1.引言
隨著包裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，瓦楞紙板生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率逐年提高，主要體現(xiàn)在瓦楞紙板生產(chǎn)線后端的電腦橫切機(jī)速度的大幅提高。電腦橫切機(jī)的控制部分需滿足精準(zhǔn)的裁切長度的同時還要滿足很高的裁切速度。其難點(diǎn)在于紙板處于高速運(yùn)動狀態(tài)，切刀的動態(tài)控制需極高的運(yùn)算速度和極高的跟蹤性能。變頻器的控制無法達(dá)到高的裁切速度（40M/min—80M/min），裁切誤差也隨速度的提高而越來越大，變頻器對脈沖的反饋速度也無法滿足裁切精度的要求。運(yùn)動控制卡加進(jìn)口伺服系統(tǒng)的控制方式是完全可以滿足精度和速度的雙向要求，速度可達(dá)到200M/min—300M/min，本文著重介紹的運(yùn)動控制卡控制的博瑋/BWS品牌伺服驅(qū)動器與異步伺服電機(jī)在橫切系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2.系統(tǒng)工藝簡介
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
下圖為電腦螺旋刀橫切機(jī)控制簡圖。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式同步動態(tài)裁切，上下兩組裁切輪刀同時被伺服馬達(dá)帶動，各依箭頭所示方向相對旋轉(zhuǎn)。輪刀之上的刀刃必須作精密的調(diào)整，當(dāng)上輪刀之刀刃旋轉(zhuǎn)至正下方時，下刀刃恰好轉(zhuǎn)至正上方，才能執(zhí)行正確的裁切。每次裁切刀輪旋轉(zhuǎn)一圈，便自動將材料切斷一次;馬達(dá)只要在相同方向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，輪刀便能連續(xù)裁切。
圖1：電腦螺旋刀橫切機(jī)控制簡圖
2.2系統(tǒng)組成及其功能介紹：
1、旋轉(zhuǎn)式異步飛剪控制驅(qū)動系統(tǒng)：（立達(dá)）
接受控制器及HMI輸入的運(yùn)轉(zhuǎn)命令及長度設(shè)定
控制伺服馬達(dá)之運(yùn)轉(zhuǎn)速度及同步定位動作
2、人機(jī)界面（HMI）：
接受設(shè)定資料及顯示運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
3、控制器：
處理基本之接口、互鎖、連動信號
偵測量測輪編碼器傳回之脈沖，得知進(jìn)料速度及進(jìn)料長度
偵測量電機(jī)編碼器經(jīng)伺服控制器轉(zhuǎn)換后傳回之脈沖，得知裁切刀輪速度及當(dāng)前位置。
4、感應(yīng)式異步伺服馬達(dá)：
將馬達(dá)動力傳送至上下裁切刀輪
5、輪刀：
上下鏡射、各帶刀刃的一組回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
6、送料檢測編碼器：
直接緊密的接觸待切材料，靠材料之橫移而帶動編碼器產(chǎn)生脈沖信號
2.3工藝流程
電腦橫切機(jī)切紙板時，切刀運(yùn)行的速度曲線因裁切長度的不同而不同，大體分三種情況：裁切長度大于兩倍切刀圓周長、裁切長度大于切刀圓周長且小于兩倍切刀圓周長、裁切長度小于切刀圓周長。
第一種情況：裁切長度大于兩倍切刀圓周長
圖2: 裁切長度大于兩倍切刀圓周長的運(yùn)轉(zhuǎn)曲線
如果裁切長度大于兩倍切刀圓周長，運(yùn)行速度曲線如圖2所示;整個裁切循環(huán)從第一個裁切點(diǎn)開始到第二個裁切點(diǎn)結(jié)束，重點(diǎn)分段說明如下：
1. 控制系統(tǒng)隨時監(jiān)控進(jìn)料長度與進(jìn)料速度并控制伺服馬達(dá)帶動裁切刀輪，掌握正確的裁刀速度曲線。
2. 從第一個裁切點(diǎn)開始 （裁刀方位角等于180度），當(dāng)時仍然在同步區(qū)域內(nèi)，因此裁刀速度必須與進(jìn)料速度維持同步運(yùn)轉(zhuǎn)。
3. 當(dāng)裁切刀離開同步區(qū)域后，裁刀速度曲線經(jīng)過控制系統(tǒng)精確的計(jì)算、控制，在降低到零速的同時，裁刀方位角也必須剛好等于0度。
4. 當(dāng)進(jìn)料長度累計(jì)到適當(dāng)長度時，裁切刀輪開始朝進(jìn)料速度目標(biāo)加速;而且裁刀速度曲線經(jīng)過控制系統(tǒng)
精確的計(jì)算、控制，務(wù)求在裁刀速度上升到與進(jìn)料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進(jìn)入同步區(qū)域。
6. 進(jìn)入同步區(qū)域之后，裁刀速度必須隨時與進(jìn)料速度維持同步運(yùn)轉(zhuǎn)，直到第二個裁切點(diǎn)出現(xiàn)，乃完成一次裁切循環(huán)。
圖3: 裁切長度大于切刀圓周長且小于兩倍切刀圓周長的運(yùn)轉(zhuǎn)曲線
如果裁切長度大于切刀圓周長且小于兩倍切刀圓周長，則運(yùn)行速度曲線如圖3所示。基本運(yùn)行速度曲線類似圖2。差異如下：
1. 在整個裁切循環(huán)中，當(dāng)裁切刀輪離開同步區(qū)域后，裁刀速度雖然也會下降，但不會降速至零速停止，不存在零速區(qū)域。
2. 經(jīng)過運(yùn)動控制系統(tǒng)精確的計(jì)算、控制，在裁刀速度降低到一定值之后，立刻開始再加速;務(wù)求在裁刀速度上升到與進(jìn)料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進(jìn)入同步區(qū)域;并維持同步直到第二個裁切點(diǎn)出現(xiàn)，乃完成一次裁切循環(huán)。
3. 裁切長度越趨近切刀圓周長，則速度下降越少;當(dāng)裁切長度等于切刀圓周長時，裁刀速度在整個裁切循環(huán)中都維持與進(jìn)料速度完全同步
圖4: 裁切長度小于切刀圓周長的運(yùn)轉(zhuǎn)曲線
如果裁切長度小于切刀圓周長，則運(yùn)行速度曲線如圖4所示;基本運(yùn)行速度曲線類似圖3。差異如下：
1. 在整個裁切循環(huán)中，當(dāng)裁切刀輪離開同步區(qū)域后，裁刀速度不降速，反而開始加速。
2. 經(jīng)過運(yùn)動控制系統(tǒng)精確的計(jì)算、控制，在裁刀速度上升到一定值之后，立刻開始減速;務(wù)求在裁刀速度下降到與進(jìn)料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進(jìn)入同步區(qū)域;并維持同步直到第二個裁切點(diǎn)出現(xiàn)，乃完成一次裁切循環(huán)。
3. 裁切長度越小，則裁刀速度上升越高，將造成馬達(dá)劇烈的加減速。
3.器件選型的注意事項(xiàng)
立達(dá)輪切系統(tǒng)基本架構(gòu)中所需的主要組件是：
1. 異步感應(yīng)伺服電機(jī)
必須依據(jù)系統(tǒng)扭力的需要，包括伺服電機(jī)、機(jī)械系統(tǒng)自身的慣量、效率、摩擦損耗等因素來選定適當(dāng)?shù)男问郊肮β省?/FONT>
一般選擇電機(jī)時需注意：
1）低慣量電機(jī)且慣量愈低愈好，否則會損耗許多扭力去克服自身的慣量。
2）適當(dāng)?shù)念~定轉(zhuǎn)速及減速比
選定電機(jī)規(guī)格時應(yīng)配合減速機(jī)構(gòu)一起考慮，最佳的匹配是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于最高轉(zhuǎn)速時， 即是機(jī)臺切刀的最高合理運(yùn)轉(zhuǎn)速度（考慮機(jī)械的承受力，及實(shí)際應(yīng)用上的要求）。尤其是當(dāng)選用的是感應(yīng)式異步電機(jī)加裝編碼器的方式搭配時，更是要考慮適當(dāng)?shù)臏p速比及電機(jī)的轉(zhuǎn)速配置。因?yàn)橐话愕漠惒诫姍C(jī)的扭力輸出效率最大的區(qū)間是在額定轉(zhuǎn)速區(qū)附近，在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)扭力輸出效率相對較差;所以若選擇1500rpm的電機(jī)，實(shí)際上僅運(yùn)轉(zhuǎn)于約500～600rpm的速度區(qū)間，那么就必須改變減速比，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)于1100～1400rpm，或改用750rpm的電機(jī)來使用，如此才能發(fā)揮電機(jī)應(yīng)有的扭力輸出效率。
2. 時光IMS伺服驅(qū)動器
必須依據(jù)系統(tǒng)可能的最大扭力需要和選定的伺服電機(jī)最大額定電流來選定。驅(qū)動器可以外加煞車制動器;詳細(xì)內(nèi)容請咨詢本公司技術(shù)服務(wù)咨詢?nèi)藛T。
3. 主線速度測量編碼器
依據(jù)精度要求及機(jī)械參數(shù)來選定。編碼器的選定規(guī)格需注意：
1）工作電壓5V
2）輸出部分是線驅(qū)動（Line Drive），差動式信號，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信號。
4） 配合測量輪的外徑及減速比，測量精度需能合乎裁切精度的要求。
若采用1024ppr的編碼器，配合圓周為400mm的測量輪，如果減速比是1，其測量精度是400/1024＊2=0.78mm，可應(yīng)用于±1mm 精度要求的測量，但不適用于±0.8mm以下精度要求的測量。要提高測量精度，則必須提高編碼器精度，或增加減速比，以提高單位長度中的脈沖輸出量。
4. 人機(jī)界面
可規(guī)劃適合的操作畫面，以便于資料輸入，動作切換，系統(tǒng)監(jiān)視。
5. 切點(diǎn)近接開關(guān)
切點(diǎn)近接開關(guān)信號的精確度直接影響裁切的精度。切點(diǎn)信號必須能有精確的重復(fù)性和穩(wěn)定性，其重點(diǎn)在于能確保在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，精確的重復(fù)標(biāo)示出切刀切斷時的角度位置;信號輸出的延遲時間、感應(yīng)位置的誤差量，都會造成控制上的誤差。
選擇的考慮點(diǎn)：
1）工作電壓24V。
2）輸出信號電壓24V。
3）切斷信號必須是脈沖式的信號。
4）輸出遲延時間愈小愈好。
如果延遲時間小于3usec，表示最大可能的誤差在進(jìn)料線速度為100米/分時為：
100,000mm/60,000,000us＊3us＊2=0.01mm
5）感應(yīng)位置的重復(fù)性愈精準(zhǔn)愈好。
6）感應(yīng)角度愈窄愈好。
7）若要更高的精度，則必須采用編碼器的Z點(diǎn)信號取代一般的近接型開關(guān)。
4.結(jié)束語
上述電腦螺旋刀橫切系統(tǒng)切紙速度可達(dá)200M/min切紙精度控制在0.2-0.3MM。全自動高速螺旋刀橫切系統(tǒng)高效率、高精度、高可靠性;可選擇定長橫切、色標(biāo)跟蹤橫切，可自動換單、選擇換單。大大提高了生產(chǎn)效率。
（轉(zhuǎn)載）
