卷接機(jī)組接裝紙張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯澤東，阮三星，劉 威

常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長(zhǎng)庚路999 號(hào) 415000

隨著電控技術(shù)的快速發(fā)展，高速、超高速卷接機(jī)組的應(yīng)用大幅提高了卷煙企業(yè)的生產(chǎn)制造能力，但因設(shè)備速度較高在卷接過(guò)程中容易產(chǎn)生錯(cuò)牙、漏氣、泡皺等缺陷煙支。針對(duì)此問(wèn)題，近年來(lái)已有較多研究和改進(jìn)，劉曙光等［1］通過(guò)增加MAX卷接機(jī)組接裝紙刮紙器到位檢測(cè)裝置，減少因刮紙器不到位產(chǎn)生的漏氣煙支；徐亞軍等［2］設(shè)計(jì)了接裝紙第二次刮紙裝置，以改善接裝紙的吸附性，增加接裝紙的吸膠能力；潘恒樂(lè)等［3］設(shè)計(jì)了一種接嘴膠冷卻裝置，通過(guò)降低接嘴膠溫度解決煙支搓接質(zhì)量問(wèn)題。目前國(guó)產(chǎn)主流高速卷接機(jī)組主要采用調(diào)節(jié)負(fù)壓大小的方法控制接裝紙張力，該系統(tǒng)在接裝紙吸水性好、膠水黏性高的情況下卷接質(zhì)量較好，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、備件成本高、維修保養(yǎng)費(fèi)工費(fèi)時(shí)、對(duì)原輔材料要求高等缺陷。隨著獨(dú)立驅(qū)動(dòng)伺服技術(shù)的發(fā)展與成熟，通過(guò)伺服電機(jī)控制張力已廣泛應(yīng)用于新能源電池生產(chǎn)等行業(yè)［4］，但將該技術(shù)運(yùn)用于濾嘴接裝機(jī)供紙系統(tǒng)則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，以ZJ116 超高速卷接機(jī)組為研究對(duì)象，采用全伺服獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)其接裝紙輸送系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)接裝紙張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確控制，減少缺陷煙支數(shù)量，為新型ZJ119 超高速卷接機(jī)組的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供支持。

1 問(wèn)題分析

國(guó)產(chǎn)ZJ116 超高速卷接機(jī)組主要采用負(fù)壓控制接裝紙張力，接裝紙輸送路徑見(jiàn)圖1。其中，第一引紙輥2、刮紙器3、第二引紙輥4 為接裝紙供紙系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，第一引紙輥2 將接裝紙從半自動(dòng)或全自動(dòng)送紙機(jī)構(gòu)中引入張力控制系統(tǒng)，刮紙器3 將紙拉磨以增加接裝紙對(duì)膠水的吸附能力，第二引紙輥4 將接裝紙以同步速度輸送至上膠機(jī)構(gòu)。張力控制系統(tǒng)由紙環(huán)箱6、光電開(kāi)關(guān)7、位置開(kāi)關(guān)8、抽吸頭9、張力傳感器11 組成，抽吸頭9 上設(shè)置有若干負(fù)壓孔，由負(fù)壓風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓，使接裝紙吸附在抽吸頭9 上，通過(guò)第二引紙輥4 不斷牽引接裝紙而產(chǎn)生紙張力，并根據(jù)張力傳感器11 檢測(cè)到的接裝紙張力調(diào)節(jié)比例閥，以控制抽吸頭9 的負(fù)壓流量；抽吸頭9 的一端安裝有伺服電機(jī)，通過(guò)其順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸接裝紙使其瞬間建立紙張力；光電開(kāi)關(guān)7、位置開(kāi)關(guān)8 通過(guò)控制第一引紙輥的電機(jī)速度，保證紙環(huán)箱6 中接裝紙?jiān)谛纬蓮埩η傲粲幸欢ㄔＡ俊?/p>

圖1 改進(jìn)前接裝紙輸送路徑Fig.1 Conveying path of tipping paper before modification

ZJ116 卷接機(jī)組的接裝紙張力主要由抽吸頭上的負(fù)壓與第二引紙輥的牽引力共同形成，第二引紙輥的速度要與生產(chǎn)速度保持同步，因此接裝紙張力大小主要由抽吸頭上的負(fù)壓決定，受限于接裝紙與抽吸頭的接觸面積，接裝紙最大張力僅為30 N。此外，ZJ116 通過(guò)刮紙器回轉(zhuǎn)來(lái)避開(kāi)紙接頭，在刮紙器回轉(zhuǎn)過(guò)程中接裝紙上始終維持原有張力，如果張力較大則容易導(dǎo)致紙接頭在刮紙器處斷裂。特別是吸水性較差的接裝紙或黏性較差的膠水，往往需要較大的接裝紙張力進(jìn)行刮紙器拉磨才能滿足上膠要求，因此該張力控制系統(tǒng)對(duì)原輔材料適應(yīng)性差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抽吸頭上的負(fù)壓孔容易被煙末堵塞，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)ZJ116 卷接機(jī)組接裝紙張力控制系統(tǒng)的不足，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)：采用伺服電機(jī)控制張力輥取代紙環(huán)箱、抽吸頭、比例閥、張力傳感器等部件；采用同步伺服電機(jī)對(duì)第一引紙輥、第二引紙輥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；采用西門(mén)子伺服控制器SIMOTION D［5-7］為控制平臺(tái)，利用多軸同步［8-9］、直接轉(zhuǎn)矩和定位相結(jié)合的控制方式對(duì)其進(jìn)行控制，第一引紙輥與第二引紙輥同步，并疊加根據(jù)張力輥位置經(jīng)PI 調(diào)節(jié)［10-11］的附加速度。

2.1 接裝紙輸送路徑

改進(jìn)后接裝紙輸送路徑見(jiàn)圖2。接裝紙通過(guò)第一引紙輥2 引入，經(jīng)過(guò)刮紙器3、接裝紙張力輥7后在第二引紙輥4 處引出。刮紙器用于拉磨接裝紙，通過(guò)調(diào)節(jié)張力輥擺臂位置可以調(diào)整接裝紙與刮紙器的接觸角度，不同角度下接裝紙的拉磨程度不同；通過(guò)設(shè)置張力輥電機(jī)的輸出扭矩可以調(diào)節(jié)接裝紙張力，不同張力下接裝紙的拉磨程度也不同。接裝紙張力輥可在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，當(dāng)紙接頭檢測(cè)傳感器6 檢測(cè)到紙接頭經(jīng)過(guò)時(shí)，張力輥快速順時(shí)針擺動(dòng)，第一引紙輥加速，瞬時(shí)降低接裝紙張力，以減輕刮紙器對(duì)接裝紙的拉磨程度，確保紙接頭順利通過(guò)刮紙器。

圖2 改進(jìn)后接裝紙輸送路徑Fig.2 Conveying path of tipping paper after modification

2.2 電控系統(tǒng)

第一引紙輥、接裝紙張力輥、第二引紙輥均采用伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，分別標(biāo)記為M1、M2、M3，以紙接頭檢測(cè)傳感器B1 作為張力輥M2 的擺動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，張力輥返回到正常工作位置，完成對(duì)紙接頭的避讓?zhuān)?jiàn)圖3。在張力輥擺動(dòng)過(guò)程中需要對(duì)接裝紙張力進(jìn)行控制，為此采用第二引紙輥M3 作為主軸與生產(chǎn)速度同步，第一引紙輥M1 與第二引紙輥M3 同步，根據(jù)張力輥M2 的位置信息修正第一引紙輥M1 的同步速度。

設(shè)計(jì)中選擇SIMOTION D455 作為控制器，使用系統(tǒng)配置軟件Sizer 對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行選型和評(píng)估，最終選用1 個(gè)電源，3 個(gè)西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)以及1個(gè)雙軸電機(jī)模塊和1 個(gè)單軸電機(jī)模塊。由圖3 可見(jiàn)，在SIMOTION SCOUT 中TO 層配置工藝軸，M1 和M3 為帶編碼器的同步軸，M2 為帶編碼器的定位軸和堵轉(zhuǎn)找零。將D455 的快速I(mǎi)O 端子X(jué)142.1 配置為MeasureInput，在定位軸M2 下配置一個(gè)MeasureInput 并指向X142.1。

圖3 伺服控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of servo control system

2.3 控制原理及算法

為實(shí)現(xiàn)接裝紙張力的準(zhǔn)確控制，對(duì)接裝紙張力輥進(jìn)行受力分析，見(jiàn)圖4。其中，刮紙器與第二引紙輥在豎直方向上的距離為100 mm，刮紙器與第二引紙輥在水平方向上的距離為80 mm，接裝紙張力輥擺臂長(zhǎng)度L 為70 mm；θ為接裝紙張力輥擺臂與豎直方向夾角（°），X 為刮紙器與接裝紙張力輥中心連線上的力臂長(zhǎng)度（mm），Y 為接裝紙張力輥與第二引紙輥中心連線上的力臂長(zhǎng)度（mm），θ、X、Y 均隨接裝紙張力輥工作位置而變化；F1、F2分別為接裝紙張力實(shí)際值（N），F(xiàn) 為接裝紙張力設(shè)定值（N），勻速情況下不考慮滾輪的摩擦阻力，則F=F1=F2。

已知擺臂質(zhì)量為m（kg），M0為電機(jī)克服擺臂重力輸出扭矩（N·m），M1為電機(jī)克服F1方向紙張力的扭矩（N·m），M2為電機(jī)克服F2方向紙張力的扭矩（N·m），M 為電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩（N·m），則M＝M0+M1+M2，結(jié)合圖4 可得M 與F1、F2之間具有以下關(guān)系式：

圖4 張力輥受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of force exerted on tension roller

其中，重力加速度g 取9.794 m/s2，則X、Y 計(jì)算公式為：

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝紙張力控制和紙接頭避讓?zhuān)肧IMOTION D455 進(jìn)行編程并設(shè)計(jì)控制流程圖，見(jiàn)圖5。當(dāng)接裝紙張力輥M2 堵轉(zhuǎn)找零完成后，張力輥進(jìn)入待工作位置；當(dāng)接裝紙按指定路徑引入后，第一引紙輥M1 與第二引紙輥M3 保持速度同步，并按500 支/min 的生產(chǎn)速度建立接裝紙張力。接裝紙張力拉動(dòng)張力輥擺動(dòng)，張力輥M2 按張力設(shè)定值F 對(duì)應(yīng)的扭矩M 限幅輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝紙張力控制；如果張力輥在限幅扭矩下未能進(jìn)入到指定工作位置，張力控制系統(tǒng)將根據(jù)位置偏差通過(guò)PI 調(diào)節(jié)器生成第一引紙輥疊加速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力輥位置的控制。當(dāng)紙接頭傳感器檢測(cè)到有紙接頭時(shí)，對(duì)第一引紙輥M1 的速度進(jìn)行積分，以便對(duì)紙接頭位置進(jìn)行跟蹤，并根據(jù)紙接頭位置計(jì)算紙接頭與刮紙器相遇時(shí)間；當(dāng)紙接頭到達(dá)刮紙器時(shí)間還差100 ms 時(shí)，張力輥開(kāi)始順時(shí)針擺動(dòng)，在100 ms 內(nèi)擺動(dòng)到設(shè)定的紙接頭避讓位置，此時(shí)紙接頭剛好到達(dá)刮紙器處；當(dāng)紙接頭經(jīng)過(guò)張力輥后，張力輥以設(shè)定速度和扭矩逆時(shí)針擺動(dòng)，重新進(jìn)入工作位置，完成紙接頭避讓工作。

圖5 控制流程圖Fig.5 Flow chart of control

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“芙蓉王（硬）”牌卷煙煙絲（煙支直徑7.8 mm）、接裝紙（寬度64 mm）、醋酸纖維嘴棒及輔料等均由湖南中煙有限責(zé)任公司常德卷煙廠提供。

設(shè)備：ZJ119 超高速卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：①將設(shè)計(jì)的接裝紙張力控制系統(tǒng)應(yīng)用于ZJ119 卷接機(jī)組，設(shè)定接裝紙張力為40 N，接裝紙張力輥工作位置為12°，生產(chǎn)速度從11 300 支/min 運(yùn)行到12 000 支/min，監(jiān)測(cè)速度變化時(shí)接裝紙張力控制系統(tǒng)中各電機(jī)速度和扭矩變化；②設(shè)定ZJ119卷接機(jī)組接裝紙張力為40 N，接裝紙張力輥工作位置為12°，擺動(dòng)角度為15°，生產(chǎn)速度為11 300支/min，監(jiān)測(cè)紙接頭經(jīng)過(guò)刮紙器時(shí)張力輥的運(yùn)行情況；③設(shè)定ZJ119 卷接機(jī)組的生產(chǎn)速度為12 000支/min，按照GB 5606.3—2005《卷煙第3 部分：包裝、卷制技術(shù)要求及貯運(yùn)》［12］的要求進(jìn)行卷煙外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)，判斷接裝紙包裹質(zhì)量是否符合卷煙生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并統(tǒng)計(jì)缺陷煙支剔除率，重復(fù)測(cè)量10 次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 張力控制測(cè)試結(jié)果

由圖6a 可見(jiàn)，當(dāng)ZJ119 生產(chǎn)速度從11 300 支/min 運(yùn)行到12 000 支/min 時(shí)，第二引紙輥M3 的速度從762 r/min 變化到810 r/min，第一引紙輥M1 的速度始終跟隨第二引紙輥M3 的速度變化，表明M1 與第M3 速度同步，即第一引紙輥上沒(méi)有根據(jù)張力輥位置變化經(jīng)PI 調(diào)節(jié)生成的疊加速度，也表明張力輥擺臂與豎直方向的夾角θ為定值。根據(jù)式（1）～式（5）可知，當(dāng)θ不變時(shí)，紙張力F 僅與電機(jī)輸出扭矩M 有關(guān)。由圖6b 可知，電機(jī)輸出扭矩M基本保持不變，由此可得接裝紙張力在速度變化時(shí)始終保持穩(wěn)定。

3.2.2 紙接頭經(jīng)過(guò)刮紙器時(shí)測(cè)試結(jié)果

由圖7 可見(jiàn)，當(dāng)紙接頭傳感器B1M 檢測(cè)到紙接頭信號(hào)，張力輥M2 接收到擺動(dòng)指令后，開(kāi)始順時(shí)針擺動(dòng)，輸出扭矩瞬間減小。第一引紙輥M1 在張力輥M2 擺動(dòng)后開(kāi)始加速，以減小接裝紙與刮紙器的接觸張力，保證紙接頭在經(jīng)過(guò)刮紙器時(shí)不被刮斷；當(dāng)紙接頭經(jīng)過(guò)后，張力輥M2 使擺臂逆時(shí)針擺動(dòng)，輸出扭矩逐漸增大，第一引紙輥M1 根據(jù)張力輥位置自動(dòng)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，使接裝紙張力緩慢變化，直至張力達(dá)到設(shè)定值，避免瞬間增大的張力拉斷接裝紙。

3.2.3 煙支質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由 表1 可 見(jiàn)，ZJ119 以12 000 支/min 穩(wěn)定生 產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，因緊密度、通風(fēng)度、吸阻不合格而產(chǎn)生的漏氣煙支剔除率分別為0.041%、0.010%、0.009%，總剔除率僅為0.06%；煙支濾嘴接裝紙搭口工整、光滑，濾嘴包裹牢固、無(wú)濾嘴松脫和缺嘴現(xiàn)象，符合卷制質(zhì)量要求。

圖6 生產(chǎn)速度變化時(shí)電機(jī)M1、M3 速度值和M2 扭矩值Fig.6 Speed of motors of M1 and M3 and torque of motor M2 at varied production speed

圖7 紙接頭經(jīng)過(guò)刮紙器時(shí)M1、M3 速度值和M2 扭矩值Fig.7 Speed of motors of M1 and M3 and torque of motor M2 while tipping splice passing through scraper

表1 漏氣煙支剔除率Tab.1 Rejection rate of cigarettes with air leak（%）

4 結(jié)論

利用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)伺服技術(shù)設(shè)計(jì)了接裝紙張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接裝紙張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)和精確控制，當(dāng)紙接頭經(jīng)過(guò)刮紙器時(shí)通過(guò)瞬時(shí)降低接裝紙張力，使紙接頭順利通過(guò)，保證了設(shè)備在較大接裝紙張力下的穩(wěn)定運(yùn)行。以ZJ119 超高速卷接機(jī)組為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：①接裝紙張力在ZJ119 生產(chǎn)速度變化時(shí)始終保持穩(wěn)定；②通過(guò)PI 調(diào)節(jié)使接裝紙張力緩慢變化，保證紙接頭順利經(jīng)過(guò)刮紙器；③張力控制系統(tǒng)在12 000 支/min 生產(chǎn)速度下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)煙支外觀質(zhì)量滿足工藝要求，緊密度、通風(fēng)度、吸阻不合格煙支剔除率分別為0.041%、0.010%、0.009%，漏氣煙支總剔率僅為0.06%，可以滿足未來(lái)新型超高速卷接機(jī)組的設(shè)計(jì)要求。