李忠華

摘 要：在工業(yè)高速擺臂包裝設備中，擺臂同步控制的穩(wěn)定性直接影響到產品的生產效率和質量，本文分析了工業(yè)上目前存在的幾種同步控制方式，從中找出一種適用于高速擺臂包裝設備的同步控制技術。

關鍵詞：高速；包裝設備；擺臂；同步控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.056

隨著物料包裝生產企業(yè)不斷增長的高速生產需求，對包裝行業(yè)的制造企業(yè)又提出了新的挑戰(zhàn)，新一代高速包裝設備迫待開發(fā)。由于傳統(tǒng)的單擺臂包裝已無法滿足物料包裝生產企業(yè)對生產速度的要求，因此一種新型的雙擺臂包裝應時而生，并在實踐中嶄露頭角，雙擺臂包裝中的雙臂協(xié)調同步是包裝設備高速運行的關鍵技術。下面本文將針對基于主令參考式、基于機械凸輪式、基于驅動器的電子凸輪式、基于運動控制器的虛擬主軸式，這幾種同步技術在包裝設備擺臂控制上的應用，進行分析研究，試圖找到一種綜合性能更優(yōu)的同步方法。

1 同步方法

1.1 基于主令參考式

這種方式是通過外部控制器發(fā)出指令，兩個或多個驅動控制器接收外部控制器（外部控制器可以是PLC，單片機或是工業(yè)IPC，嵌入式控制器）的指令后，開始并行運動，兩個或多個驅動控制器控制的負載可以是正交軌跡運行，也可以是平行軌跡運行的，或其它軌跡方式的。

1.2 基于機械凸輪式

由驅動機構驅動兩個或多個軸按照預定的軌跡使其各自在自己的凸輪曲線槽內運動來實現(xiàn)多軸的同步控制。

1.3 基于驅動器的電子凸輪式

國內外主流高端的驅動產品的控制功能中都有電子凸輪的功能，選擇帶有電子凸輪功能的驅動器，將帶有電子凸輪功能的控制器驅動的電機所連接的軸，稱之為主軸，其它電機軸稱之為從軸，利用控制主軸的控制器生成的電子凸輪表或凸輪曲線，離散化生成一連串的數(shù)字信號發(fā)送給從軸控制器進行主從同步控制。

1.4 基于運動控制器的虛擬主軸式

以運動控制器為核心，由運動控制器生成一個虛擬主軸信號，模擬真實主軸運行情況，通過虛擬主軸輸出電子凸輪曲線控制從軸驅動器驅動從軸，進行主從同步控制。

2 幾種同步方法的運動穩(wěn)定性分析

2.1 階躍響應分析

主令參考式、電子凸輪式、虛擬主軸式都是基于驅動器驅動電機軸的方式，都具有較快階躍響應特性。機械凸輪式和電子凸輪式的運動規(guī)律都是采用多項式運動規(guī)律，它的階躍響應性能與電子凸輪式一樣。

2.2 抗干擾分析

主令參考式的精度僅靠各個軸驅動器的自身來保證，兩軸之間相互沒有干擾；當系統(tǒng)中一個軸存在擾動時，另一個軸不會對擾動做出響應，就會出現(xiàn)雙臂機構無法保持同步運行現(xiàn)象，這種同步對于干擾的響應僅限控制軸本身，不具有雙軸或多軸同步過程的抗干擾能力。

機械凸輪同步式在忽略機械磨損，假定具有較好的加工精度和較低加工誤差下，具有很好的抗干擾能力。

基于驅動器的電子凸輪同步方式這種工作方式只能選取系統(tǒng)實際運動中的一個實軸做為主軸，另一個實軸做為從軸，采取主從方式同步運行，主軸驅動器輸出電子凸輪曲線的軌跡和精度都會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，當主軸受到擾動時，這種干擾會傳遞到從軸中，從軸會受引入的主軸擾動因素影響，在跟隨主軸的同步過程會出現(xiàn)偏離同步曲線的現(xiàn)象；而當從軸受到擾動時，這種干擾不會傳遞到主軸中，會出現(xiàn)從軸不能跟隨主軸同步運行的現(xiàn)象。

基于運動控制器虛擬主軸同步方式這種方式運動控制器具有較強運算功能，控制器輸出的虛擬主軸模擬一個實際主軸，分別控制雙臂驅動的兩個軸做為從軸，也是采用主從方式同步運行，由于運動控制器的具有優(yōu)良性能指標，只要規(guī)劃好主軸與從軸之間的電子凸輪曲線，就能實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。下圖將這幾種同步方式的系統(tǒng)階躍響應得到的曲線繪制在一起，便于分析，從圖中可以看出基于虛擬主軸式的同步方式具有較高的穩(wěn)定性。

2.3 耐沖擊分析

主令參考式各軸獨立運行，只需分析單個軸的運動軌跡，單軸運動軌跡常用的算法，有線性梯形速度軌跡、S形速度軌跡。線性梯形速度軌跡在工業(yè)中有廣泛的應用，曲線兩段是否采用對稱，由曲線兩段的時間段長度是否相等決定，一般情況都采用對稱式的曲線，主要用于點到點移動過程。由于線性梯形速度曲線在快速起停會產生很大的沖擊，而相比線性梯形軌跡S形速度軌跡能夠有效減緩剛性沖擊，但無法避免柔性沖擊。下圖為分別為線性梯形曲線和S形曲線。

機械凸輪式與基于驅動器的電子凸輪式、以及基于運動控制器的虛擬主軸式這幾種方式的運動軌跡曲線都是凸輪曲線，電子凸輪的運動規(guī)律多采用多項式的運動規(guī)律，當多項式采用一次多項式時，驅動的軸作等速運動規(guī)律，在曲線的始末瞬時都會產生剛性的沖擊，當多項式采用二次多項式時，驅動的軸作等加速等減速或拋物線運動規(guī)律，在運動的始、中、末瞬時都會產生柔性的沖擊，是為了保證速度和加速的連續(xù)，既不產生剛性的沖擊，也不產生柔性的沖擊，多項式可采用3-4-5次，一般多選用5次多項式。

3 結論

通過對工業(yè)常用幾種同步控制方法的對比分析，雖然基于機械凸輪式的同步技術也可以實現(xiàn)高速同步，但由于機械凸輪本身設計復雜、加工制造困難，元件易磨損，且加工完成后不能修改凸輪輪廓等缺點，與之相比采用電子凸輪的方式，凸輪曲線可根據實際需要隨時進行軟件修正，不需要加工，沒有元件磨損等優(yōu)點，而采用運動控制器的虛擬主軸與單獨驅動器相比更具有良好的穩(wěn)定性，因此使用基于運動控制器的虛擬主軸式應用于高速包裝設備的擺臂同步控制中是目前比較好的選擇。

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