基于光電檢測技術(shù)的圓盤切刀實時角度調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計*

陳 志，黃 浩，李海洲，羅永輝

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.東莞華科精機(jī)有限公司，廣東東莞 523808；3.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實驗室，廣東東莞 523808；4.東莞市新望包裝機(jī)械有限公司，廣東東莞 523519）

0 引言

軟包裝(Flexible Package)是指在充填或取出內(nèi)裝物之后，容器形狀可發(fā)生變化的包裝方式，用紙、鋁箔、纖維、塑料薄膜以及它們的復(fù)合物所制成的各種袋、盒、套、包封等均為軟包裝。它具有質(zhì)量輕、廢料少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、紡織品、食品工業(yè)上。隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，軟包裝的地位正日益提高[1]。在軟包裝生產(chǎn)中，分切是一道非常重要的工序，它實現(xiàn)了由半成品到產(chǎn)品的加工[2]。分切機(jī)是一種將寬幅薄膜或紙張分切成多條窄幅材料的機(jī)械設(shè)備，廣泛用于印刷及造紙、軟包裝等行業(yè)[3]。分切機(jī)的結(jié)構(gòu)總體分為放卷、驅(qū)動和收卷3大功能結(jié)構(gòu)，其簡易示意圖如圖1所示。

圖1 分切機(jī)的工作原理示意圖

目前分切臺對產(chǎn)品質(zhì)量的控制普遍停留在表面的控制上，以減少啟皺、縱皺、橫皺、線皺、毛邊等問題為主，而對于產(chǎn)品端面的質(zhì)量關(guān)注較少，技術(shù)手段較為有限。對于端面質(zhì)量的控制往往采用對分切速度、張/壓力等參數(shù)的調(diào)整與控制上，切刀的角度調(diào)整，而機(jī)器的運(yùn)行狀況十分復(fù)雜，和很多個參數(shù)都有關(guān)系，比如機(jī)床的抖動、母帶的不平整等。在實際加工中，獲得一個最優(yōu)的參數(shù)需要一個很長的適應(yīng)過程。然而隨著現(xiàn)代企業(yè)對包裝材料的要求越來越高，提高分切機(jī)的性能，降低生產(chǎn)成本，縮短交貨時間對提高包裝印刷企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益很有必要。

本次研究主旨在于提高分切的斷面質(zhì)量，以光電檢測技術(shù)作為支撐，設(shè)計出高精度、實時性的光電檢測系統(tǒng)作為傳感機(jī)構(gòu)；基于PLC控制與伺服電機(jī)控制，對圓盤切刀進(jìn)行實時角度調(diào)整閉環(huán)的控制系統(tǒng)。基于圓盤切刀分切原理，使用伺服驅(qū)動的可轉(zhuǎn)動圓刀進(jìn)行過程控制，采用靈敏的光電檢測系統(tǒng)對帶材及圓盤切刀角度進(jìn)行實時檢測，將檢測的結(jié)果傳送到控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對圓盤切刀的實時調(diào)整閉環(huán)系統(tǒng)。實踐表明，本次設(shè)計的系統(tǒng)具有測量精度高、反應(yīng)速度快，圓盤切刀角度轉(zhuǎn)動角度精確等優(yōu)點(diǎn)，故能大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低分切的成本，縮短交貨時間，對設(shè)計高性能、高自動化與高柔性分切機(jī)的有很大的借鑒意義。

1 圓盤切刀分切技術(shù)

常用的分切刀具主要分為以下幾種：（1）刀槽式刀片分切是使刀片伸進(jìn)帶槽輥的槽內(nèi)分切，分切時穩(wěn)定好，不過精度難以控制；（2）懸空式刀片分切是刀片直接在拉伸的膜上分切，分切寬度易調(diào)整，可任意分切寬度，但對原料的平整度要求較高；（3）圓盤分切刀片[4]，圓盤分切刀分為上刀、下刀，裝在分切機(jī)刀軸上，利用滾剪原理來分切厚度為0.01～0.1 mm成卷的各種電容器紙、鋁箔、金屬化薄膜、電影膠片、計算機(jī)帶及磁帶[5]。圓盤切刀是一種可以替代平壓切式模切刀的高效率、高精度刀具，最早應(yīng)用于煙包印后加工領(lǐng)域[6]。由于圓盤具有刃口堅韌、使用壽命長、高分切效率和精度，廣泛應(yīng)用于造紙、印刷與軟包裝行業(yè)，具有不可替代的地位。

雖然圓盤切刀具有上述很大優(yōu)點(diǎn)，但要滿足現(xiàn)代高精度、高效率以及高穩(wěn)定性的現(xiàn)代化分切要求，圓盤形切刀也存在一些嚴(yán)重不足：（1）當(dāng)分切規(guī)格變化大時，確定切刀位置麻煩，需要長時間的適切；（2）由于切材、機(jī)床振動等一些不穩(wěn)定性因素，圓盤切刀與切材的相對角度會有一定程度的變化，普通機(jī)床無法實現(xiàn)自動調(diào)整。雖然切角偏差很小，但由于進(jìn)給長度大，累積誤差也不可忽視，實際加工數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)切角偏差10-2rad，每卷的分切長度為100 m，累積誤差為1 m。市場調(diào)查顯示：對于一條年產(chǎn)萬噸級的聚酯薄膜來說，如果分切優(yōu)等品率提高40%，可產(chǎn)生直接收益200萬元；每卷減少1米跑偏，就可以減少約0.5噸損耗，減少約5.4萬元損失。從某種程度上來說，“好產(chǎn)品是切出來的”。

2 光電檢測技術(shù)

光電檢測技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計上多用于位置、角度以及平面檢測，其特點(diǎn)是可以實現(xiàn)無接觸、微細(xì)檢測，因而可以將微小機(jī)械動態(tài)檢測變成觀點(diǎn)靜態(tài)檢測，從而很大程度上簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)[7]。光電檢測技術(shù)具有高精度、高靈敏度、成本低和可靠性高等明顯特點(diǎn)，具體表現(xiàn)如下：最高的檢測精度可達(dá)0.05 μm/m；反應(yīng)速度達(dá)到光速，為現(xiàn)代最快的檢測手段之一；許多光電檢測設(shè)備均采用自適應(yīng)調(diào)整裝置，具有較強(qiáng)的抗干擾性；然而該技術(shù)對硬件設(shè)備和軟件設(shè)備要求也較高。因此將光電檢測技術(shù)應(yīng)用到圓盤分切技術(shù)中，能夠較好地彌補(bǔ)圓盤切刀在實際加工中的不足。

2.1 光電檢測原理

光電檢測裝置主要應(yīng)用光電傳感效應(yīng)原理，將輸入光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出[8]。它主要由光源S、透鏡組C、光電池B以及檢測器A等組成，其檢測原理示意圖如圖2所示，光源S發(fā)出高頻光信號，將圓盤切刀E的端面置于光路中，光信號通過透鏡組C匯聚到光電池B，檢測器A檢測光電池B的接收光信號轉(zhuǎn)化成的電信號，經(jīng)選頻放大帶通濾波及信號精密整流電路，最后輸出穩(wěn)定的電壓信號。

圖2 光電檢測原理示意圖

2.2 光電檢測裝置

本次研究的光電檢測裝置，主要根據(jù)圖2的光電檢測原理，實際的光電檢測裝置如圖3所示。該裝置相當(dāng)于由兩套圖2的裝置構(gòu)成。在實際操作中，首先需要對光安裝，即根據(jù)檢測器(A1、A2)的電信號，安裝圓盤切刀的參考位置；其次，切除帶材過程中，將圓盤切刀E由于受到帶材D切除阻力、機(jī)床振動等干擾因素，會發(fā)生微小量(10-1rad)的角度偏離，則進(jìn)入透鏡組(C1、C2)的光通量就會改變，輸出的電壓信號也會發(fā)生變化，并將兩個檢測器(A1、A2)的電信號實時傳送給控制系統(tǒng)；最后，控制系統(tǒng)根據(jù)兩個檢測器(A1、A2)電信號的變化，實時控制角度調(diào)整系統(tǒng)，微調(diào)圓盤切刀的端面角度，使圓盤切刀E的兩個端面分別與光線1和光線2平行，最終使得兩個檢測器(A1、A2)的電信號均達(dá)到最大。實驗結(jié)果顯示，本次研究中的光電檢測裝置對圓盤切刀角度的檢測精度為10-2rad。

3 角度實時調(diào)整系統(tǒng)

精密的角度實時調(diào)整系統(tǒng)集成光電檢測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)以及現(xiàn)代數(shù)值計算理論于一體，可對二維及三維運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測并實時測量空間坐標(biāo)，具有高精度、實時性、動態(tài)監(jiān)測和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、核工業(yè)以及航空航天等精密機(jī)械制造領(lǐng)域[9-10]。本次研究設(shè)計的角度實時調(diào)整系統(tǒng)，采用伺服電機(jī)與PLC控制精密的角度調(diào)整機(jī)械裝置，包括伺服電機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、角度測量系統(tǒng)、角度驅(qū)動系統(tǒng)和角度調(diào)整機(jī)械控制模塊。實驗結(jié)果顯示，本次設(shè)計的角度實時調(diào)整系統(tǒng)的校正精度高達(dá)±2×10-1rad，系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后僅為0.1 s。

圖3 光電檢測裝置示意圖

3.1 角度實時調(diào)整控制系統(tǒng)

本次設(shè)計的角度調(diào)整控制系統(tǒng)采用PLC控制結(jié)合伺服控制技術(shù)，實現(xiàn)對角度實時調(diào)整系統(tǒng)精確的控制。PLC控制具有實時性、高可靠性、高性價比及使用維修方便，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場合[11]。伺服電機(jī)系統(tǒng)(servo motor system)一般由伺服電機(jī)及其專用驅(qū)動器系統(tǒng)組成，具有線性度高、控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，其控制精度由伺服電機(jī)后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。本次研究將上述二者的結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ)，伺服電機(jī)與專用驅(qū)動器配套使用時，控制器(PLC)向伺服電機(jī)驅(qū)動器提供相應(yīng)的控制脈沖，調(diào)整脈沖頻率和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制信號即可實現(xiàn)控制器(PLC)對伺服系統(tǒng)進(jìn)行精確的控制，這種結(jié)合控制方式很大程度上逐漸取代其他的控制方式。

角度調(diào)整控制系統(tǒng)包含顯示電路、電源電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動電路、角度檢測電路和機(jī)械控制模塊等，如圖4所示。閉環(huán)系統(tǒng)控制流程如下：

（1）角度檢測電路監(jiān)測圓盤切刀的相對角度，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并端面偏差值傳輸給PLC控制系統(tǒng)；

（2）根據(jù)光線1和光線2的信號差，通過一定的數(shù)值計算、變換算法，將PWM驅(qū)動信號傳給驅(qū)動電機(jī)；

圖4 系統(tǒng)控制總體流程圖

（3）驅(qū)動電機(jī)控制角度調(diào)整組件，給出相應(yīng)的控制方式，通過機(jī)械控制模塊進(jìn)行實時調(diào)整圓盤切刀的角度。

如此循環(huán)步驟（1）～（3），實時性、閉環(huán)調(diào)整圓盤切刀與切材的相對角度。由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變換不易受外界干擾，整個系統(tǒng)工作可靠，從而利用單片機(jī)控制系統(tǒng)能精確地實現(xiàn)對PWM波占空比的調(diào)整，達(dá)到對角度的精確調(diào)整。

3.2 角度實時調(diào)整機(jī)械控制模塊

機(jī)械控制模塊為角度實時調(diào)整系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該模塊的控制精度直接影響圓盤切刀與切材的相對角度精度。機(jī)械控制模塊包括：伺服電機(jī)、聯(lián)軸器和角度調(diào)整模塊，如圖5所示。PLC給出的PWM信號控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過柔性聯(lián)軸器與柔性的調(diào)整原件連接，其中的柔性調(diào)整原件的材料采用橡膠，其目的是為了減少調(diào)整過程中，圓盤切刀與軸肩的沖擊。與此同時電機(jī)驅(qū)動角度調(diào)整組件，根據(jù)PLC給出的調(diào)整信號，通過彈簧伸縮，控制壓塊運(yùn)動轉(zhuǎn)化為相應(yīng)圓盤切刀的運(yùn)動，調(diào)整圓盤切刀與切材的相對角度，從而保證圓盤切刀切出來的材料具有高端面質(zhì)量。

4 結(jié)論

圖5 角度調(diào)整機(jī)械控制模塊簡圖

本次研究設(shè)計，基于光電檢測原理，設(shè)計出高精度、實時性的圓盤切刀端面與切材相對角度的檢測系統(tǒng)，檢測精度高達(dá)10-2rad；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了角度實時閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制原理由PLC控制與伺服電機(jī)控制相結(jié)合，PLC的實時性保證了該系統(tǒng)的高靈敏性，閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)保證高精度調(diào)節(jié)，再結(jié)合彈簧壓塊調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代分切技術(shù)的要求。本次設(shè)計的角度實時閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)在新望XW-221C全自動分條機(jī)上得到應(yīng)用，在全速生產(chǎn)時，調(diào)節(jié)精度精度可達(dá)±2×10-1rad，實際生產(chǎn)效果達(dá)到了預(yù)期希望，對其他分切技術(shù)具有較大的借鑒價值。

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