伺服凸輪曲線控制在制藥機(jī)械上的應(yīng)用

1、<p>　　伺服凸輪曲線控制在制藥機(jī)械上的應(yīng)用</p><p>　　摘要：凸輪曲線，模擬機(jī)械凸輪，將負(fù)載預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡，控制伺服電機(jī)以子曲線的方式實(shí)現(xiàn)．</p><p>　　關(guān)鍵詞：制藥機(jī)械，凸輪，伺服．曲線</p><p>　　急動(dòng)度特性：在機(jī)械原理的凸輪機(jī)構(gòu)里接觸過，叫“躍度”，定義是“加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)”。主要是選擇凸輪機(jī)構(gòu)中，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，當(dāng)加速

2、度突變時(shí)，躍度無窮大，對(duì)推桿有柔性沖擊。</p><p>　　中圖分類號(hào)： TH 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）18-181-2</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　伺服電機(jī)以其很高的傳動(dòng)效率和極高的控制精度受到工控行業(yè)的青睞。無論是速度控制、轉(zhuǎn)矩控制還是位置控制，伺服電機(jī)都表現(xiàn)出了無

3、可超越的優(yōu)勢。同時(shí)，凸輪曲線的應(yīng)用，使得控制方式和應(yīng)用場合更加廣泛和自如。</p><p>　　在制藥行業(yè)，隨著新版GMP的推出，藥廠對(duì)針劑灌裝精度和灌裝質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，無疑制藥設(shè)備制造商只有提高自己技術(shù)優(yōu)勢，才能搏得藥廠的芳心。我廠生產(chǎn)的灌裝設(shè)備，采用全伺服控制，一臺(tái)灌裝機(jī)通常同步伺服軸從12到20根軸不等。這些伺服軸之間就是通過與虛擬主軸同步加凸輪曲線實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸之間有條不紊的協(xié)同工作。為了提高灌裝質(zhì)量，就要

4、讓泵有盡量長的時(shí)間用于灌裝，為此控制灌裝泵滑閥發(fā)切換時(shí)間就要被壓縮。這需要滑閥電機(jī)在極短的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)一定的距離。由于時(shí)間太短，這使得原來的多項(xiàng)式5級(jí)曲線，瞬時(shí)產(chǎn)生極大的加速度及極大的減速度，經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)隨誤差報(bào)警，同時(shí)還伴有很大的噪聲。怎樣解決這問題并找到最合適的曲線及參數(shù)呢？這需要從分析曲線開始（圖1）。</p><p>　　從靜止到靜止的運(yùn)動(dòng)有7種運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)則可選則：直線、二次拋物線、簡單的正弦曲線、多項(xiàng)式5

5、級(jí)曲線、斜正弦曲線、梯形加速曲線和修正正弦曲線。說道曲線必須要提到幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：①速度特性值（Cv=最大速度f′（z）），|Cv|越小，由于靜態(tài)負(fù)載（彈簧力，重力，凈力）原因，需要的驅(qū)動(dòng)扭矩越小；②加速特性值（Ca=最大加速度f″（z））， |Ca|越小，負(fù)載越?。虎奂眲?dòng)度特性參數(shù)（Cj=最大急動(dòng)度值f?（z）），|Cj|越小，傾向更小的震動(dòng)激勵(lì)。那每種曲線有什么特性呢？直線因沖擊造成震動(dòng)、噪音和磨損通常不使用；二次拋物線會(huì)因突然加速，

6、會(huì)造成震動(dòng)、噪音和磨損，而且要求運(yùn)動(dòng)線路有更強(qiáng)的彈性，也是通常不推薦使用的曲線；梯形加速曲線，其優(yōu)點(diǎn)很明顯特別低的加速度最大值（Ca值），更低的慣性力，但其缺點(diǎn)也很明顯其急動(dòng)度特性參數(shù)比斜正弦曲線的急動(dòng)度特性參數(shù)大的多，當(dāng)加速度突變是會(huì)導(dǎo)致躍度無窮大，產(chǎn)生柔性沖擊，是震動(dòng)激勵(lì)源，這也是不常推薦的曲線。其他四種曲線也會(huì)有自己的缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)也是明顯的，下面我們通過曲線來逐一分析。</p><p>　　（這里使用的是

7、博世力士樂的IndraWorks Engineering軟件里Cam（凸輪）曲線軟件。）</p><p><b>　　1 簡單的正弦曲線</b></p><p>　　關(guān)鍵參數(shù)值Vmax/Cv=471.2361；Amax/Ca=4.9348；Jmax/Cj=-3.1006；簡單的正弦曲線雖然從曲線上看各參數(shù)的絕對(duì)值都不大，但是加速度（綠色曲線）從一開始從0突變到4.93

8、48，突然加速會(huì)造成振動(dòng)、噪聲和磨損。不利于機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定。</p><p><b>　　2 多項(xiàng)式5級(jí)曲線</b></p><p>　　關(guān)鍵參數(shù)值Vmax/Cv=562.4946；Amax/Ca=5.7735；Jmax/Cj=-12；多項(xiàng)式5級(jí)曲線從曲線上一眼就看到速度的最大值Vmax/Cv 的值太大（藍(lán)色曲線），這對(duì)電機(jī)的扭矩需求比較大，意思是說在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情

9、況下還要要求電機(jī)輸出較高的扭矩。這種情況需要機(jī)械工程師在選擇電機(jī)的時(shí)候就要考慮的電機(jī)的參數(shù)，扭矩輸出越大，成本越高。</p><p><b>　　3 斜正弦曲線</b></p><p>　　關(guān)鍵參數(shù)值Vmax/Cv=425.5308；Amax/Ca=7.3854；Jmax/Cj=--743.9604；</p><p>　　斜正弦曲線從曲線參數(shù)上

10、看Jmax/Cj （粉色曲線）絕對(duì)值太大，就是說躍度太大，在凸輪系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生很大的柔性沖擊，系統(tǒng)更容易產(chǎn)生振動(dòng)。</p><p><b>　　4 修正正弦曲線</b></p><p>　　關(guān)鍵參數(shù)值Vmax/Cv=527.8768；Amax/Ca=5.5279；Jmax/Cj=-13.8933；修正正弦曲線從該曲線參數(shù)上看相對(duì)前面3條曲線各指標(biāo)都相對(duì)中和，也沒有明顯的

11、缺點(diǎn)，首選這個(gè)修正正弦曲線。</p><p>　　電機(jī)的曲線從原來的多項(xiàng)式5級(jí)曲線改成修正正弦曲線后，跟隨誤差頻率減少。但仍然有電機(jī)過沖現(xiàn)象，過沖現(xiàn)象是由于減速度太大，電機(jī)輸出的扭矩不能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將速度減到0，因此電機(jī)的實(shí)際停車位置會(huì)超過理論停機(jī)位置。解決這個(gè)問題有2個(gè)方法：①減小減速度；②增加電機(jī)輸出扭矩； 電機(jī)輸出扭矩是和選擇的電機(jī)有關(guān)，一旦電機(jī)選擇好了，輸出扭矩的最大值和額定值就是定的了。在我們的這個(gè)

12、案例里面，我們是可以通過優(yōu)化曲線來使得用小電機(jī)完成大任務(wù)成為可能。簡單的想，只有讓減速時(shí)間長一點(diǎn)，就可以減小減速度的絕對(duì)值，這樣需要嘗試提前速度的拐點(diǎn)，也就是說讓加速段的時(shí)間縮短，從而讓減速段有更多的時(shí)間，以達(dá)到減小減速度的目的，多次反復(fù)試驗(yàn)后，加速度的拐點(diǎn)從0.5修改成0.3，更改速度拐點(diǎn)后的曲線為：</p><p>　　從圖中綠色的加速度/減速度曲線可以看出，在運(yùn)動(dòng)減速時(shí)的減速度由原來的5.527mm/sec

13、2降到現(xiàn)在3.962 mm/sec2 ，實(shí)際測試后過沖現(xiàn)象明顯減小，在跟隨誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整回來，可以接受。</p><p>　　曲線經(jīng)過這樣修改后，現(xiàn)場經(jīng)過三個(gè)多月的整機(jī)測試后，證實(shí)跟隨誤差報(bào)警不再出現(xiàn)；滑閥切換瞬間的噪聲也明顯減??；電機(jī)過沖現(xiàn)象也不明顯了。達(dá)到了滿意的測試結(jié)果。</p><p>　　這個(gè)簡單的案例說明，當(dāng)機(jī)械工程師在選擇電機(jī)的時(shí)候，除了考慮安裝尺寸、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、

14、輸出扭矩，以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配（優(yōu)化比在3-7之間）以外，需要將控制曲線根據(jù)實(shí)際的控制參數(shù)吧曲線建立起來通過分析曲線來驗(yàn)證所選擇的電機(jī)是否合適。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　羅天代，重載機(jī)械臂對(duì)未知載荷參數(shù)的補(bǔ)償控制．{Ｊ}２０１４</p><p>　　奚云．機(jī)械模具加工精度控制探析{Ｊ}２