基于台达伺服解决方案的高速牙刷植毛机

1 引言

　　现代社会牙齿已成为健康美丽的标志，牙刷的需求也在逐渐增加。目前，全球牙刷年需求量已经超过90亿支，并以每年10%的速度递增。中国人口众多，牙刷做为现代生活必需品需求相当的大。牙刷虽小却是一个消费巨大市场成熟的大商品，并且伴随着生活质量的提高，对于牙刷的质量同样提高，优质的保健牙刷设备的生产效率以及生产质量需求促进了高速牙刷植毛机的设备开发。
　　江苏扬州的中国牙刷城――杭集工业园的牙刷产量占中国牙刷产量的80%，年产量达30亿支。牙刷设备的生产厂家过去大都用相同品牌的单片机控制系统和伺服电机电控系统，其中伺服系统大多选用日本进口产品。近年台达伺服产品凭借优异的性能和具有竞争力的价格优势，在高速牙刷植毛机行业份额逐年递增。

2 牙刷植毛机原理简述

　　高速牙刷植毛机传动结构由主驱动轴和四个伺服驱动轴系统组成。四个伺服轴分别为水平X轴，垂直Y轴，翻板Z轴和换毛U轴。XY两轴坐标决定牙刷孔的位置，Z轴起更换至下一个牙刷的作用，U轴起到换牙刷毛色的作用。当主轴电机运转，四个电控伺服轴随动运转，主轴停则其余四轴随动停止。主轴的转速决定植毛的速度，四个伺服轴响应要求协调驱动，否则会出现脱毛或者毛不齐的现象。应用台达电通公司的高精度的电气伺服控制可以做到 1000次/分钟植毛速度，而且可以做到跳孔植毛，如图1所示。

图1 高速牙刷植毛机

2 中达伺服解决方案

2.1 方案规划

　　目前植毛机电控系统结构主要分为单片机控制系统或CNC数控系统。其中单片机控制系统以自动化系统制造商集成配套服务为主，牙刷设备制造商家自主研发为辅。性能性能更见优越的CNC数控系统多为台达的PUTNC-H2P和欧日等进口品牌。
　　CNC数控主要是控制轴脉冲命令信号实现伺服驱动，通常是四轴控制输出实现，台达的CNC只需两轴输出即可实现，另外两轴中达的伺服可以独立完成，牙刷植毛机要求系统可以实现两轴插补运算即可。四套伺服驱动器型号是中达的B系列ASDA-B交流伺服系统，功率400W,驱动器具有多种功能控制。主轴电机变频器型号是中达的VFD-S，功率大小为400W。

2.2 调试要点

　　伺服解决方案的开发难点是机电系统联合调试，其中主要是伺服增益的调整。四个伺服轴中X轴与Y轴由于丝杠传动结构机械惯量比较稳定，调试相对容易一些，频宽一般可以调到130HZ以上。而翻板Z轴是一个旋转轴，高速旋转存在离心力，如果单纯将其频宽设置的很高，电机起停时会有振动，这时可以把位置平滑滤波参数开启，消除振动。
　　相对来说换毛U轴的凸轮机构机械的构造使得调试比较困难，再加上U轴的机械刚性不好，电机运行起来时惯量比变化较大，马达输出电流变化也较大，参数调不好，电机左右运行时，这个轴要么有振动或啸叫声，要么反应迟钝。为此需要应用B系列ASDA-B交流伺服系统的共振抑制功能。图2为带有共振的系统增益共振抑制原理。

图2 带拒滤波器抑制和低通滤波器抑制比较

　　如图2所示，当低通滤波器(P2-25)由0开始调大，B.W.会越来越小。虽然共振问题解决了，但是系统响应频宽和相位边界也降低了，系统会变得更不稳定，如果可以知道共振频率，则带拒滤波器（P2-23,P2-24）可以直接将共振量消除。通常知道共振抑制是多少，使用带拒滤波器的效果会比低通滤波器好，但是如果共振频率会随时间或其它因素漂移，而且漂移的太远的话，那么就不适合使用带拒滤波器。本项目设备U轴的运行起来所产生的问题就是共振点飘逸，使用P2-25低通滤波器效果较好，将其参数设大，加之这个轴对位置精度要求不是太高，所以问题得到解决。伺服相关参数设置如表1所示。台达伺服增益参数调整软件如图3所示。

表1 伺服相关参数设置

图3 台达伺服增益参数调整软件

3 结束语

　　通过在客户的长期的使用，台达伺服系统性能稳定，效果很好，深受好评。随着国内高速牙刷植毛机产业生产能力的逐渐提升，植毛机的市场一定竞争的更加激烈，与其配套的剪毛机设备也随之提升，而且更先进的植毛、剪毛一体机也会出现。台达伺服凭借极具竞争力的性价比将更受客户青睐。