基于電子齒輪的定長切割裝置控制方法優(yōu)化研究

趙鑫 朱奕希

摘要：針對切換電子齒輪的定長切割無法及時對偏移量進(jìn)行補償?shù)膯栴}，介紹了定長切割裝置的構(gòu)成，介紹了傳統(tǒng)的伺服電機三環(huán)控制策略，提出了一種改進(jìn)的基于電子齒輪的內(nèi)框紙定長切割控制方法，優(yōu)化后的定長切割方法可以實現(xiàn)當(dāng)前周期對誤差進(jìn)行補償，并在ZB48機組上進(jìn)行了試驗，優(yōu)化后的控制方法實現(xiàn)了更高的定長切割精度，大大減少了電機的跟隨誤差，提高了電機的運行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電子齒輪；定長切割；伺服電機；內(nèi)框紙

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(jìn)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(jìn)行控制，對傳統(tǒng)的切換凸輪曲線控制方法進(jìn)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(zhǔn)位置進(jìn)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(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)，通過控制伺服電機電流達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)而影響機組穩(wěn)定運行[6]。

其中，P ref 為電機目標(biāo)位置；

Pmark為色標(biāo)傳感器感應(yīng)時電機位置；

Cvel為主軸速度矯正系數(shù)；

Lframe為內(nèi)框紙長度；

F 為電機進(jìn)給周期常數(shù)。

2.3改進(jìn)后的定長切割控制方法

改進(jìn)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(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。電機編碼器獲取電機位置P_Feedback進(jìn)行反饋，通過與時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法在當(dāng)前周期就對當(dāng)前檢測出的偏離值進(jìn)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(jìn)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(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，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。

YOffset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YOffset才會對偏差進(jìn)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。

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35.5 mm，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。

樣機存在左右兩卷內(nèi)框紙材料，當(dāng)一卷檢測到直徑達(dá)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(jìn)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。

從圖中可以看出，拼接開始時，主軸首先進(jìn)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(zhǔn)備進(jìn)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(jìn)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(jìn)行尋零，尋零完成后，主從軸嚙合動作，繼續(xù)進(jìn)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(jìn)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(jì)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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