高速包装设备的摆臂同步控制技术研究

李忠华

摘 要：在工业高速摆臂包装设备中，摆臂同步控制的稳定性直接影响到产品的生产效率和质量，本文分析了工业上目前存在的几种同步控制方式，从中找出一种适用于高速摆臂包装设备的同步控制技术。

关键词：高速；包装设备；摆臂；同步控制

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

随着物料包装生产企业不断增长的高速生产需求，对包装行业的制造企业又提出了新的挑战，新一代高速包装设备迫待开发。由于传统的单摆臂包装已无法满足物料包装生产企业对生产速度的要求，因此一种新型的双摆臂包装应时而生，并在实践中崭露头角，双摆臂包装中的双臂协调同步是包装设备高速运行的关键技术。下面本文将针对基于主令参考式、基于机械凸轮式、基于驱动器的电子凸轮式、基于运动控制器的虚拟主轴式，这几种同步技术在包装设备摆臂控制上的应用，进行分析研究，试图找到一种综合性能更优的同步方法。

1 同步方法

1.1 基于主令参考式

这种方式是通过外部控制器发出指令，两个或多个驱动控制器接收外部控制器（外部控制器可以是PLC，单片机或是工业IPC，嵌入式控制器）的指令后，开始并行运动，两个或多个驱动控制器控制的负载可以是正交轨迹运行，也可以是平行轨迹运行的，或其它轨迹方式的。

1.2 基于机械凸轮式

由驱动机构驱动两个或多个轴按照预定的轨迹使其各自在自己的凸轮曲线槽内运动来实现多轴的同步控制。

1.3 基于驱动器的电子凸轮式

国内外主流高端的驱动产品的控制功能中都有电子凸轮的功能，选择带有电子凸轮功能的驱动器，将带有电子凸轮功能的控制器驱动的电机所连接的轴，称之为主轴，其它电机轴称之为从轴，利用控制主轴的控制器生成的电子凸轮表或凸轮曲线，离散化生成一连串的数字信号发送给从轴控制器进行主从同步控制。

1.4 基于运动控制器的虚拟主轴式

以运动控制器为核心，由运动控制器生成一个虚拟主轴信号，模拟真实主轴运行情况，通过虚拟主轴输出电子凸轮曲线控制从轴驱动器驱动从轴，进行主从同步控制。

2 几种同步方法的运动稳定性分析

2.1 阶跃响应分析

主令参考式、电子凸轮式、虚拟主轴式都是基于驱动器驱动电机轴的方式，都具有较快阶跃响应特性。机械凸轮式和电子凸轮式的运动规律都是采用多项式运动规律，它的阶跃响应性能与电子凸轮式一样。

2.2 抗干扰分析

主令参考式的精度仅靠各个轴驱动器的自身来保证，两轴之间相互没有干扰；当系统中一个轴存在扰动时，另一个轴不会对扰动做出响应，就会出现双臂机构无法保持同步运行现象，这种同步对于干扰的响应仅限控制轴本身，不具有双轴或多轴同步过程的抗干扰能力。

机械凸轮同步式在忽略机械磨损，假定具有较好的加工精度和较低加工误差下，具有很好的抗干扰能力。

基于驱动器的电子凸轮同步方式这种工作方式只能选取系统实际运动中的一个实轴做为主轴，另一个实轴做为从轴，采取主从方式同步运行，主轴驱动器输出电子凸轮曲线的轨迹和精度都会影响系统的稳定，当主轴受到扰动时，这种干扰会传递到从轴中，从轴会受引入的主轴扰动因素影响，在跟随主轴的同步过程会出现偏离同步曲线的现象；而当从轴受到扰动时，这种干扰不会传递到主轴中，会出现从轴不能跟随主轴同步运行的现象。

基于运动控制器虚拟主轴同步方式这种方式运动控制器具有较强运算功能，控制器输出的虚拟主轴模拟一个实际主轴，分别控制双臂驱动的两个轴做为从轴，也是采用主从方式同步运行，由于运动控制器的具有优良性能指标，只要规划好主轴与从轴之间的电子凸轮曲线，就能实现良好的稳定性。下图将这几种同步方式的系统阶跃响应得到的曲线绘制在一起，便于分析，从图中可以看出基于虚拟主轴式的同步方式具有较高的稳定性。

2.3 耐冲击分析

主令参考式各轴独立运行，只需分析单个轴的运动轨迹，单轴运动轨迹常用的算法，有线性梯形速度轨迹、S形速度轨迹。线性梯形速度轨迹在工业中有广泛的应用，曲线两段是否采用对称，由曲线两段的时间段长度是否相等决定，一般情况都采用对称式的曲线，主要用于点到点移动过程。由于线性梯形速度曲线在快速起停会产生很大的冲击，而相比线性梯形轨迹S形速度轨迹能够有效减缓刚性冲击，但无法避免柔性冲击。下图为分别为线性梯形曲线和S形曲线。

机械凸轮式与基于驱动器的电子凸轮式、以及基于运动控制器的虚拟主轴式这几种方式的运动轨迹曲线都是凸轮曲线，电子凸轮的运动规律多采用多项式的运动规律，当多项式采用一次多项式时，驱动的轴作等速运动规律，在曲线的始末瞬时都会产生刚性的冲击，当多项式采用二次多项式时，驱动的轴作等加速等减速或抛物线运动规律，在运动的始、中、末瞬时都会产生柔性的冲击，是为了保证速度和加速的连续，既不产生刚性的冲击，也不产生柔性的冲击，多项式可采用3-4-5次，一般多选用5次多项式。

3 结论

通过对工业常用几种同步控制方法的对比分析，虽然基于机械凸轮式的同步技术也可以实现高速同步，但由于机械凸轮本身设计复杂、加工制造困难，元件易磨损，且加工完成后不能修改凸輪轮廓等缺点，与之相比采用电子凸轮的方式，凸轮曲线可根据实际需要随时进行软件修正，不需要加工，没有元件磨损等优点，而采用运动控制器的虚拟主轴与单独驱动器相比更具有良好的稳定性，因此使用基于运动控制器的虚拟主轴式应用于高速包装设备的摆臂同步控制中是目前比较好的选择。

参考文献：

[1]王慎航.基于电子凸轮的多轴同步关键技术研究[D].PhD.thesis，中科院自动化研究所，2014.

[2]梁存仙.电子凸轮技术在包装机械中的应用研究[D].山东科技大学，2011.

[3]高振新.多电机无轴传动同步控制系统的研究与设计[D].南京理工大学，2016.

[4]季明逸.多轴同步控制控制策略的研究与实践[D].南京航空航天大学，2012.

[5]孙学武，谭辉等.基于SIMOTION的工业CT多轴同步控制方法[J].控制工程，2016（2310）：1591-1596.

[6]季明逸，游有鹏.基于虚拟主轴法的同步控制控制策略研究[J].机电一体化，2012（08）：36-41.