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。

　　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

　　3 中达伺服解决方案

　　3.1 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。

　　3.2 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。