随着智能制造装备产业的发展和技术的提高,全自动包装机伺服控制系统的电子凸轮技术越来越广泛地应用在现代智能包装设备上。本文把全自动包装机的伺服系统的电子凸轮技术和传统机械凸轮控制技术进行了比较,阐述了电子凸轮技术取代传统机械凸轮技术应用在包装设备上的必然性,本文结合实际应用概括介绍了电子凸轮技术的具体应用,对电子凸轮控制技术在智能包装设备上的应用进行了展望。
关键词:全自动包装机、电子凸轮、凸轮曲线、多轴联动
一、伺服控制系统的概念
伺服控制系统是近代发展起来的一种为精确跟随或复现某种过程的反馈控制系统,也称随动系统,以使物体的位置、方位、状态等输出能够以定的准确度精确地跟随控制信号的变化而变化。伺服系统从最早的液压、气动到如今的电气化,已经历了半个世纪的发展。目前俗称的伺服控制系统一般由交流伺服电机、反馈装置(编码器)和伺服驱动器(包括逆变单元)以及为完成复杂控制功能而进行复杂算法所需的上位PLC运动控制单元组成,具备可控性好,稳定性高和适应性强等特性,
由于伺服控制系统具备优异的控制性能,因此广泛地应用在各行各业,并在控制领域占有越来越重要的地位,正成为高端设备制造的发展方向和趋势。在2014年德国杜塞尔多夫举行的Interpack2014国际包装展览会上,我们可以强烈地感受到这种趋势和潮流。从简单的物料输送,到产品的生产制造,再到成品的包装,直至整理分拣、码垛入库,伺服控制系统在每个环节都已成为高端制造装备的核心控制主体,几乎完全取代了传统的机械凸轮结构。设备机械结构越来越简单,而设备的生产速度、柔性自适应性、调整的简易性及功能的复杂性和可变性却越来越强大。而使用电子凸轮技术完成复杂的多轴联动控制,更使整台设备各个控制点有机地融为一体,成为智能制造装备的发展趋势。
二、电子凸轮的概念与优点
凸轮机构是各种自动化包装机械中常用的一种传动控制机构,以实现将普通电机控制的旋转运动转化为预期的间歇直线往复运动或往复摆动等。顾名思义,电子凸轮,是一种运用伺服系统来控制执行部件实现传统机械凸轮功能的技术。
和电子凸轮相比,机械凸轮有明显的缺点。机械凸轮控制需根据执行机构的运动规律设计出适当的凸轮轮廓,使执行机构沿此凸轮轮廓运动,从而得到期望的运动结果。原理上说,只要设计出适当的凸轮轮廓便可使从动件得到所需的运动规律。然而实际应用中,机械凸轮却具有很多局限性:
1.首先,机械凸轮的设计需要考虑很多运行中具体环境的限制和使用要求。选择从动件运动规律时,要综合考虑工作要求、动力特性和加工制造等方面。尤其对于非常复杂的运动规律,要设计合适的机械凸轮,本身就是一件困难的事情。受限于机械加工设备的精度和安装调整人员的素质,机械凸轮机构各部件的制造和装配误差真实存在,且调整起来费时费力,比较困难。
2.机械凸轮的凸轮轮廓和执行机构之间通常为点接触或线接触,存在较大的接触应力,因而传递的功率就有了限制;同时,要使执行机构严格执行预期的运动规律,就要求一定的锁合力。在长时间高速运转的情况下,凸轮的磨损情况就非常严重,最终造成执行机构的运动失真,需要更换凸轮机构。
3.一个凸轮机构只能够实现一种固定的运动规律,要变换不同的运动规律,必须重新设计和更换原来的凸轮机构。在生产现场更换凸轮机构不仅困难,工作量巨大,而且耗时耗力,更换时间也需要很长。
随着新型伺服控制系统的广泛应用,电子凸轮技术得到研究并快速发展,时至今日,运用伺服电机控制系统以克服机械凸轮的局限性已轻而易举。相比于机械凸轮,电子凸轮具有以下优点:
1.电子凸轮曲线根据实际生产要求建立的数学模型运算生成,储存在CPU中,可以根据指令进行修改和调用。尤其对于非常复杂的运动规律,设计制造机械凸轮相当困难,而电子凸轮只要建立数学模型,程序设计简单方便;因为不需要再实际制造出机械凸轮,从而克服了机械凸轮的制造和装配误差。
2.运用伺服控制系统的电子凸轮技术替代机械凸轮机构,由伺服电机直接驱动执行机构,按照电子凸轮曲线完成凸轮规律运动。由于消除了机械凸轮和执行机构之间的机械接触,即使长期高速运转,也不存在严重的凸轮磨损情况,从而有效保证了执行机构的动作重复精度,而无须频繁更换凸轮机构。在提升设备品质的同时,减少制造、安装、调试机械凸轮的工作、节省生产制造成本,大幅提高机械工作寿命和生产效率。
3.由于电子凸轮曲线是根据实际生产运动规律的数学模型计算生成,因而在使用变量进行编程的情况下,要改变执行机构的运动规律,生成一个新的凸轮曲线,只需对PLC输入新的数据调用程序重新计算生成,然后在运动控制程序里调用新的凸轮曲线驱动伺服,执行机构就能以新的运动规律工作,从而使设备真正具备了柔性化、自动化和智能化。
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