基于臺達伺服解決方案的高速牙刷植毛機

1 引言

　　現代社會牙齒已成為健康美麗的標志，牙刷的需求也在逐漸增加。目前，全球牙刷年需求量已經超過90億支，并以每年10%的速度遞增。中國人口眾多，牙刷做為現代生活必需品需求相當的大。牙刷雖小卻是一個消費巨大市場成熟的大商品，并且伴隨著生活質量的提高，對于牙刷的質量同樣提高，優質的保健牙刷設備的生產效率以及生產質量需求促進了高速牙刷植毛機的設備開發。
　　江蘇揚州的中國牙刷城――杭集工業園的牙刷產量占中國牙刷產量的80%，年產量達30億支。牙刷設備的生產廠家過去大都用相同品牌的單片機控制系統和伺服電機電控系統，其中伺服系統大多選用日本進口產品。近年臺達伺服產品憑借優異的性能和具有競爭力的價格優勢，在高速牙刷植毛機行業份額逐年遞增。

2 牙刷植毛機原理簡述

　　高速牙刷植毛機傳動結構由主驅動軸和四個伺服驅動軸系統組成。四個伺服軸分別為水平X軸，垂直Y軸，翻板Z軸和換毛U軸。XY兩軸坐標決定牙刷孔的位置，Z軸起更換至下一個牙刷的作用，U軸起到換牙刷毛色的作用。當主軸電機運轉，四個電控伺服軸隨動運轉，主軸停則其余四軸隨動停止。主軸的轉速決定植毛的速度，四個伺服軸響應要求協調驅動，否則會出現脫毛或者毛不齊的現象。應用臺達電通公司的高精度的電氣伺服控制可以做到 1000次/分鐘植毛速度，而且可以做到跳孔植毛，如圖1所示。

圖1 高速牙刷植毛機

2 中達伺服解決方案

2.1 方案規劃

　　目前植毛機電控系統結構主要分為單片機控制系統或CNC數控系統。其中單片機控制系統以自動化系統制造商集成配套服務為主，牙刷設備制造商家自主研發為輔。性能性能更見優越的CNC數控系統多為臺達的PUTNC-H2P和歐日等進口品牌。
　　CNC數控主要是控制軸脈沖命令信號實現伺服驅動，通常是四軸控制輸出實現，臺達的CNC只需兩軸輸出即可實現，另外兩軸中達的伺服可以獨立完成，牙刷植毛機要求系統可以實現兩軸插補運算即可。四套伺服驅動器型號是中達的B系列ASDA-B交流伺服系統，功率400W,驅動器具有多種功能控制。主軸電機變頻器型號是中達的VFD-S，功率大小為400W。

2.2 調試要點

　　伺服解決方案的開發難點是機電系統聯合調試，其中主要是伺服增益的調整。四個伺服軸中X軸與Y軸由于絲杠傳動結構機械慣量比較穩定，調試相對容易一些，頻寬一般可以調到130HZ以上。而翻板Z軸是一個旋轉軸，高速旋轉存在離心力，如果單純將其頻寬設置的很高，電機起停時會有振動，這時可以把位置平滑濾波參數開啟，消除振動。
　　相對來說換毛U軸的凸輪機構機械的構造使得調試比較困難，再加上U軸的機械剛性不好，電機運行起來時慣量比變化較大，馬達輸出電流變化也較大，參數調不好，電機左右運行時，這個軸要么有振動或嘯叫聲，要么反應遲鈍。為此需要應用B系列ASDA-B交流伺服系統的共振抑制功能。圖2為帶有共振的系統增益共振抑制原理。

圖2 帶拒濾波器抑制和低通濾波器抑制比較

　　如圖2所示，當低通濾波器(P2-25)由0開始調大，B.W.會越來越小。雖然共振問題解決了，但是系統響應頻寬和相位邊界也降低了，系統會變得更不穩定，如果可以知道共振頻率，則帶拒濾波器（P2-23,P2-24）可以直接將共振量消除。通常知道共振抑制是多少，使用帶拒濾波器的效果會比低通濾波器好，但是如果共振頻率會隨時間或其它因素漂移，而且漂移的太遠的話，那么就不適合使用帶拒濾波器。本項目設備U軸的運行起來所產生的問題就是共振點飄逸，使用P2-25低通濾波器效果較好，將其參數設大，加之這個軸對位置精度要求不是太高，所以問題得到解決。伺服相關參數設置如表1所示。臺達伺服增益參數調整軟件如圖3所示。

表1 伺服相關參數設置

圖3 臺達伺服增益參數調整軟件

3 結束語

　　通過在客戶的長期的使用，臺達伺服系統性能穩定，效果很好，深受好評。隨著國內高速牙刷植毛機產業生產能力的逐漸提升，植毛機的市場一定競爭的更加激烈，與其配套的剪毛機設備也隨之提升，而且更先進的植毛、剪毛一體機也會出現。臺達伺服憑借極具競爭力的性價比將更受客戶青睞。