基于電子齒輪的卷煙包裝機輸出通道優(yōu)化設(shè)計

（中煙機械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海 201206）

0 引言

隨著計算機技術(shù)和交流伺服驅(qū)動技術(shù)的不斷進步，伺服驅(qū)動技術(shù)在全數(shù)字化、高性能化、多功能化、小型化和模塊網(wǎng)絡(luò)化等方面存在著諸多優(yōu)勢[1,2]。在卷煙生產(chǎn)工業(yè)中越來越多的機械傳動被伺服驅(qū)動所取代，其中比較有代表性的為德國HAUNI公司Protos-M系列卷接機組[3,4]以及意大利GD公司的H1000包裝機組[5]，上海煙機公司的ZB47[6]和ZB28型包裝機組以及常德煙機公司的ZJ116型卷煙機組。

本文分別介紹了優(yōu)化前與優(yōu)化后ZB415型包裝機煙包輸出通道的控制方法，并對兩種控制方法進行了對比，闡述了優(yōu)化前該系統(tǒng)存在的不足，以及優(yōu)化后的控制方法。

本文介紹的樣機控制系統(tǒng)采用了施耐德運動控制器LMC300C、LXM62驅(qū)動器和MH3伺服電機,采用SERCOS III作為伺服的同步總線，采用電子齒輪控制方式實現(xiàn)上下兩條輸出通道同步協(xié)調(diào)運動，其控制精度和動態(tài)性能均能滿足要求。采用了優(yōu)化后的控制方法后，輸出通道在電子齒輪脫開同步和嚙合同步情況下運動更優(yōu)化，相對于原控制方法減少了機械沖擊，增加機械結(jié)構(gòu)和伺服電機的使用壽命。

1 系統(tǒng)工作原理

ZB415型煙包包裝機的煙包輸出通道如圖1所示，輸出通道分為上下兩個通道，分別由兩個伺服電機驅(qū)動，右側(cè)的包裝輪將包裝完成的煙包通過推手送到滑塊內(nèi)，滑塊上下移動，將煙包分配到兩條輸出通道上。煙包在輸出通道上需要緊密排列，防止包裝好的煙包在膠水未烘干前散開。在正常運行時伺服電機和主傳動之間是通過電子齒輪嚙合，而當(dāng)出現(xiàn)缺包時，伺服電機和主傳動脫開電子齒輪同步，等到下次再有煙包，伺服電機和主傳動再次嚙合同步。伺服電機跟隨主傳動的速度信號和位置信號來自與主傳動的編碼器，而包裝輪、滑塊和推手的運動都是通過機械結(jié)構(gòu)傳動與主傳動保持同步。

圖1 輸出通道原理圖

1.1 優(yōu)化前煙包輸出通道控制方法

未優(yōu)化前采用的控制硬件是GD公司專用的基于MicroII系統(tǒng)專用運動控制卡和專用伺服驅(qū)動器，系統(tǒng)封閉，通用性較差，采購價格高。

控制方法方面如下所述，假設(shè)機器以某個恒定速度勻速運行，主驅(qū)動每轉(zhuǎn)一圈所用時間為t，主驅(qū)動每轉(zhuǎn)1圈包裝輪就輸出一包煙；在沒有缺包的情況下主驅(qū)動轉(zhuǎn)2圈，輸出通道移動1包煙的寬度為S。如圖2中時間-速度曲線所示，時間0～2t為輸出通道在正常運行，輸出通道皮帶與主驅(qū)動編碼器保持同步齒輪嚙合，速度為V；時間2t～6t為包裝輪相應(yīng)工位缺煙包，輸出通道運行速度在第一個機器周期（2t～3t）時設(shè)為2V/3，第二個機器周期（3t～4t）設(shè)為V/3，第三個機器周期（4t～5t）設(shè)為V/3，第四個機器周期（5t～6t）設(shè)為2V/3；由時間-位置曲線所示可知，在0～2t時間內(nèi)，輸出通道正常運行，包裝輪無缺包，輸出通道運行距離S；而2t～6t時間內(nèi)，輸出通道運行距離為S，空出來的缺包位置就能被補上，就能實現(xiàn)煙包緊密排列。但是這種控制方法存在一個缺點，從時間-速度曲線可以看出在2t和3t以及5t和6t時速度曲線不連續(xù)，發(fā)生跳變，理論上這些位置的加速度是無窮大的，但在實際的伺服系統(tǒng)中加速度的值受限于電機的最大輸出扭矩和外部負載的轉(zhuǎn)動慣量等因素，這樣會使電機的跟隨誤差增大，同時機械結(jié)構(gòu)也會受到瞬時沖擊，影響系統(tǒng)的使用壽命。

圖2 優(yōu)化前時間-速度曲線和時間位移曲線

1.2 優(yōu)化后煙包輸出通道控制方法

優(yōu)化后采用了市場上通用的器件，系統(tǒng)開放性好，采購成本大幅降低。

在控制軟件方面作了較大的改進，假設(shè)機器的運行條件跟優(yōu)化前一致，將圖2和圖3對比可知，優(yōu)化后和優(yōu)化前不同點在于，在2t～6t范圍內(nèi)，由時間-速度曲線可知，在脫開嚙合時速度隨著時間的變化按比例逐步減小，在嚙合過程中速度隨著時間的變化按比例逐步增大，這樣速度曲線是連續(xù)的，加速度是一個固定值，這樣電機的輸出扭矩為一個固定的可控值，這樣在電機脫開嚙合與嚙合時的跟隨誤差比較小，對機械結(jié)構(gòu)的沖擊也較優(yōu)化前減小很多。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

本設(shè)計采用了施耐德LMC系列運動控制器，LXM62系列伺服驅(qū)動器和MH3系列伺服電機，采用SERCOS III作為伺服的同步總線。

圖3 優(yōu)化后時間-速度曲線和時間位移曲線

2.1 控制系統(tǒng)硬件

圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中運動控制器通過SERCOS III總線將電機的位置設(shè)定值和加速度設(shè)定值發(fā)送給伺服驅(qū)動器，并同時采集驅(qū)動器反饋的電機實際位置、速度、加速度和電流等信號，再由電機驅(qū)動器對電機電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)模型進行計算，圖4中的電源模塊的作用是將三相交流電源轉(zhuǎn)化為直流母線電源，給各伺服驅(qū)動器供電，并將電機制動時的多余電能通過制動電阻轉(zhuǎn)化為熱能。圖4中的M為上部輸出通道和下部輸出通道電機，E為與主傳動耦合的編碼器。

2.2 單電機軸運動控制模型

圖5 單電機控制模型

單個電機軸的運動控制由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成如圖5所示，三個環(huán)的計算都是在伺服驅(qū)動器中完成，為了得到高的動態(tài)性能位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)均采用了125us的掃描周期。伺服驅(qū)動器接收來自運動控制器的位置設(shè)定值和加速度設(shè)定值，由于SERCOS III的總線循環(huán)時間為1ms，而位置、速度和電流環(huán)的掃描時間為125us，掃描時間不一致，故采用IPO對位置設(shè)定值和加速度設(shè)定值按時間進行線性插補，設(shè)定值進行插補計算后，再輸出給各個控制環(huán)。其中，Kv為位置環(huán)比例系數(shù)，速度環(huán)和電流環(huán)均采用了PI調(diào)節(jié)器。Vs為插補后速度前饋值，為了提高電機的速度響應(yīng)。As為插補后加速度前饋值，并結(jié)合外部機械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量和減速比，來計算電機電流環(huán)的前饋值，這樣能提高電機的快速響應(yīng)性能。在電流環(huán)的輸入處采用了二階低通濾波器（PT2），是為了降低扭矩波動造成的電機震動。在電機的速度反饋采用了一階低通濾波器（PT1），目的是為了防止編碼器由于外界干擾而導(dǎo)致位置和速度信號的抖動。

圖5中各符號含義：

As：插補后加速度前饋值；

Vs：插補后速度前饋值；

Xs：插補后位置設(shè)定值；

IPO：插補器；

Kv：位置環(huán)增益；

PI：比例積分調(diào)節(jié)器；

PT1：一階低通濾波器；

PT2：二階低通濾波器；

dXa/dt：位置實際值微分（速度反饋）；

M：電機繞組；

E：電機編碼器。

2.3 控制程序

本樣機的控制程序設(shè)計和調(diào)試采用施耐德LMC系列專用運動控制程序設(shè)計軟件SoMachine Motion，編程語言和規(guī)范符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)[7,8]。程序總體邏輯框圖如圖6所示。

2.4 通道電機電子齒輪嚙合與脫開嚙合的計算方法

圖6 控制程序框圖

單個軸嚙合與脫開嚙合中的關(guān)鍵在于通道伺服電機和主軸的電子齒輪比應(yīng)該是一個線性變化的過程，即齒輪比隨著主軸的相位變化。先假定當(dāng)通道電機和主軸完全嚙合時的電子齒輪比為1，完全脫開時的電子齒輪比為0，當(dāng)脫開嚙合時計算方法如式(1)所示：

當(dāng)同步嚙合時計算方法如式(2)所示：

其中Δ是從開始脫開或者開始同步主軸所轉(zhuǎn)過的相位值；

i為電子齒輪嚙合的齒輪比；

K為緊密度系數(shù)，通常情況下為1，如果需要煙包排列更緊密可將K調(diào)??；

Sa為實際煙包寬度；

S為標(biāo)準(zhǔn)煙包寬度。

由于對同步精度的要求較高，上述兩個公式采用1ms的任務(wù)周期進行計算。

3 樣機實驗

如圖7所示為樣機上下兩條煙包通道，煙包在通道內(nèi)烘干并跟隨主軸運行的速度向前輸送。

3.1 試驗條件

包裝機以500包/分鐘的速度運行，即主傳動轉(zhuǎn)速500rpm，煙包寬度為23.2mm，機器主傳動和煙包輸出通道伺服控制系統(tǒng)之間采用一個1800線/轉(zhuǎn)的脈沖編碼器進行耦合，該脈沖編碼器作為上、下兩個輸出通道伺服電機的電子主軸，給兩個電機提供速度和位置信號。實驗中采用了采用施耐德公司的SoMachine Motion軟件，對電機的速度位置和主軸的相位數(shù)據(jù)進行采集，采樣周期為4ms。

圖7 實驗原理樣機

3.2 試驗結(jié)果分析

如圖8所示為采樣所得到的數(shù)據(jù)繪制成的曲線，單個電機在上下滑塊上無煙包時的啟停曲線，圖中橫坐標(biāo)方向為時間單位為（ms），左側(cè)縱坐標(biāo)為主軸相位單位為（°），右側(cè)縱坐標(biāo)為通道位置單位為（mm），虛線為主軸相位曲線，點劃線為煙包通道位置曲線，實線為煙包通道速度曲線。如曲線所示，在主軸運行四個周期（即4包煙）時，煙包通道通過脫開嚙合和同步嚙合恰好運行了1包煙的寬度（約23.2mm），這樣恰好少運行了一包空煙包的寬度，達到了緊密排列的效果。

圖8 單個通道電機脫開同步和嚙合時位置、速度曲線

4 結(jié)論

現(xiàn)在該樣機正在廣西南寧卷煙廠使用，從實驗結(jié)果和現(xiàn)場運行效果來看，該控制系統(tǒng)動態(tài)性能和同步精度等方面均能滿足正常生產(chǎn)的需求。同時該系統(tǒng)優(yōu)化后，增強了系統(tǒng)的開放性，降低了采購成本，在性能方面減少了機械沖擊和電機的沖擊，能提高伺服電機和減速機的使用壽命，同時通過參數(shù)化設(shè)計使系統(tǒng)更加柔性化，提供更多的診斷信息易于用戶的維護保養(yǎng)。

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