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1、 環(huán)境背景
　　隨著科學(xué)技術(shù)進步和人民生活水平提高,市場對嬰兒紙尿褲的需求不斷增加,使之出現(xiàn)求大于供的局面。正是由于出現(xiàn)了這樣的商機,一些過去采用機械傳動式嬰兒紙尿褲生產(chǎn)線機的設(shè)備制造廠改機械傳動為伺服控制系統(tǒng)以提高設(shè)備的生產(chǎn)效率;還有一些過去生產(chǎn)餐巾紙,護墊的設(shè)備制造商紛紛投資制造嬰兒紙尿褲生產(chǎn)線機.華南一家機械設(shè)備制造商就屬于后者。
　　嬰兒紙尿褲產(chǎn)品分為: 大碼、中碼、小碼,其長度從385mm到550mm不等。設(shè)計速度為200m/min,生產(chǎn)節(jié)拍為400pcs/min,裝機容量為260kw,精度為±1mm。該機的傳動和控制系統(tǒng)采用三菱的變頻器、伺服放大器和Q02HPLC、Q173CPU及Q172CPU運動控制器。

　　按照具體功能劃分它們是:
一 開卷裝置
① 導(dǎo)流無紡布開卷
② 衛(wèi)生紙開卷
③ 彈性腰帶開卷
④ 底膜開卷
⑤ 前膠貼開卷
⑥ 面料無紡布開卷
⑦ 復(fù)合貼開卷
⑧ 擋墻無紡布開卷

二 刀具總成
① 棉芯切刀
② 彈性腰切刀
③ 前膠貼切刀
④ 復(fù)合貼切刀
⑤ 成型邊切刀
⑥ 成型終切刀

三 復(fù)合輥和壓輥
① 棉芯壓紋輥
② 三星壓合輥 1
③ 三星壓合輥 2
④ 三星壓輥牽引
⑤ 導(dǎo)流無紡布、衛(wèi)生紙、棉芯復(fù)合輥
⑥ 面料無紡布、彈性腰復(fù)合輥
⑦ 前膠貼、底膜復(fù)合輥
⑧ 左右復(fù)合貼復(fù)合輥
　　開卷裝置將生產(chǎn)紙尿褲需要的各種材料依序輸送至主加工線, 切刀輥則按產(chǎn)品的規(guī)格剪切成各種形狀尺寸,經(jīng)復(fù)合輥和壓輥及最終切斷刀完成嬰兒紙尿褲產(chǎn)品加工.最后經(jīng)折疊、疊碼包裝入袋 。

2.2 硬件組成
　　系統(tǒng)開卷裝置的傳動設(shè)備采用三菱FR-540E變頻器; 切刀輥、復(fù)合輥和壓牽輥、輸送輥等設(shè)備采用三菱J2S-B伺服大器.基礎(chǔ)自動化采用Q02HPLC、Q173和Q172CPU運動控制器組成的多CPU系統(tǒng).人機界面采用三菱GOT985完成參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控、啟動、停止等.其硬件配置如圖2所示.
　　Q02CPU控制17軸變頻器,Q173CPU控制生產(chǎn)加工30軸伺服電機,Q172CPU控制包裝設(shè)備5軸伺服電機.
　　按工藝要求35軸伺服電機和17軸變頻異步電機必須同步。16臺開卷裝置獨立傳動,兩臺為一組恒張力自動換接料;6套切刀輥相位要嚴(yán)格一致;8套復(fù)合輥和壓合/牽輥及輸送輥等線速度完全相同;包裝設(shè)備位置控制和開卷裝置張力控制節(jié)拍匹配;才能確保產(chǎn)品的一致性、重復(fù)性及精度。該設(shè)備集相位控制、速度控制、位置控制、張力控制為一體。

2.3 Q—Motion
　　Q173和Q172是繼A系列運動控制器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。Q173可控制32軸;Q172可控制8軸,程序執(zhí)行周期（SV22 4軸）僅為0.88ms,是以往的1/4。 Q173和Q172CPU單元具有運動控制和事件處理的64位RISC處理器,能高速度完成高精度計算和大量數(shù)據(jù)通訊。具有多軸插補、速度控制、凸輪定形、軌跡控制等多樣運動控制功能。SSCNT伺服總線傳輸速度為5.6Mbps,發(fā)送周期0.88ms,確保同步精度和速度/位置的控制精度。Q173和Q172兼容MELSEC-Q系列PLC-CPU,進行高速順序程序的處理 。Q02HCPU是多CPU系統(tǒng)的主控CPU。
　　系統(tǒng)軟件:
　　傳輸裝配軟件SV13:提供:線性插補（1-4軸）、圓弧插補、螺旋插補、等速度控制、固定距離進給、速度控制、速度切換控制、速度-位置切換等功能,適于電子元件裝配、裝料機/卸料機、食品包裝、X-Y工作臺、傳送機器、噴涂機、焊接機、注塑機、貼片機等。
　　自動機器軟件SV22:在SV13功能的基礎(chǔ)上增加了:多軸同步控制、凸輪控制、繪圖控制、電子軸、電子離合器等功能.適合于印刷機、制紙機、食品加工機、精紡機、紡織機械等。
　　凸輪軟件CAMP:制作凸輪運行曲線或自由曲線,實施軌跡控制及相位控制.
　　同步編碼器功能,實現(xiàn)多軸同步控制和相位自動控制。
　　數(shù)字示波器功能,實現(xiàn)力矩、速度、位置等電機信息的實時監(jiān)控。

3、 應(yīng)用軟件設(shè)計
　　Q—Motion提供實模式和虛模式兩種控制模式.程序設(shè)計使用Motion SFC（Sequential Function Chart）語言和支持機械的語言進行可視化編程。 Motion SFC是以流程圖的形式進行描述,按照機械動作步驟編寫,容易制作工序控制的程序。支持機械的語言是通過軟件模塊實現(xiàn)主軸、齒輪、離合器、凸輪等硬件動作,自由地把這些模塊組合起來,即完成虛模式下的機械語言的程序設(shè)計。實現(xiàn)復(fù)雜的同步控制、軌跡控制及協(xié)調(diào)控制 。
　　紙尿褲生產(chǎn)線機的系統(tǒng)連鎖功能,調(diào)節(jié)功能,設(shè)備啟動停止控制等使用Motion SFC編程; 同步控制, 系統(tǒng)較正,復(fù)合輥壓合/牽輥線速度控制、切刀輥相位控制等使用支持機械的語言編程; 開卷裝置張力控制由Q02HCPU用梯形圖編程。

3.1 同步控制
　　紙尿褲加工生產(chǎn)線同步通過控制程序如圖3所示.

圖三同步控制虛模式程序

　　由一臺虛擬伺服電機經(jīng)一虛擬主軸通過齒輪、離合器、變速機差速齒輪/變速機,驅(qū)動滾筒或凸輪 。滾筒代表復(fù)合輥或壓合/牽輥或輸送輥, 凸輪代表切刀輥。30個離合器由一個位軟元件控制,所以當(dāng)這臺虛擬伺服電機以某一轉(zhuǎn)速啟動,即通過虛擬主軸將脈沖數(shù)和脈沖頻率傳遞給切刀輥、復(fù)合輥、壓合/牽輥、輸送輥使它們按設(shè)計好的速度同步運行。（由于版面限制只復(fù)制了14軸伺服）

3.2 系統(tǒng)較正
3.2.1原點回歸
　　為滿足機械設(shè)計需要Q—Motion設(shè)計了多種方式:
① 近點DOG方式原點回歸
② 計數(shù)方式原點回歸
③ 數(shù)據(jù)設(shè)置方式原點回歸
④ 停止器方式原點回歸
⑤ 限位開關(guān)混合型原點回歸
　　原點回歸,即機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)較正.是相位控制、位置控制關(guān)鍵,選擇恰當(dāng)?shù)脑c回歸方式才能保證系統(tǒng)控制精度 。
　　該套系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)設(shè)置方式原點回歸 。使用JOG功能手動將控制對象移至期望點,然后啟動原點回歸 。包裝設(shè)備的位置系統(tǒng)使用絕對位置編碼器,所以雖操作繁瑣但機器一次性調(diào)好即可 。

3.2.2系統(tǒng)調(diào)整
　　當(dāng)紙尿褲加工生產(chǎn)線所有軸從靜止?fàn)顟B(tài)啟動到額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)或從一個穩(wěn)態(tài)（速度）到另一個穩(wěn)態(tài)（速度）的過渡過程,即動態(tài)速度曲線不一致, 切刀輥之間會出現(xiàn)錯位; 復(fù)合輥、壓合/牽輥之間出現(xiàn)堆料或打滑現(xiàn)象。所以調(diào)整各伺服軸的增益和積分參數(shù)不僅響應(yīng)快而且要過渡過程曲線完全一致 。

3.3 復(fù)合輥、壓合/牽輥線速度控制
3.3.1輥徑偏差補償
　　復(fù)合輥、壓合/牽輥、輸送輥共24根 。 由于輥徑的機械加工存在正負(fù)公差,盡管使用的輥都在允許的公差范圍內(nèi),但計算各軸圓周,其各軸周長的差使得各軸以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時線速度不一致,不能滿足控制精度的要求,必須對其糾偏。
　　Q—Motion提供三種偏差糾正方法:
① 固定參數(shù)設(shè)置
② 變速機控制
③ 差速齒輪
　　固定參數(shù)設(shè)置法是用游標(biāo)卡尺或其它測量器具直接測量輥徑,并計算出周長,修正后設(shè)定電子齒輪,使各輥線速度相等。
　　變速機控制和差速齒輪法既可離線設(shè)置也可在線調(diào)節(jié) 。連接變速機到滾筒支路,把變速機的變速比設(shè)為變量,通過調(diào)節(jié)各輥的變速比值,使其達到線速度相等。 連接差速齒輪到滾筒支路,在差速齒輪側(cè)加入輔助虛擬伺服電機使輥筒的速度得到修正 。
　　本系統(tǒng)采用變速機控制法.
　　設(shè)要求線速度相同的24軸輥徑由小到大依次為:
　　　　Φ1,Φ2,Φ3 ???????????????????????????????????????????? Φ24
　　在虛模式分別加入變速機,其對應(yīng)的變速比依次為:
　　　　Κ1,Κ2,Κ3?????????????????????????????????Κ24
　　其中: Κ1=10000; Κn=（Φ1/Φn）＊10000 （n = 2～24）

3.3.2 微張力控制
　　復(fù)合輥、壓合/牽輥傳動對象是生產(chǎn)紙尿褲的各種材料,只有使其在加工過程不打滑和堆料才能讓材料勻速傳送,從而保證產(chǎn)品精度.。為此采用微張力控制,即在連輥之間加入微小速度差ΔⅤ,以使加工材料繃直既不堆料也不打滑 。
　　設(shè): 沿材料加工前進方向復(fù)合輥、壓合/牽輥依次為:
　　　　φ1,φ2,φ3????????????????????????????????? φ24
　　對應(yīng)各輥線速度依次為:
　　　　V1,V2,V3????????????????????????????????? V24
　　其中: Vn - Vn+1 = ΔV （ΔV< Vn＊1‰ ～2.5‰）

3.4 切刀輥相位控制
　　6個切刀輥設(shè)計為往復(fù)式自由凸輪模式.一個周期為此360°與切刀輥一轉(zhuǎn)相對應(yīng).其凸輪曲線如圖4所示 。

3.4.1階躍負(fù)載速度補償
　　切刀輥屬階躍負(fù)載.當(dāng)切刀輥轉(zhuǎn)至切刀位時負(fù)載突然躍變,電機速度也會被瞬間跌落如圖5所示 。

　　由于每個切刀輥的負(fù)荷率不同,所以每個切刀輥轉(zhuǎn)至切刀位時速度跌落的幅值和回調(diào)的時間也都不同 。由此會引起切刀輥間相位錯位,所以必須進行補償。其補償?shù)姆椒ㄈ鐖D6所示,按圖6給定速度曲線,設(shè)置凸輪曲線,將抵消由于負(fù)載躍變產(chǎn)生的速度波動 。當(dāng)然電機功率選得過大使負(fù)荷率較小或系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計大些, 階躍負(fù)載產(chǎn)生的速度波動也會減小或減少到精度允許的范圍內(nèi) 。

3.4.2 隨機擾動調(diào)節(jié)功能
　　電網(wǎng)的電壓波動電磁場干擾以及加工材料不均勻都會使運動過程的切刀輥產(chǎn)生隨機擾動,使個別機架的切刀輥相位產(chǎn)生錯位。系統(tǒng)設(shè)計了如圖7所示調(diào)節(jié)功能,可手動或自動糾正錯位。V32為30個軸的同步驅(qū)動虛擬伺服電機,V1為1軸的輔助驅(qū)動虛擬伺服電機作用是糾偏 。

圖七 輔助軸糾偏系統(tǒng)

4、 結(jié)論
　　三菱運動控制器是集通訊、位置、速度、張力控制為一體的自動控制平臺.簡單、易懂、直觀、可視性強的編程方法,適合于各種層次的自動化專業(yè)人員在短時間內(nèi)掌握并應(yīng)用;豐富的控制功能、高分辨率系統(tǒng)、快速響應(yīng)滿足各類機械設(shè)備生產(chǎn)工藝要求。

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