膠片冷卻線擺片與裁切系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用探討

季付高

(青島雙星橡塑機(jī)械有限公司，山東 青島 266400)

膠片冷卻線擺片與裁切系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用探討

Discussion on design and application of wigwag and cutting system of rubber sheet cooling line

季付高

(青島雙星橡塑機(jī)械有限公司，山東 青島 266400)

通過對(duì)膠片冷卻線的擺片部套和裁切部套的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是采取在擺片部套上增加糾偏裝置，然后裁切部套協(xié)同跟進(jìn)的辦法，使制作輪胎所用的膠片疊片堆垛整齊，前后左右偏差在±2 mm以內(nèi)，最終提高膠片裁切精度。

膠片冷卻線；擺片；裁切；PID

1 膠片冷卻線描述以及擺片和裁切偏差原因介紹

膠片冷卻線整體結(jié)構(gòu)原理和流程。

傳統(tǒng)的膠片冷卻線有攪拌機(jī)、冷卻水槽、前接取裝置、提升裝置、膠片冷卻裝置、拾膠裝置、后接取裝置、裁切裝置、自動(dòng)擺片裝置、輸送輥道等部件組成，如圖1所示。

圖1 膠片線系統(tǒng)

膠片線工作原理流程：用于密煉膠片生產(chǎn)的末道工序，與壓片機(jī)配套使用，用于將密煉機(jī)排下的膠料經(jīng)壓片后進(jìn)行浸隔離劑、攪拌冷卻、最終經(jīng)過擺片裝置反饋給裁斷裝置信號(hào)，將膠片切斷，然后疊片存放。其具體流程如圖2所示。

作為膠片冷卻線核心部件的裁切裝置、擺片裝置直接影響其生產(chǎn)線上關(guān)鍵工位的加工精度和工作效率。其構(gòu)造和原理涉及精密機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),智能運(yùn)動(dòng)控制算法與實(shí)現(xiàn)，傳感器選型等細(xì)節(jié)，是一個(gè)典型的光、機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)問題。從運(yùn)動(dòng)控制理論和膠片擺放誤差來源的角度來看，主要存在二個(gè)問題。

（1）自動(dòng)擺片裝置中擺料斗“左右”運(yùn)動(dòng)（位置和速度）與膠片末端的運(yùn)動(dòng)存在“非線性”對(duì)應(yīng)關(guān)系，是造成膠片“左右擺放偏差”的一個(gè)因素，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)更容易偏離。

（2）自動(dòng)擺片裝置擺料斗與下擺中的膠片存在“繞Z軸的小幅度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)”，并在末端會(huì)被放大，這是造成膠片“前后擺放偏差”的一個(gè)原因。

圖2 膠片線系統(tǒng)框圖

2 解決擺片工藝技術(shù)和方法探究

通過對(duì)該擺片和裁切技術(shù)進(jìn)行的長(zhǎng)期研究，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用自整定PID、模糊控制等算法對(duì)現(xiàn)有的開環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)、改造，為問題解決打開了思路。

采取的工藝技術(shù)探討：

（1）通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的機(jī)械平臺(tái)。（如圖3）改進(jìn)后的擺片裝置。

①在保證其材料力學(xué)剛度和強(qiáng)度要求的同時(shí)，提高運(yùn)動(dòng)構(gòu)件乃至整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度，降低空回程等間歇誤差。

②對(duì)關(guān)鍵部件利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)的動(dòng)力學(xué)分析，必要的時(shí)候可改進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以避免與車間振源的主頻產(chǎn)生共振（振源的主頻可以采用便攜式振動(dòng)測(cè)振儀測(cè)得）；或者采用變剛度的空氣彈簧隔振器對(duì)整機(jī)進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)等。

（2）現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)示意圖

①采取自整定PID或者模糊控制等算法對(duì)現(xiàn)有的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。包括PLC的CUP選型，以及構(gòu)成反饋閉環(huán)控制所需要的激光接近開關(guān)、超聲波測(cè)距傳感器、MEMS傾斜角度傳感器的安裝與信號(hào)采集等。

②控制軟件的開發(fā)與調(diào)試：PLC梯形圖，觸摸屏軟件，組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)等。

③以上控制系統(tǒng)的改造緊密圍繞膠片在料桌上“左右”和“前后”擺放精度的提高這一關(guān)鍵問題展開。

3 實(shí)現(xiàn)擺片機(jī)械和電氣一體化設(shè)計(jì)途徑

（1）首先建立運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以便對(duì)膠片擺放的主要誤差來源進(jìn)行量化分析，如圖5所示。

圖5 膠片左右擺動(dòng)的力學(xué)模型

上述力學(xué)模型可利用現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間方程進(jìn)行描述，結(jié)合自整定PID，模糊控制等算法，最終生成適合PLC硬件實(shí)現(xiàn)的離散控制算法。

（2）在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的合適位置安裝激光接近開關(guān)、超聲波測(cè)距以及MEMS傾角傳感器等，以便對(duì)膠片可能的左右擺動(dòng)和前后扭動(dòng)的位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)所謂的“電氣糾偏”。

（3）控制系統(tǒng)執(zhí)行元件：“漏斗”的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)可采用精密高速電缸推動(dòng)，“料桌”的升降運(yùn)動(dòng)等可采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。上述執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)器，以及PLC控制器、電源、開關(guān)等安裝應(yīng)合理布局，安放在電氣控制柜中。伺服電機(jī)的選型依據(jù)機(jī)械負(fù)載，運(yùn)動(dòng)速度，控制精度等參數(shù)。

（4）結(jié)合伺服電機(jī)自帶的光電編碼器輸出的角度和角速率脈沖信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

膠片左右方向+2 mm的精度問題通過以上措施得到了很好的解決。對(duì)于膠片“前后”+2 mm 精度的問題采用了以下方法解決:

① 方案一 采用伺服電缸推動(dòng)料斗在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，電信號(hào)糾偏膠片, 保證疊片精度；

② 方案二 利用伺服電缸或電動(dòng)凸輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推動(dòng)料斗在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)。

③方案三 參考已有的機(jī)械糾偏措施：在擺料斗的前后兩側(cè)固定若干糾偏圓筒。也可在輸送裝置的入口處就開始進(jìn)行多級(jí)糾偏。相關(guān)文獻(xiàn)提到的液壓糾偏裝置也可以參考，如圖6所示。由負(fù)責(zé)阻止膠帶跑偏并發(fā)出動(dòng)作指令的糾偏輪和提供動(dòng)力的液壓泵等組件構(gòu)成。

圖6 有關(guān)文獻(xiàn)提及的液壓膠帶糾偏裝置示意圖

4 擺片機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前相關(guān)技術(shù)或方法比較的優(yōu)勢(shì)

⑴伺服交流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制精度較高。當(dāng)然，需要對(duì)其PID參數(shù)的設(shè)置與自整定問題應(yīng)進(jìn)行有針對(duì)性的研究，特別是當(dāng)機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)候。

⑵觸摸屏，PLC控制器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服伺服電機(jī)和直線電缸等執(zhí)行元件均采用模塊化設(shè)計(jì)，可靠性較好。

⑶控制策略和效果可在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試修正，最終研制出一套電氣參數(shù)安全可靠的控制柜。

5 裁切裝置的設(shè)計(jì)和功用

裁切裝置設(shè)計(jì)如圖產(chǎn)7所示，裁切、擺膠的目的是使得折疊、堆垛整齊，并且折疊位置為裁切位置，這就需要裁切、擺膠協(xié)同。若采用間歇裁切，即裁切時(shí)需要傳輸裝置停車，待裁切完后在繼續(xù)傳輸、擺膠，這種裁切方式生產(chǎn)效率不高。在膠帶上被裁切的位置，經(jīng)過傳輸后必須位于擺料斗擺動(dòng)的極限位置方可使得堆垛整齊。這是一個(gè)位置同步問題，這給電氣控制帶來了一定難度。若裁切裝置安裝布局如圖7（c）所示，則在擺料斗擺動(dòng)到極限位置進(jìn)行裁切，這不需要位置同步，簡(jiǎn)化了電氣控制。若采用連續(xù)裁切,在膠帶連續(xù)傳輸過程中裁切，這種裁切方式生產(chǎn)效率高。當(dāng)需要裁切時(shí)，切刀在膠帶傳輸方向上與膠帶位置同步，在膠帶橫向上進(jìn)行裁切，裁切結(jié)束后刀頭返回原點(diǎn)。

圖7 裁切裝置

6 裁切設(shè)計(jì)探究

（1）裁切裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可采用步進(jìn)電機(jī)或者直流電機(jī)，與交流伺服電機(jī)比較而言，可降低控制成本。

（2）多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)問題必須很好地解決。

（3）這是一個(gè)典型的光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試。

7 設(shè)計(jì)過程的幾點(diǎn)思考

以上主要針對(duì)“擺片”和“裁切”的精度控制方案進(jìn)行了說明，在實(shí)際中需要“擺片”與“裁切”協(xié)調(diào)進(jìn)行。要通過伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、位置以及輸出扭矩的控制等實(shí)現(xiàn)。

膠桌進(jìn)行升降接膠，按要求給出信號(hào)將膠片自動(dòng)裁斷，并自動(dòng)送到待運(yùn)輸工位，利用PLC控制不存在技術(shù)上的障礙，關(guān)鍵是注意與相關(guān)工位上其它控制動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)問題。

TQ330.492

1009-797X(2015)15-0053-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.15.014

季付高（1972－），男，工程師，畢業(yè)于北京理工大學(xué)，現(xiàn)從事橡塑機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

2014-11-29