伺服電子凸輪在切紙機(jī)切紙輥上的應(yīng)用

馬文明 武 坤 楊 娜 趙金國

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

·切紙輥·

伺服電子凸輪在切紙機(jī)切紙輥上的應(yīng)用

馬文明 武 坤 楊 娜 趙金國

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

針對切紙機(jī)切紙精度低的問題，設(shè)計了送紙輥以變頻調(diào)速控制，在送紙輥后面安裝能夠準(zhǔn)確測量紙張速度的測速輪，將測得紙張的線速度作為伺服控制的主軸速度輸送到伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器選擇伺服電子凸輪控制的方式驅(qū)動切紙輥的運行，使得切紙精度和穩(wěn)定性得到提升，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和長期運行可以將切紙精度控制在±0.5 mm以內(nèi)。

切紙機(jī)；切紙精度；電子凸輪

通過對整個切紙機(jī)生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)、剪切工藝和工作原理的分析[1-3]得出，切紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點是如何使送紙輥和切紙輥的速度保持同步。

通過查閱文獻(xiàn)[4-5]可知，變頻調(diào)速控制切紙輥電機(jī)不能滿足切紙機(jī)所切紙張的高精度要求，而伺服控制可以滿足需要的位置跟隨性能，能夠很好地提高切紙機(jī)對紙張的剪切精度，所以根據(jù)切紙精度的要求，使用匯川伺服驅(qū)動器內(nèi)的電子凸輪進(jìn)行速度跟隨控制，在送紙輥后面安裝能夠準(zhǔn)確測量紙張速度的測速輪，將其測量的紙張速度作為主軸速度輸入到伺服驅(qū)動器中，匯川伺服驅(qū)動器根據(jù)切長和紙張速度等數(shù)據(jù)計算得出電子凸輪曲線，驅(qū)動伺服電機(jī)對紙張速度進(jìn)行實時跟隨，伺服電機(jī)的編碼器向驅(qū)動器反饋脈沖數(shù)，驅(qū)動器對電機(jī)輸出軸的位置進(jìn)行修正。

1 切紙機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

對送紙輥進(jìn)行速度控制，用西門子MM440變頻器和安裝在送紙輥電機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。通過觸摸屏將設(shè)定的初始速度通過PLC傳遞給變頻器，變頻器驅(qū)動送紙輥電機(jī)工作，同時安裝在送紙輥電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到送紙輥速度，并反饋到變頻器，變頻器對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后輸出控制電機(jī)運轉(zhuǎn)，從而使送紙輥相對穩(wěn)定地運行。對送紙輥采取變頻調(diào)速控制，允許它的速度有波動和偏差，在后面切紙輥的伺服隨動控制中，將會消除這種誤差。

圖1 送紙輥與切紙輥速度控制結(jié)構(gòu)圖

用PLC作為運動控制的核心來控制送紙輥的變頻器和切紙輥的伺服驅(qū)動器，把送紙輥的速度作為整個控制系統(tǒng)的主軸由變頻器控制，切紙輥的速度作為控制系統(tǒng)的從軸由伺服驅(qū)動器來控制，安裝在送紙輥電機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)編碼器采集到送紙輥的速度或位置信

號，然后輸送到控制中心PLC內(nèi)部的高速計數(shù)器中，經(jīng)過一系列計算得到速度數(shù)據(jù)，用它作為PID的輸入?yún)?shù)，經(jīng)PLC變化成電壓或電流信號去控制各電機(jī)的驅(qū)動。

圖3 電子凸輪的主體結(jié)構(gòu)圖

圖2 切紙輥伺服運行示意圖

切紙輥在工作時，如圖2所示，在切紙輥的周長上劃分為同步區(qū)域和異步區(qū)域，設(shè)置了加速位置、同步起始位置、切割位置、同步結(jié)束位置、參考點位置，這些都是根據(jù)紙幅線速度v和切長L等由伺服驅(qū)動器的CPU計算的結(jié)果，在匯川伺服驅(qū)動器內(nèi)生成CAM曲線。切紙輥伺服電機(jī)按照伺服驅(qū)動器內(nèi)生成的CAM曲線運轉(zhuǎn)，保證了切割速度同步和切紙長度的精度。

2 切紙機(jī)的參數(shù)設(shè)計及要求

(1)設(shè)計車速：最高車速180 m/min，工作車速65～180 m/min。

(2)切紙寬度：紙幅最寬2400 mm。

(3)切紙長度：紙幅長度700～1300 mm。

(4)減速比：送紙輥19.2，切紙輥9.25。

(5)輥徑大小：送紙輥直徑400 mm，切紙輥直徑500 mm。

(6)誤差要求：小于±0.5 mm。

有一次，他們在床上打鬧起來，她被他哈癢笑得無法停止。那氣氛是那樣的融洽，她感覺到在他身邊的幸福?？墒钱?dāng)她開玩笑的問起來他怎樣設(shè)計出那些美妙的女士內(nèi)褲時，他反問她：你覺得呢？

(7)供電方式：交流供電。

(8)傳動形式：交流變頻和伺服。

(9)操作方式：觸摸屏、輔助按鈕。

3 電子凸輪的具體實現(xiàn)

3.1 電子凸輪的模式選擇

匯川的電子凸輪分3種：旋切/飛剪、追剪、通用。前兩種凸輪是兩類特殊運動方式的集合，為電子凸輪的一個子集，為了方便使用才單獨設(shè)立這兩種模式。通用凸輪模式是一種非規(guī)則曲線的設(shè)計模式。針對3種模式匯川提供了可交互式圖形界面來設(shè)計，用戶根據(jù)需要在圖形中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置即可滿足使用要求[7]。本課題選用電子凸輪追剪功能來對切紙輥進(jìn)行位置實時跟隨控制，如圖3所示。

表1 位置模式的參數(shù)設(shè)置

3.2 電子凸輪的參數(shù)設(shè)置

使用伺服驅(qū)動器的位置控制模式，主要參數(shù)如表1所示。H0500主位置指令A(yù)的來源為“凸輪給定”，切紙輥的直徑為500 mm，減速機(jī)的減速比是9.25，裁刀傳動比分子/裁刀傳動比分母的比值和減速機(jī)的減速比近似相等，但是要在現(xiàn)場根據(jù)切紙輥的運行情況進(jìn)行修正。

3.3 電子凸輪的參數(shù)設(shè)置步驟

(1)根據(jù)圖3設(shè)置通用參數(shù)。

(2)H0500=4(橫切凸輪),H0501和H0515為脈沖口和脈沖形態(tài)，H1305=0(不仿真),H1300=2(追剪)。

(3)設(shè)置上述追剪參數(shù)。

(4)設(shè)置DIDO功能。

(5)啟動伺服使能。

(6)啟動凸輪使能。

3.4 電子凸輪的后臺設(shè)置

打開電子凸輪后臺如圖4所示，在電子凸輪(E)中選擇“追剪”。設(shè)置區(qū)可對所涉及的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置后在圖形顯示區(qū)自動顯示從軸速度和位置。狀態(tài)顯示部分根據(jù)驅(qū)動器的實際設(shè)置來顯示當(dāng)前DIDO的狀態(tài)。

4 切紙機(jī)現(xiàn)場調(diào)試及誤差分析

在保定某紙廠生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試過的伺服驅(qū)動器的參數(shù)如表2所示。

根據(jù)參數(shù)H1301、H1303可以計算出測速輪編碼器一個脈沖對應(yīng)的長度為L1=251.327 mm/2500≈0.1 mm。

根據(jù)參數(shù)H1400、H1402、H1403、H0031可知，切紙輥轉(zhuǎn)一圈，切刀運行的線距離為1570.796 mm，此時伺服電機(jī)軸轉(zhuǎn)9.25圈，再加上編碼器4倍頻的脈沖串形態(tài)，電機(jī)編碼器輸出脈沖數(shù)Encoder2=2500 p×9.25×4=92500 p。那么，切紙輥轉(zhuǎn)一圈運行的距離與電機(jī)反饋輸出脈沖數(shù)之間的關(guān)系為e2=1570.796 mm/92500 p=0.0170 mm/p。

已知伺服系統(tǒng)中位于伺服電動機(jī)內(nèi)部的差分式編碼器的誤差為±1個脈沖，即電機(jī)運行一圈，伺服驅(qū)動器從電機(jī)編碼器中的脈沖數(shù)會增加或者減少一個。在切紙過程中，切紙輥每切一次紙轉(zhuǎn)動一圈，電機(jī)轉(zhuǎn)動9.25圈，伺服驅(qū)動器接收到的脈沖數(shù)誤差最多為±9.25個，9.25個脈沖對應(yīng)的距離為±0.0170 mm×9.25=±0.1571 mm，即系統(tǒng)的最大切紙理論誤差應(yīng)該為±0.1571 mm，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和運行，可以將切紙精度控制在±0.5 mm以內(nèi)，完全滿足生產(chǎn)要求。

圖4 電子凸輪的后臺設(shè)置

表2 現(xiàn)場的參數(shù)設(shè)置

5 結(jié) 語

本設(shè)計通過對切紙機(jī)的送紙輥采取速度變頻控制，切紙輥采取伺服電子凸輪控制方式，使得切紙機(jī)的可靠性、控制精度、穩(wěn)定性等得到了提高，可以將切紙精度控制在±0.5 mm以內(nèi)，且降低了生產(chǎn)成本，得到紙廠的認(rèn)可。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Application of Servo Electronic Cam in Paper Cutter Roll

MA Wen-ming*WU Kun YANG Na ZHAO Jin-guo

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)*E-mail: 987746606@qq.com)

In this paper, aiming at the problem of low cutting accuracy of paper cutter, variable frequency speed control was applied in paper feeding roller, a speed measuring wheel which was capable of accurately measuring the speed of the paper web was installed behind the paper feeding roller, the measured web linear speed as the spindle servo control conveying to the servo driver, the latter selected electronic cam to drive roller cutting operation, the cutting accuracy and stability have been further improved, through on-site commissioning and long-term operation the cutting accuracy could be controlled within ±0.5 mm.

paper cutter; cutting accuracy; electronic cam

2016- 10- 31(修改稿)

西京學(xué)院科研基金項目(XJ150213)。

馬文明先生，碩士，助教；研究方向：電力電子與電力傳動，電機(jī)控制與變頻調(diào)速。

TS735

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.02.010