伺服凸輪曲線控制在制藥機(jī)械上的應(yīng)用

1、伺服凸輪曲線控制在制藥機(jī)械上的應(yīng)用引言伺服電機(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(wú)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(wú)可超越的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，凸輪曲線的應(yīng)用，使得控制方式和應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛和自如。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(wú)疑制藥設(shè)備制造商只有提高自己技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(guò)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， 就要讓泵有盡量長(zhǎng)的時(shí)間用于灌裝， 為

2、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(lái)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(wèn)題并找到最合適的曲線及參數(shù)呢？這需要從分析曲線開(kāi)始（圖 1）。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(jiǎn)單的正弦曲線、多項(xiàng)式 5 級(jí)曲線、斜正弦曲線、梯形加速曲線和修正正弦曲線。 說(shuō)道曲線必須要提到幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)： 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??；加速特性值（

3、Ca=最大加速度 f（ z）， |Ca| 越小，負(fù)載越?。患眲?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，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(wú)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

4、我們通過(guò)曲線來(lái)逐一分析。（這里使用的是博世力士樂(lè)的Cam（凸輪）曲線軟件。）IndraWorks Engineering 軟件里簡(jiǎn)單的正弦曲線關(guān)鍵參數(shù)值Vmax/Cv=471.2361 ；Amax/Ca=4.9348 ；Jmax/Cj=-3.1006；簡(jiǎn)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(kāi)始從0 突變到 4.9348，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。多項(xiàng)式 5 級(jí)曲線關(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

5、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(shuō)在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下還要要求電機(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。斜正弦曲線關(guān)鍵參數(shù)值Vmax/Cv=425.5308 ；Amax/Ca=7.3854 ；Jmax/Cj=-743.9604；斜正弦曲線從曲線參數(shù)上看 Jmax/Cj （粉色曲線）絕對(duì)值太大，就是說(shuō)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)。修正正弦曲線關(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)

6、上看相對(duì)前面3 條曲線各指標(biāo)都相對(duì)中和，也沒(méi)有明顯的缺點(diǎn)，首選這個(gè)修正正弦曲線。電機(jī)的曲線從原來(lái)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(guò)沖現(xiàn)象， 過(guò)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(guò)理論停機(jī)位置。 解決這個(gè)問(wèn)題有 2 個(gè)方法： 減小減速度；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)案例里面，我們是可以通過(guò)優(yōu)化曲線來(lái)使得用小電機(jī)完成大任務(wù)成為可能。簡(jiǎn)單的想，只有讓減速時(shí)間長(zhǎng)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(shuō)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：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(lái)的 5.527mm/sec2 降到現(xiàn)在 3.962 mm/sec2 ，實(shí)際測(cè)試后過(guò)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(lái)，可以接受。曲線經(jīng)過(guò)這樣修改后， 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的整機(jī)測(cè)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(guò)沖現(xiàn)象也不明顯了。達(dá)到了滿意的測(cè)試結(jié)果。這個(gè)簡(jiǎn)單的案例說(shuō)明， 當(dāng)機(jī)械