如何利用振动控制提高机器产量

文章出处：新闻动态责任编辑：百世精工科技发表时间：2023-10-11 09:15:28

提高包装生产线、机床或拾取贴装操作的速度似乎是提高产量的简单方法--直到不必要的振动使操作员放慢生产线的速度，以避免损坏机器或产品。在这里，液体会在移动的包装内摆动，物体会在机床或机械臂的运输过程中振动或摇摆。事实上，在现代材料和机械工程概念下，机器固有的运动速度通常并不是限制因素。取而代之的是产品或机器在移动后所需的静止或稳定时间。

现在，有一种方法可以通过自适应运动控制系统控制不必要的振荡和振动来提高生产率。这些系统可减少各种应用中的振荡......将流程吞吐量最多提高 50%。

举例来说，在机床或机械臂上，物体运动会引起振动。振动也可能来自机器，如机械系统固有的低频嗡嗡声或振铃。问题在于，抑制振荡的瞬态时间过长会影响生产率。任何残留的振荡都会限制输出质量和尺寸精度--这在晶圆处理、某些拾放应用、印刷和加工操作以及数控工作中尤为严重。

答案之一是使用专门配备的智能驱动装置，它可以跟踪机械系统共振时的频率。然后，驱动器引入阻尼和避免功能，以减少共振。除了提高产量和零件质量外，这还能减少机械应力。

自适应应用：控制晃动

食品饮料行业有一个常见问题：装满液体的包装或瓶子在搬运过程中的加速或减速会使液体发生晃动。晃动会使折叠、灌装、密封和测量过程复杂化。此外，它还会迫使装瓶商在容器中设计更多的预留空间，增加内容物沉淀的等待时间，并增加输送机上包装移动的距离。

在这种情况下，机器制造商可以使用配备的智能驱动装置来代替传统的伺服驱动装置来控制包装物的移动。这些智能驱动器的自适应功能可最大限度地减少晃动，从而让装瓶商减少预留容器空间，进而降低容器高度。这就减少了包装材料的数量和费用。此外，流体半月板的稳定性更高，装瓶商可以使用光学液位传感器进行反馈。

防滑技术缩短了稳定时间，从而减少了让内容物沉淀的瞬时时间。因此，灌装和密封速度更快，机器循环时间更短。对饮料、药品、油类和化学品的包装生产线尤其有益。采用防飞溅运动控制的包装线通常可将吞吐量提高 10%-50%。

自适应应用：控制摇摆

当起重机或龙门机器人加速或减速装有悬挂在电缆或机械臂上的负载的小车或机器人小车时，负载会发生摇摆。这种摇摆会使负载变成钟摆，从而难以在目标区域定位。这反过来又会减慢操作速度，要求操作员推迟工序或依靠补偿运动，直到负载稳定下来。存在摇摆问题的应用领域包括拾放操作、物料传送和仓库以及装配线。

处理悬挂负载时控制摇摆可以加快定位速度。

能够抑制摇摆的运动控制系统可以通过三种不同的方式提供帮助：

•它们可以加快起重机的运行速度，提高定位精度，从而将生产率提高 20% 至 40%，（在某些机器中）将每分钟可能的取件次数从 30 次提高到 45 次。

•可使末端执行器更快速地啮合和脱离产品。

•它们能适应机械和负载的变化，最大限度地减少对产品、机器机械、轴承和框架的压力。这样，机器制造商就可以使用较小的电机来完成特定的工作，从而降低能耗。

不同形式的振荡、晃动和摇摆

振动或摆动只是在一段时间内重复发生的运动。控制晃动、振动和摇摆依赖于对波物理的控制。工业机械中的振荡波通常是振幅和频率各不相同的不对称正弦波。

最大限度地减少晃动可以提高瓶子灌装线的吞吐量

振荡分为两类：

•自由振动，即物体（如音叉）在系统受到初始干扰后自行振动。

•强迫振动，即物体（如失去平衡的洗衣机）在受到外力干扰时发生振动。

以平滑正弦谐波形式出现的振动可进一步分为线性振动（通常表现为软轴和细长物体的小振幅振动）和非线性振动，前者以扭曲的正弦波形式传播，后者是由机器操纵的物体之间的相互作用和机器自身的内部共振产生的。机器共振的形式为 5 至 40 赫兹之间的白噪声嗡嗡声。

波浪物理的复杂性会使传统的振荡控制方法失效。例如，增加刚度或质量以增加机器体积有助于减少振动，但这种方法成本高昂，而且无法完全消除伺服驱动器引起的机器共振。增加让内容物或物体沉降的时间是让波能分散的另一种策略，但会浪费时间。

另一种方法是使用传统的控制装置来减少振动。这些方法的原理是通过运动限制或 S 曲线运动控制曲线来平滑运动，以避免突然加速或减速。但这些功能的编程可能比较复杂，而且这种方法只能部分改善振动问题。对平滑运动的过多限制只会减慢加速度，直至减少机器周期，从而限制生产率。

工作原理自适应控制通过两种方式抑制振动

除了增大机器体积或降低机器速度之外，另一种方法是使用基于软件的自适应运动控制。这种软件有两种工作方式：避免振动和阻尼。避振技术本质上是过滤非常动态的运动所产生的振动。与此相反，阻尼技术利用外部反馈来抵消动能，从而消除振动。

在处理易碎或敏感元件（例如半导体晶圆）时，控制振动可以提高质量和产量

反馈可以来自电机、外部编码器或加速度计。然后，系统对机器的动态进行数学建模，并将适当的修正值应用到伺服轴上。运动控制器必须快速处理信号，并且必须具备高智能。不过，只要设置得当，设计人员就能在机械结构或环境条件导致机器或其终端执行器产生低频振动时使用减振和避振功能。根据设计和机器的工作流程，无数的控制回路配置都可以完成这项工作。

通过滤波避免振动的方法是开环控制--无外部反馈。控制器对系统共振频率模式进行建模。然后，为了进行修正，运动控制器发送位置指令以消除振动......这超越了仅对运动曲线应用 S 曲线或颠簸限制的技术。事实上，避振功能特别适用于将物体锁定在工具上且不发生负载变化的单单元系统。

相比之下，主动减振依赖于闭环控制，通过位置细分器和传感器反馈将力或加速度信号发送到运动控制器。然后，驱动器产生扭矩位置或速度偏移，以消除振动并抑制外部引起的振动。使用自适应智能的自调整比例积分派生 (PID) 控制器可根据与机器和负载的交互作用调整驱动器。因此，在实际应用中，这种技术最适用于处理不断变化的负载的机器。

一些软件同时实现了避振和减振这两种技术。

自适应控制改善调试和预测性维护

由于实施减振和避振技术需要控制系统能够快速适应不同的工艺、材料和应用变化，因此一些制造商在驱动级而非更高的控制级采用了自适应技术。在驱动器级提供运动逻辑和指令值处理可加快事件处理，避免控制系统周期和更新时间固有的延迟。这些自适应运动控制装置可以处理高速输入和确定性事件，具有业内最快的闭环响应时间。例如，电流闭合时间为 62.5 微秒；速度环闭合时间为 125 微秒；位置闭合时间为 250 微秒。基于驱动器的固件还为设计人员提供了更大的实施灵活性。

顶部，用于避振的开环控制采用频率滤波，让运动控制器发送位置命令来消除振动。主动减振中的底部闭环控制采用反馈插值和外部输入来发送力或加速度信号以消除振动。

在某些情况下，固件有基本性能和高精度性能两种版本。用户可以选择适合应用的选项，只购买满足所需性能水平的功能。如果机器日后需要其他高速功能--事件捕捉、精密运动或更多输入--设计人员可以经济实惠地添加这些功能。

采用自适应系统技术的力士乐驱动器可以在有或没有 PLC 的情况下实现减震和避免振动。

基于驱动的自适应技术还能以另一种方式使机器受益。如果应用中遇到机器的感应振动或寄生振动，可将开环振动避免作为驱动器的标准配置。当遇到非线性、非重复性干扰时，可轻松添加闭环减振功能。这是一种灵活的解决方案，可根据需要进行组合，以实现最大的控制性、稳定性和经济性。

自适应功能如何在驱动器层面发挥作用

设计人员可在基于驱动器的运动逻辑中使用自适应系统技术。在机械分析软件和生产率监控软件的帮助下，驱动器可监控轴机械。后者使用智能传感器实时监控、分析和减少振动。算法对控制参数进行动态调整，然后由控制器将其转化为减振或避振指令。

在驱动编程环境中，为特定应用设置生产率监控非常简单。驱动软件加载监控程序。参数通过驱动对话框进行设置和运行。基于对话框的环境最大限度地减少了调整、调试和调试工作。这意味着无需配置振荡补偿运动的基本运动学；用户只需插入参数值，无需进行任何编程。

除了启用阻尼和避免功能外，数据监控和机械分析还提供了预测性维护功能。一旦操作员为某项应用设定了公差阈值和灵敏度参数，生产率监控软件就会在超出阈值时立即通知操作员。这些早期警告可在过早磨损或机器故障发生之前提醒操作员注意问题。

包络曲线监控让设计人员可以根据用户定义的容差水平来分析和诊断大量可配置的信号测量。

某些生产率监控软件还可以在整个生产周期内监控任何信号（例如扭矩或位置），然后将结果与操作包络线的公差阈值进行比较。可以在线访问包络曲线监控，让操作员进行频率响应和机械分析......然后根据预设阈值进行调整并响应问题警报。

当使用 IndraWorks 软件将包络曲线监控加载到轴时，用户界面可以轻松可视化和配置两个定义的公差带。

自动化软件和编程平台可让不熟悉 PLC/HMI 编程的人员创建自动化应用程序。这简化了特定应用的开发。此外，还有软件工具、功能模块、库和支持，可让懂 C++、Java 和其他高级语言的程序员将应用程序转化为运动控制的梯形图逻辑。有些接口还配有 LabVIEW（图形编程平台）库，可在人机界面上进行数据采集，省去了使用单独 PC 的费用。