生拼接動(dòng)作^[7-8]。對(duì)于內(nèi)框紙定長(zhǎng)切割裝置而言，必須在新的一卷內(nèi)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(jī)運(yùn)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(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(jī)切換到stop 曲線停止運(yùn)行準(zhǔn)備進(jìn)行新的尋零動(dòng)作，此時(shí)主軸繼續(xù)保持運(yùn)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(shí)切割出來(lái)的內(nèi)框紙需要進(jìn)行剔除。在拼接開始13 個(gè)工位之后，主軸停機(jī)，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(xù)進(jìn)行定長(zhǎng)切割運(yùn)轉(zhuǎn)，最先切割出的兩張內(nèi)框紙需要剔除。

5   結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 寇寶泉,程樹康.交流伺服電機(jī)及其控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 黃玉釧,曲道奎,徐方,等.伺服電機(jī)的預(yù)測(cè)控制與比例-積分-微分控制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,32(10):2944-2947.

[4] 龔佳偉.基于電子齒輪的卷煙包裝機(jī)輸出通道優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(guó)現(xiàn),陳圣,權(quán)發(fā)香,等.FOCKE350內(nèi)框紙接頭新型檢測(cè)裝置的研制[J].設(shè)備管理與維修,2021(15):29-32.

[7] 韓蕓,陳黎.ZB48型硬盒硬條包裝機(jī)組(電氣部分)上冊(cè)[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(jī)組(電氣部分)下冊(cè)[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）