CN106371471B - 一种砖块成型机的振动控制方法 - Google Patents

一种砖块成型机的振动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种砖块成型机的振动控制方法，通过调整四个偏心块的相位关系来调整振幅，使得电机不用反复启停与调速，要实现相位调振必须使用伺服驱动，相比于变频器与齿轮箱的组合一次性投入的成本会比较高，为了降低成本，使用两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四轴的相位关系调整，相比于一般的四轴振动控制系统减少了两个伺服电机的使用，另外，用嵌入式软PLC作为运动控制系统，通过编码器读取异步电机的转速，将脉冲数据反馈给嵌入式软PLC主站，该软PLC根据运动控制的要求对数据进行处理，并将数据发送给伺服驱动器完成脉冲跟随或变相位，从而实现伺服电机跟随异步电机的运动控制，从运动控制器的角度进一步降低了成本。

Description

一种砖块成型机的振动控制方法
技术领域
本发明涉及一种砖块成型机的振动控制方法，尤其一种伺服电机跟随异步电机的砖块成型机偏心振动的控制方法。
背景技术
在我国江浙和泉州一带，免烧砖块成型机生产规模比较大。免烧砖块自动成型机上最常见的是使用两个偏心块的振动系统，两偏心块振动系统可以达成非振动方向的离心力合力为零，从而产生振动方向的离心力往复振动。通过调速来改变离心力的大小，从而来控制振动的振幅和频率，所使用的电机为中功率的变频电机。该两个偏心块的振动系统，需要频繁的启停和加减速变频电机，能耗比较高。
在发达国家一般采用四偏心块振动系统，四偏心块振动系统通过调整四个偏心块的相位关系来控制四个偏心块的离心力的合力，改变相位关系就可以改变合力的方向和大小，从而达到所需的振幅和频率。整个过程只需要一次启动，能耗大大降低。这种四偏心块振动系统在国内有引进，但是大多使用SIEMENS运动控制系统Simotion，加之四台伺服驱动器和电机，成本很高。由于免烧砖块成型机价格不是很昂贵，所以国内使用四偏心块振动系统的免烧砖块成型机市场并不是很好，只有接近5％的占比。虽然房地产目前在国内蓬勃发展，砖块成型机自然需求很大，国内研究运动控制系统的很多，但是真正运用到四偏心震动系统上的几乎没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种砖块成型机的振动控制方法，采用两个伺服电机跟随一个异步电机的运动方式，用国产嵌入式软PLC作为控制系统来替代SIEMENS运动控制系统Simotion，成功实现了四轴振动变相位控制，有效降低了设备成本。
本发明一种砖块成型机的振动控制方法，其中，偏心块振动组包括分为两组的四个偏心块，第一偏心块与第四偏心块为A组，分别由两个伺服电机带动，第二偏心块与第三偏心块为B组，第二偏心块由异步电机带动，通过变频器控制转速，第三偏心块通过同步装置与第二偏心块始终保持同步转动；其中每一组偏心块进行力的合成与分解，得出水平方向的离心合力为0，垂直方向的离心合力为公式1-9所示，通过两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四个偏心块的相位关系调整：
F4合水平＝0 (1-6)
FA垂直＝2mew2*sinγ (1-7)
FB垂直＝2mew2*sinθ (1-8)
F4合垂直＝2mew2*(sinγ-sinθ) (1-9)
式中，m为单个偏心块的质量，e为单个偏心块的偏心距，w为偏心块转速，γ为A组偏心块中心线与垂直方向所成的角，θ为B组偏心块中心线与垂直方向所成的角；
第二偏心块的输出轴为振动频率调整轴，是其他三个偏心块输入轴的基准，其中，第三偏心块与第二偏心块保持同步转动，带动第一偏心块和第四偏心块的两个伺服电机的伺服轴的脉冲数是在第二偏心块输出轴的基础上进行跟随与减少再跟随的，在需要调相的时候少发一定数量的脉冲，具体包括如下步骤：
步骤1、软件平台上，设置电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的MasterID端连接14号轴，其SlaveID端连接8号轴，其Execute端与两个可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Execute端串联，并由同一个外部信号gCombine触发，该第一可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接11号轴，该第二可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接12号轴，所述14号轴对应第二偏心块，11号轴对应第一偏心块，12号轴对应第四偏心块，7号轴与8号轴是虚拟轴，8号轴用于脉冲跟随，7号轴用于变相位，其中，与第二偏心块连接的异步电机的末端再连接一编码器，将编码器的另一端与14号轴连接，该编码器实时读取反馈的脉冲数据，将读取的脉冲数据反馈给14号轴，在电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的作用下，14号轴的脉冲数据经电子齿轮比转化为作为控制端的嵌入式软PLC主站所需要发送的指令脉冲数发给8号轴；
步骤2、7号轴模拟变相位所需的脉冲数：在可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的作用下，将8号轴脉冲数减去7号轴脉冲数就得到了11号轴和12号轴的脉冲数，即驱使伺服电机轴组与异步电机轴组产生了相对角位移同时跟随转动；根据伺服电机所能接受到的脉冲频率，根据伺服电机旋转的最高转速确定对应的脉冲频率定，即可获得伺服电机每转一圈嵌入式软PLC主站发送的脉冲数：将伺服电机每旋转一圈的主轴位移值减半取负值作为7号轴给出的相对位移值，11号轴和12号轴则相对于14号轴少发每转一圈所需脉冲数的减半量，即少转半圈，因而相位关系零振幅变换最大振幅，同理可算出任意相位差的相对位移值，对7号轴给出该相对位移值即可调节相位。
本发明一种砖块成型机的振动控制方法，通过调整四个偏心块的相位关系来调整振幅，使得电机不用反复启停与调速，要实现相位调振必须使用伺服驱动，相比于变频器与齿轮箱的组合一次性投入的成本会比较高，为了降低成本，使用两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四轴的相位关系调整，相比于一般的四轴振动控制系统减少了两个伺服电机的使用，另外，用嵌入式软PLC作为运动控制系统，通过编码器读取异步电机的转速，将脉冲数据反馈给嵌入式软PLC主站，该软PLC根据运动控制的要求对数据进行处理，并将数据发送给伺服驱动器完成脉冲跟随或变相位，从而实现伺服电机跟随异步电机的运动控制，从运动控制器的角度进一步降低了成本。
附图说明
图1为两个偏心块振动组调振示意图；
图2为四个偏心块振动组调振示意图；
图3为四个偏心块振动组零振幅示意图；
图4为四个偏心块振动组最大振幅示意图；
图5为四个偏心块振动组较小振幅示意图；
图6为本发明四个偏心块振动组振动控制系统示意图；
图7为本发明中跟随与相位调振软件模型示意图。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
为了更清楚地说明四个偏心块振动组的调振原理，先阐述两个偏心块振动组调振系统的工作原理。如图1所示，两个偏心块安装在同一水平高度且转动方向相反。由公式1-1可知单个偏心块产生的离心力F。F1和F2分别为1#偏心块和2#偏心块的离心力。由公式1-2和1-3可知离心力F在水平和垂直方向上的分力。
F＝mew2 (1-1)
F水平＝mew2*cosγ (1-2)
F垂直＝mew2*sinγ (1-3)
式中，F为单个偏心块产生的离心力，m为单个偏心块的质量，e为单个偏心块的偏心距，w为偏心块的转速，γ为偏心块中心线与垂直方向所成的角。
对力进行分解与合成可得：
F合水平＝mew2*cosγ-mew2*cosγ＝0 (1-4)
F合垂直＝2mew2*sinγ (1-5)
由此得知，对于两个偏心块振动组而言，其水平方向的离心合力F合水平为0，垂直方向的离心合力F合垂直如公式1-5所示。随着偏心块的转动，γ呈现周期性地变化。所以在实际使用中，通过调节偏心块的转速w来实现对振幅和频率的调节。当需要振幅为零时，将转速w调整到零来实现。因此在调速与启停频率较低的情况下此种振动方式可以接受，当面对频繁调振的工艺需求时，将产生大量的能耗损失。
如图2所示的四个偏心块，将四个偏心块分为两组，第一偏心块1#与第四偏心块4#为A组，分别由两个伺服电机带动，第二偏心块2#与第三偏心块3#为B组，第二偏心块2#由异步电机带动，通过变频器控制它的转速，第三偏心块3#通过齿轮箱与第二偏心块2#始终保持同步转动；其中每一组均按照图1所示的两个偏心块振动组进行力的合成与分解，得出水平方向的离心合力为0，垂直方向的离心合力为公式1-9所示，通过两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四个偏心块的相位关系调整：
F4合水平＝0 (1-6)
FA垂直＝2mew2*sinγ (1-7)
FB垂直＝2mew2*sinθ (1-8)
F4合垂直＝2mew2*(sinγ-sinθ) (1-9)
式中，m为单个偏心块的质量，e为单个偏心块的偏心距，w为偏心块转速，γ为A组偏心块中心线与垂直方向所成的角，θ为B组偏心块中心线与垂直方向所成的角。
由公式1-9可知，通过调整γ角与θ角的差值就可实现振幅的调节。在转速W一定的情况下，通过调整A、B各组偏心块与垂直方向的角即可调节振动的幅度，γ与θ之间的关系称为相位关系。
如图3所示为四个偏心块振动组在振幅为零的情况下的相位关系，也就是A、B两组中心线夹角为180度。图4为四个偏心块振动组振幅最大的情况下的相位关系，也即是A、B两组中心线夹角为0度。图5为四个偏心块振动组振幅较小的情况下的相位关系，也即是A、B两组中心线夹角为0到180度。
综上所述，通过调整四个偏心块的相位关系来调整振幅，使得电机不用反复启停与调速。要实现相位调振必须使用伺服驱动，相比于变频器与齿轮箱的组合一次性投入的成本会比较高。为了降低成本，本发明使用两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四根轴的相位关系调整，相比于一般的四轴振动控制系统减少了两个伺服电机的使用。即2#和3#由一个异步电机配合一个齿轮箱来带动，实现两根轴的同步相向转动，1#和4#各由一个伺服电机带动，可实现变相位控制。另外，用嵌入式软PLC作为运动控制系统，从运动控制器的角度进一步降低了成本。
采用如图6所示的Cortex A8 Linux运行时环境，使用数字量输入输出与原免烧砖块成型机主PLC数据交换；使用两块轴卡，每块轴卡具有两个CANopen从站地址，第一块轴卡驱动两个伺服电机，第二块轴卡读取编码器的脉冲数据反馈；选用了东菱EPS系列伺服驱动器、伺服电机和欧姆龙光电式编码器。用光电式编码器读取异步电机的转速，将脉冲数据反馈给嵌入式软PLC主站，该PLC根据运动控制的要求对数据进行处理，并将数据发送给伺服驱动器完成脉冲跟随或变相位，从而实现伺服电机跟随异步电机的运动控制。
如图7所示，软件平台上，MC_GearIn为电子齿轮比功能块函数，MC_Combine为可调相位脉冲跟随的功能块函数,该电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的MasterID端连接14号轴，其SlaveID端连接8号轴，其Execute端与两个可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Execute端串联，并由同一个外部信号gCombine触发，该第一可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接11号轴，该第二可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接12号轴，上述14号轴对应第二偏心块2#，11号轴对应第一偏心块1#，12号轴对应第四偏心块4#，7号轴与8号轴是虚拟轴，8号轴用于脉冲跟随，7号轴用于变相位，其中，与第二偏心块2#连接的异步电机的末端再连接一编码器，将编码器的另一端与14号轴卡相连接，该编码器实时读取反馈的脉冲数据，将读取到的脉冲数据经处理反馈给14号轴，在电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的作用下，14号轴卡的脉冲数据经电子齿轮比转化为控制端需要发送的指令脉冲数，给到虚拟轴8号轴；7号轴模拟变相位所需的脉冲数，在可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的作用下，8号轴脉冲数减去7号轴脉冲数就得到了11号轴和12号轴的脉冲数，使得伺服电机轴组与异步电机轴组产生了相对角位移同时跟随转动。由于软件平台的扫描周期为4ms，每隔4ms读取一次编码器反馈回来的脉冲数，控制端要求伺服驱动器在下一个扫描到来之前将指令脉冲发送下去，即在不变相位的情况下，一个扫描周期内异步与伺服的位移相同，实现了伺服与异步的速度跟随。
上述第二偏心块2#为振动频率调整轴，是其他3个轴的基准，第三偏心块3#通过齿轮组与第二偏心块2#保持同步转动的轴，第一偏心块1#、第四偏心块4#这两个伺服轴的脉冲数目是在第二偏心块2#轴的基础上进行跟随与减少再跟随的，在需要调相位的时候少发一定数量的脉冲：
根据东菱伺服电机所能接受到的脉冲频率，将伺服电机旋转的最高转速3000r/min(50r/s)对应的脉冲频率定为100K/S，即可获得伺服电机每转一圈嵌入式软PLC主站发送的脉冲数(2000个脉冲)：
脉冲当量设置为1μm/p，即主轴位移2mm/r：
(2000p/r)*(1μm/p)＝(2mm/r) (1-11)
当7号虚拟轴给出-1mm的相对位移时，11号轴和12号轴则相对于14号轴少发1000个脉冲，即少转半圈，因而相位关系从图3所示变换为4所示，同理即可算出任意相位差的相对位移，对7号虚拟轴给出该相对位移即可调节相位从而达到调节振幅的目的。需要注意的是：均是给出负的相对位移，由于3000r/min是伺服电机的最大转速，不能再增发一定数量的脉冲了。
本发明一种砖块成型机的振动控制方法，其中，偏心块振动组包括分为两组的四个偏心块，第一偏心块与第四偏心块为A组，分别由两个伺服电机带动，第二偏心块与第三偏心块为B组，第二偏心块由异步电机带动，通过变频器控制转速，第三偏心块通过同步装置与第二偏心块始终保持同步转动；其中每一组偏心块进行力的合成与分解，得出水平方向的离心合力为0，垂直方向的离心合力为公式1-9所示，通过两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四个偏心块的相位关系调整：
F4合水平＝0 (1-6)
FA垂直＝2mew2*sinγ (1-7)
FB垂直＝2mew2*sinθ (1-8)
F4合垂直＝2mew2*(sinγ-sinθ) (1-9)
式中，m为单个偏心块的质量，e为单个偏心块的偏心距，w为偏心块转速，γ为A组偏心块中心线与垂直方向所成的角，θ为B组偏心块中心线与垂直方向所成的角；
第二偏心块的输出轴为振动频率调整轴，是其他三个偏心块输入轴的基准，其中，第三偏心块与第二偏心块保持同步转动，带动第一偏心块和第四偏心块的两个伺服电机的伺服轴的脉冲数是在第二偏心块输出轴的基础上进行跟随与减少再跟随的，在需要调相的时候少发一定数量的脉冲，具体包括如下步骤：
步骤1、软件平台上，设置电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的MasterID端连接14号轴，其SlaveID端连接8号轴，其Execute端与两个可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Execute端串联，并由同一个外部信号gCombine触发，该第一可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接11号轴，该第二可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接12号轴，所述14号轴对应第二偏心块，11号轴对应第一偏心块，12号轴对应第四偏心块，7号轴与8号轴是虚拟轴，8号轴用于脉冲跟随，7号轴用于变相位，其中，与第二偏心块连接的异步电机的末端再连接一编码器，将编码器的另一端与14号轴连接，该编码器实时读取反馈的脉冲数据，将读取的脉冲数据反馈给14号轴，在电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的作用下，14号轴的脉冲数据经电子齿轮比转化为作为控制端的嵌入式软PLC主站所需要发送的指令脉冲数发给8号轴；
步骤2、7号轴模拟变相位所需的脉冲数：在可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的作用下，将8号轴脉冲数减去7号轴脉冲数就得到了11号轴和12号轴的脉冲数，即驱使伺服电机轴组与异步电机轴组产生了相对角位移同时跟随转动；根据伺服电机所能接受到的脉冲频率，根据伺服电机旋转的最高转速确定对应的脉冲频率定，即可获得伺服电机每转一圈嵌入式软PLC主站发送的脉冲数：将伺服电机每旋转一圈的主轴位移值减半取负值作为7号轴给出的相对位移值，11号轴和12号轴则相对于14号轴少发每转一圈所需脉冲数的减半量，即少转半圈，因而相位关系零振幅变换最大振幅，同理可算出任意相位差的相对位移值，对7号轴给出该相对位移值即可调节相位。
本发明通过调整四个偏心块的相位关系来调整振幅，使得电机不用反复启停与调速，要实现相位调振必须使用伺服驱动，相比于变频器与齿轮箱的组合一次性投入的成本会比较高，为了降低成本，使用两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四轴的相位关系调整，相比于一般的四轴振动控制系统减少了两个伺服电机的使用，另外，用嵌入式软PLC作为运动控制系统，通过编码器读取异步电机的转速，将脉冲数据反馈给嵌入式软PLC，该软PLC根据运动控制的要求对数据进行处理，并将数据发送给伺服驱动器完成脉冲跟随或变相位，从而实现伺服电机跟随异步电机的运动控制，从运动控制器的角度进一步降低了成本。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种砖块成型机的振动控制方法，其特征在于：偏心块振动组包括分为两组的四个偏心块，第一偏心块与第四偏心块为A组，分别由两个伺服电机带动，第二偏心块与第三偏心块为B组，第二偏心块由异步电机带动，通过变频器控制转速，第三偏心块通过同步装置与第二偏心块始终保持同步转动；其中每一组偏心块进行力的合成与分解，得出水平方向的离心合力为0，垂直方向的离心合力为公式1-9所示，通过两个伺服电机跟随一个异步电机的方式实现四个偏心块的相位关系调整：
F4合水平＝0 (1-6)
FA垂直＝2mew2*sinγ (1-7)
FB垂直＝2mew2*sinθ (1-8)
F4合垂直＝2mew2*(sinγ-sinθ) (1-9)
式中，m为单个偏心块的质量，e为单个偏心块的偏心距，w为偏心块转速，γ为A组偏心块中心线与垂直方向所成的角，θ为B组偏心块中心线与垂直方向所成的角；
第二偏心块的输出轴为振动频率调整轴，是其他三个偏心块输入轴的基准，其中，第三偏心块与第二偏心块保持同步转动，带动第一偏心块和第四偏心块的两个伺服电机的伺服轴的脉冲数是在第二偏心块输出轴的基础上进行跟随与减少再跟随的，在需要调相的时候少发一定数量的脉冲，具体包括如下步骤：
步骤1、软件平台上，设置电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的MasterID端连接14号轴，其SlaveID端连接8号轴，其Execute端与两个可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Execute端串联，并由同一个外部信号gCombine触发，该第一可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接11号轴，该第二可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的Master1端连接8轴，其Master2端连接7号轴，其Slave端连接12号轴，所述14号轴对应第二偏心块，11号轴对应第一偏心块，12号轴对应第四偏心块，7号轴与8号轴是虚拟轴，8号轴用于脉冲跟随，7号轴用于变相位，其中，与第二偏心块连接的异步电机的末端再连接一编码器，将编码器的另一端与14号轴连接，该编码器实时读取反馈的脉冲数据，将读取的脉冲数据反馈给14号轴，在电子齿轮比功能块函数MC_GearIn的作用下，14号轴的脉冲数据经电子齿轮比转化为作为控制端的嵌入式软PLC主站所需要发送的指令脉冲数发给8号轴；
步骤2、7号轴模拟变相位所需的脉冲数，在可调相位脉冲跟随的功能块函数MC_Combine的作用下，将8号轴脉冲数减去7号轴脉冲数就得到了11号轴和12号轴的脉冲数，即驱使伺服电机轴组与异步电机轴组产生了相对角位移同时跟随转动；根据伺服电机所能接受到的脉冲频率，以及伺服电机旋转的最高转速确定对应的脉冲频率，即可获得伺服电机每转一圈嵌入式软PLC主站发送的脉冲数：将伺服电机每旋转一圈的主轴位移值减半取负值作为7号轴给出的相对位移值，11号轴和12号轴则相对于14号轴少发每转一圈所需脉冲数的减半量，即少转半圈，因而相位关系零振幅变换最大振幅，同理可算出任意相位差的相对位移值，对7号轴给出该相对位移值即可调节相位。
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