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闭环步进系列在牙刷植毛机上的应用

发布日期：2018-01-04 15:16

关键词：深圳市美蓓亚斯科技有限公司、闭环步进系统、牙刷植毛机

一、应用背景

当今，人们的生活水平不断提高，人们对清洁工具也有了更高的需求。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。高速牙刷植毛机可实现多轴、多工位、多工序的全自动加工流程。

目前大部分植毛机厂商采用的是步进电机系统，由于步进电机转速低、步进角距大使得植毛速度慢，并且精度较差，这就直接影响了厂商的生产效率和生产品质，而且步进电机系统容易产生丢步，发生错误时也不能及时纠正，从而造成材料的损失。交流伺服系统作为高转速和高细分精度的运动控制系统，在此有着无与伦比的优势，但是交流伺服价格较贵，不利于降低成本。

深圳市美蓓亚斯科技有限公司凭借多年运动控制行业的专业背景，研发出闭环步进系统（或称混合伺服系统），有效地平衡了步进、伺服在速度、精度、价格三方面的矛盾，具有很高的性价比。该系统的混合伺服电机在恒转矩输出下转速能达到2000RPM，编码器线数2500PPR，驱动器内部采用4倍频技术对控制脉冲4细分后可使电机每圈分辨率达10000PPR。

二、电气结构及工艺流程

高速牙刷植毛机传动结构由主驱动轴和四个步进/伺服驱动轴系统组成。四个步进/伺服轴分别为水平X轴，垂直Y轴，换毛Z轴与旋转A轴。

◆XY两轴--------坐标决定牙刷孔的位置；

◆A轴--------更换至下一个牙刷；

◆Z轴--------更换牙刷毛色；

当主轴电机（变频器控制）运转，四个电控步进/伺服轴随之运转，主轴停则其余四轴随动停止。主轴的转速决定植毛的速度，四个步进/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。

动作过程：

夹子从Y轴方向上将牙刷把柄夹住→夹子做90度定位到Z轴方向→平台带动夹子做X，Y轴运动使刷毛可以被打到牙刷头的毛孔中→植毛完成，夹子向下旋转90度→夹子松开，一支牙刷加工完成。

三、深圳市美蓓亚斯科技有限公司闭环步进系统

深圳市美蓓亚斯科技有限公司闭环步进电机内置增量式光电编码器（2500线或1000线可选），适配我司闭环步进驱动器，彻底解决开环步进电机丢步的问题，提升机器加工速度和精度。通过优化的磁路设计，选用优质冷轧硅钢片和耐高温永磁体材料，提高电机功率密度，提升电机平稳性，显著降低电机温升。产品线涵括42~86机座、0.3NM~12NM多种电机型号。

性能指标	步进	伺服	闭环步进（混合伺服）
控制方式	开环，有丢步现象	闭环，无丢步现象	闭环，无丢步现象
速度	1000rpm以下	额定3000rpm	最高3000rpm
精度	由电机步距角决定	由编码器精度决定	由编码器精度决定
转矩特性	力矩随速度升高下降很快	恒定力矩输出	在高速时（如2000rpm以上），力矩下降较快
运动特性	低频振动，停止时不抖动	停止时有微振	零速停止稳定，高速停止时不抖动
电机温升	在高速或频繁启停时发热较严重，可能会影响电机寿命	温升小	介于步进与伺服之间
成本	低	高	中
适用场合	对速度、精度要求不高场合	对速度、精度要求高场合	短距离快速启停场合，对速度、精度要求较高场合

◆产品涵盖42~86机座，安装尺寸完全兼容同型号步进电机

◆内置增量式光电编码器（2500线或1000线可选）

◆输出转矩大，高转速

◆电机发热小，噪音低，效率高

◆高速停止平稳快速，无零速振荡运行平稳，振动噪声小

◆响应速度快，适合频繁启停的场合

四、现场调试结果

该植毛机的基本参数如下：

A系列高速双色牙刷植毛机
台面面积	330mm*330mm	植毛孔径	Φ=1.6-3mm
X-Y行程	300mm*300mm	植毛速度	700-850孔/分钟
电源	220V	植毛长度	L=10-15mm
毛箱	双色

工艺要求:

a、每分钟裁800孔左右

b、误差控制在1个丝以内

c、工作情况分为：全自动、试机、半自动

d、在拿到新的板型时，终端用户既可以手动直接输入坐标，也可以通过对孔自动得到坐标

e、在样板输入时可以进行插孔或删孔

f、样板输入完成后可以自动得到整体位移量，也可以手动直接输入整体位移量

g、预留给终端用户多种产品保存功能

牙刷植毛机上共使用4套混合伺服：1套控制A轴夹牙刷的夹子做90度定位；2套带动固定平台做X，Y轴运动，要求响应高定位精准；第4套控制Z轴切换不同颜色的刷毛。

深圳市美蓓亚斯科技有限公司的配置方案为（X/Y/Z/A）：MAA860-IE 闭环步进驱动器 + 86系列闭环步进电机

现场测试证明，植毛速度堪比伺服电机，可以做到 900次/分钟植毛速度。而且在高速启停的同时，整体动作的平稳性柔和性更尤为突出。通过上位机PLC内部自制脉冲S曲线的应用可以做到跳孔植毛，且跳孔时，在保证了跳孔精度的同时机器跟平时基本一样平稳，不会出现明显的抖动。产品品质上明显优于步进电机，具有很强的竞争力。