鋁箔分切加工打卷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷梅，湯受鵬

（山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670）

鋁箔分切加工打卷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷梅，湯受鵬

（山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670）

成品鋁箔展開(kāi)后分切成多股，再加入染色、沖孔等加工后，打卷的加工系統(tǒng)是這些年來(lái)膠東半島制造業(yè)，特別是新興的鋁產(chǎn)品加工業(yè)一個(gè)重要發(fā)展對(duì)象。恒功率力矩電機(jī)可以很好的解決開(kāi)卷和收卷過(guò)程中力矩和轉(zhuǎn)速的自動(dòng)比例變化；變頻器與異步電機(jī)很容易使操作者掌控整體加工速度，但是兩者配合必須加入平衡功率需要的磁粉制動(dòng)器。因?yàn)槔肞LC模擬量三路控制上述原件的系統(tǒng)是發(fā)展分切加工打卷系統(tǒng)最佳途徑。

鋁箔分切加工打卷系統(tǒng)；力矩電機(jī)；變頻電機(jī)；磁粉制動(dòng)器；PLC

0 前言

隨著煙臺(tái)葡萄酒和啤酒制造業(yè)的發(fā)展—特別是酒瓶蓋機(jī)加工和噴涂，以及煙臺(tái)汽車工業(yè)的發(fā)展，煙臺(tái)的鋁加工業(yè)發(fā)展很快。2012年以來(lái)，山東省煙臺(tái)市的科技課題中，有關(guān)扶持相關(guān)企業(yè)的鋁加工機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)也逐年增多。 如煙臺(tái)藍(lán)天鋁廠主要從事鋁箔涂層和鋁板印刷的生產(chǎn)，該公司的鋁箔分切打卷機(jī)為仿制國(guó)外類似設(shè)備，加工對(duì)象是厚箔（厚度為0.1mm～0.2mm的箔）和雙面光鋁素箔（軋制后不經(jīng)任何其他加工的鋁箔，也稱光箔）等各種鋁材料。目前由于效率和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備已經(jīng)到了必須升級(jí)改造的時(shí)候了。

1 鋁箔分切打卷機(jī)系統(tǒng)常見(jiàn)設(shè)計(jì)

一般鋁箔分切打卷機(jī)的加工功能是將寬度約為1m（標(biāo)準(zhǔn)尺寸為950mm）的鋁箔開(kāi)卷后，分切成3股寬度精準(zhǔn)為300mm的窄鋁箔條。通過(guò)刀具切割自動(dòng)在機(jī)器前后兩端同步打捆成3個(gè)小鋁箔卷。當(dāng)每個(gè)鋁卷纏繞直徑達(dá)到0.5m，總長(zhǎng)度約為1000m時(shí)，停車完成加工，如圖1所示。

圖1 某鋁廠分切打卷系統(tǒng)原理圖

傳統(tǒng)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)功能是：

（1）工作人員將總質(zhì)量小于等于5t，直徑約為1.7m，總長(zhǎng)度約為3000m，寬度約為0.95m的待加工鋁箔卷安裝在滾動(dòng)軸承支座上，人工牽引出鋁箔板源頭裝入送進(jìn)電機(jī)滾子內(nèi)。

（2）送進(jìn)電機(jī)與壓平滾子連接，送進(jìn)電機(jī)調(diào)速由變頻器控制。通過(guò)調(diào)整電位計(jì)阻值，改變變頻器的0～10V模擬量輸入端子的電位；從而使變頻器輸出不同頻率的電壓。送進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，壓平滾子負(fù)責(zé)將不平整的鋁箔進(jìn)行初步壓平處理。

（3）電機(jī)滾子上部帶有若干刀具，相鄰刀具之間的距離為300mm。在力矩電機(jī)的拖動(dòng)下，將鋁箔進(jìn)行修整、剪裁。氣壓滾子最后壓平處理，以減少鋁箔卷起時(shí)厚薄不均等情況。

（4）力矩電機(jī)負(fù)責(zé)將已經(jīng)加工好的材料進(jìn)行收卷打捆。通過(guò)力矩電機(jī)控制器的0～10V模擬量調(diào)壓旋鈕，可以改變力矩電機(jī)輸出不同的交流電壓。調(diào)整力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，即力矩電機(jī)總功率。

2 傳統(tǒng)鋁箔分切打卷機(jī)系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析

目前的操作方法：在啟動(dòng)時(shí)用戶先把左力矩電機(jī)輸出電壓調(diào)到150V左右，右力矩電機(jī)調(diào)到160V左右（因兩邊力矩電機(jī)的軸轉(zhuǎn)矩可能有差別），用手拍測(cè)試鋁箔是否張緊合適，張緊后調(diào)整變頻器頻率到12.5Hz左右啟動(dòng)送進(jìn)電機(jī)。此時(shí)鋁箔送進(jìn)速度為50m/min左右。然后把送進(jìn)電機(jī)頻率逐步調(diào)高，力矩電壓也隨后調(diào)高跟進(jìn)。這種操作方法會(huì)使送進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩得不到很好的轉(zhuǎn)動(dòng)配合，若先調(diào)電頻稍高，使送進(jìn)速度明顯高于收卷速度，容易造成鋁箔打卷打折，若先調(diào)力矩電機(jī)電壓稍高則容易使送進(jìn)速度明顯低于收卷速度而造成鋁箔繃斷，且操作起來(lái)繁瑣。因而常見(jiàn)的系統(tǒng)故障分析如下。

（1）力矩電機(jī)調(diào)速與送進(jìn)電機(jī)調(diào)速手動(dòng)操作很難同步分析原因?yàn)椋孩倜糠N鋁箔的厚度不同，收卷功率即力矩電機(jī)的電壓需要操作員來(lái)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)；②由于分切后染色、沖孔的時(shí)間工藝要求不同，送進(jìn)的速度也需要操作員來(lái)掌控。傳統(tǒng)系統(tǒng)低自動(dòng)化設(shè)備率成為操作員分開(kāi)掌控，特別是在調(diào)節(jié)時(shí)非同步調(diào)節(jié)的原因。

（2）力矩電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作容易發(fā)熱燒毀，力矩電機(jī)本易發(fā)熱，長(zhǎng)時(shí)間低壓工作（一般指處于300V以下）更容易燒毀。但是由于加工工藝需要，有時(shí)需要控制鋁箔的送進(jìn)頻率很低。這時(shí)需要力矩電機(jī)的配合功率也很低，因此電機(jī)不得已處于低壓工作。

3 系統(tǒng)機(jī)械部分改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，機(jī)械方面可做如下改造，如圖2所示：

（1）增加兩個(gè)平壓滾子，并在滾子2下增加壓力傳感器。通過(guò)傳感器0～10V的模擬輸出檢測(cè)鋁箔的張緊程度。

（2）為防止低速加工時(shí)，力矩電機(jī)由于低功率運(yùn)行而所需電壓過(guò)低的情況。在開(kāi)卷滾子上增加磁粉制動(dòng)器來(lái)平衡系統(tǒng)低速加工時(shí)力矩電機(jī)保持300V以上電壓的需要。

圖2 機(jī)械布局改進(jìn)后的鋁箔分切收卷系統(tǒng)

4 電氣部分改造設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)綜合控制，在原設(shè)備上添加觸摸屏、可編程控制器PLC及模擬量輸入輸出模塊。具體方式是觸摸屏通過(guò)通信電纜連接西門子S7-200 PLC，PLC再通過(guò)數(shù)據(jù)線連接1個(gè)模擬量輸入EM231模塊和2個(gè)模擬量輸出模塊EM232。導(dǎo)線連接第一個(gè)EM232模塊，分兩路端子模擬量輸出；與左右兩個(gè)YLJK-III型150A三相力矩電機(jī)的調(diào)壓輸入端子連接控制。第二個(gè)EM232模擬量?jī)陕份敵龆俗樱宦返紸B Flex40變頻器模擬量調(diào)頻輸入端子，另一路經(jīng)過(guò)3.6倍電路放大送入磁粉制動(dòng)器（因其制動(dòng)力矩模擬輸入為0～36V）。EM231模塊負(fù)責(zé)閉環(huán)反饋壓力傳感器張緊值、力矩電機(jī)電壓和變頻器輸入頻率。以此完成硬件組態(tài)，如圖3所示。

圖3 鋁箔分切收卷系統(tǒng)的電氣改造

4.1 西門子S7-200PLC控制A-B Flex40變頻器的設(shè)置方法

AB Power Flex 40變頻器有 RS485通訊接口，可采用MODBUS的通訊協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，可以通過(guò)PLCEM235模塊控制變頻器模擬量的輸出。

在PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)通訊連接后 ，就能根據(jù)通訊狀態(tài)的字符去判斷變頻器的工作狀況，例如啟動(dòng)、停止及工作狀況和參數(shù)數(shù)據(jù)。利用觸摸屏對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，通過(guò)PLC對(duì)變頻器進(jìn)行相應(yīng)的控制，如控制變頻器的啟動(dòng)、停止、頻率輸出等。

4.2 西門子S7-200PLC控制YLJK-III型150A三相力矩電機(jī)控變頻器的設(shè)置方法

首先，將兩個(gè)力矩電機(jī)控制器的調(diào)控輸出旋鈕去掉，然后將西門子的EM232模塊分別連接到兩個(gè)控制器的控制接線端子上，通過(guò)程序使EM232模塊輸出端子分別輸出0～10V的控制電壓，進(jìn)而控制兩個(gè)力矩電機(jī)控制器上調(diào)控旋鈕的電位。

力矩電機(jī)控制器一般有六個(gè)接線柱，三相交流電源經(jīng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)(電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流上130%)接入力矩電機(jī)控制器的輸入A、B、C接線柱，控制器的輸出D1、D2、D3連接力矩電機(jī)的接線柱W1、V1、U1，力矩電機(jī)接線必須符合Y型、△型接法，Y型力矩電機(jī)的公共點(diǎn)(即中心點(diǎn))不需接到電源零線上。

5 改進(jìn)后的操作編程思路

用戶可在觸摸屏上只設(shè)有系統(tǒng)加工速度控制一個(gè)對(duì)話框或者旋鈕，即送進(jìn)電機(jī)的頻率控制，力矩電動(dòng)機(jī)的電壓和制動(dòng)器的模擬量輸入可由程序自動(dòng)控制。程序開(kāi)發(fā)思路是：

（1）用戶啟動(dòng)送進(jìn)電機(jī)后，PLC根據(jù)用戶的頻率設(shè)置自動(dòng)預(yù)判系統(tǒng)的開(kāi)卷線速度，即展開(kāi)后整體平進(jìn)加工速度。

（2）PLC逐步調(diào)高力矩電機(jī)的輸出電壓，力矩電機(jī)功率逐漸增大；開(kāi)、收卷同時(shí)的轉(zhuǎn)速逐步提高。

（3）由于設(shè)備初開(kāi)時(shí)一般整體速度較低，當(dāng)力矩電機(jī)電壓增大到一定值后，壓力傳感器檢測(cè)鋁箔的張緊力明顯變低，此時(shí)力矩電機(jī)的電壓往往也較低。

（4）PLC接收到壓力傳感器張緊力變低信號(hào)后，同步繼續(xù)增大磁粉制動(dòng)器和力矩電機(jī)的電壓，即同時(shí)增加力矩電機(jī)的功率和磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。雖然此時(shí)有一些“矛盾能耗”，但是這種能耗正是杜絕低加工速度下，力矩電機(jī)低電壓運(yùn)行的最好方法。

（5）如果力矩電機(jī)電壓增加到300V以上，而磁粉制動(dòng)器也存在制動(dòng)電壓時(shí)，PLC停止增加力矩電機(jī)電壓，直到操作者繼續(xù)提高系統(tǒng)加工速度為止。

（6）如果操作者繼續(xù)提高系統(tǒng)加工速度，PLC自動(dòng)逐步減少磁粉制動(dòng)器的輸出電壓以保持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和鋁箔的張緊程度。

（7）當(dāng)操作者繼續(xù)提高系統(tǒng)加工速度以至磁粉制動(dòng)器電壓為零時(shí)，繼續(xù)提高系統(tǒng)加工速度將使力矩電機(jī)的電壓從300V逐步提高到380V。

（8）當(dāng)操作者提高系統(tǒng)加工速度最終使力矩電機(jī)電壓達(dá)到380V，磁粉制動(dòng)器輸出電壓為0時(shí)，PLC提示用戶系統(tǒng)已達(dá)速度上限。

（9）系統(tǒng)在上述任何一種狀態(tài)下，收卷力矩和收卷角速度由力矩電機(jī)自動(dòng)調(diào)整。

上述程序思路雖然稍顯復(fù)雜，程序編制也較大，但是在目前一般的PLC運(yùn)算能力下，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程相當(dāng)快捷，操作員往往體會(huì)不到整個(gè)過(guò)程的運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間，因此實(shí)現(xiàn)了單控制自動(dòng)智能化。

6 小結(jié)

目前我國(guó)還沒(méi)有類似系統(tǒng)的成熟技術(shù)，中國(guó)企業(yè)技術(shù)人員到德國(guó)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)調(diào)研學(xué)習(xí)后對(duì)德國(guó)機(jī)器進(jìn)行仿制，但效果存在極大的技術(shù)難點(diǎn)，且一直沒(méi)有得到合理解決。通過(guò)在收卷滾子與刀具之間安裝測(cè)試張力的傳感器和平衡磁粉制動(dòng)器，以及PLC模擬量自動(dòng)化設(shè)備的加入，可以使系統(tǒng)在任意加工速度下自動(dòng)處于一個(gè)穩(wěn)定連續(xù)的工作狀態(tài)。

（編輯：余東梅）

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Design of Coiling System for Aluminum Foil

ZHANG Yan-mei, TANG Shou-peng
(Shandong Business Institue, Yantai 264670, China)

Such coiling system is very important to the new developement of aluminum industry in Yantai. The torque motor can automatically adjust the torque and the rotation rate. Converter motor and asynchronous motor can be used for controling the whole speed by operators. PLC can be used to control the coiling system.

aluminum foil coiling system; torque motor; converter motor; magnetic powder brake; PLC

TG333.2+4，TP27

B

1005-4898(2014)04-0057-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.14

張艷梅（1972-），女，山東煙臺(tái)人，工學(xué)碩士，講師。

2014-04-20