四層瓦楞紙制板機(jī)控制系統(tǒng)

張明澤

（鞍山市城市建設(shè)發(fā)展中心，遼寧 鞍山 114000）

目前，我國瓦楞紙板主要采用五層和七層，僅五層板就占總量的60%以上，七層板占總量20%，而美國的三層紙板產(chǎn)量占瓦楞紙板總量的90%，相比之下，我國瓦楞紙板工業(yè)原紙消耗量巨大，層數(shù)越多原紙消耗就多，成本就越高，中國每年對高強(qiáng)度原紙主要依賴于進(jìn)口，這樣就浪費(fèi)了大量的外匯，又過度消耗資源，既不經(jīng)濟(jì)也不利于企業(yè)競爭。通常使用的瓦楞有U 型、V型和UV型。U 型瓦楞楞頂是圓的，它的結(jié)構(gòu)富有彈性，壓時(shí)手感柔軟，在彈性變形范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的彈性恢復(fù)力。U 型楞的使用壽命比V型楞長,U 型楞有利于提高機(jī)械粘合速度，黏合后瓦楞紙變化小，缺點(diǎn)是黏合劑用量大。V型瓦楞整個(gè)楞由直線組合而成。所生產(chǎn)的瓦楞紙板堅(jiān)硬，其平面壓力強(qiáng)度比U 型瓦楞紙板高，黏合劑用量較U 型楞少；缺點(diǎn)是生產(chǎn)的瓦楞紙板一旦受力超過彈性極限就完全喪失恢復(fù)力，瓦楞輥制造工藝復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生楞頂斷裂，瓦楞輥磨損較U 型楞快。此外，根據(jù)U、V型瓦楞的優(yōu)缺點(diǎn)，一種介于他們之間的“UV”型瓦楞應(yīng)運(yùn)而生，這種形狀的瓦楞彌補(bǔ)了U 型楞和V型楞的缺點(diǎn)。

為此，本文對四層瓦楞(UV型)紙制板機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。四層瓦楞紙板與五層瓦楞紙板相比具有相同的抗壓性和緩沖性，但就其成本而言，四層瓦楞紙節(jié)省了一層楞芯紙和兩層施膠，生產(chǎn)成本至少降低20%。所以，取代五層瓦楞紙是一種必然的趨勢。

1 瓦楞紙制板機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

瓦楞紙制板機(jī)原理如圖1 所示，主要由上下對稱的兩套驅(qū)動電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、施膠機(jī)構(gòu)和導(dǎo)紙機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)壓制瓦楞、加熱、施膠、粘貼等工藝過程。具體工作原理如下。

圖1 瓦楞紙生產(chǎn)線原理圖

瓦楞原紙7-1（7-2）通過傳送輥8-1（8-2）傳送給上下加熱瓦楞輥2（3），將原紙壓制成瓦楞后，通過施膠輥1-1（1-2）施膠，箱板紙9-1（9-2）通過傳送輥8-3（8-4）加熱傳送給熱壓力輥4 (5)，將壓制成型的瓦楞紙與箱板紙黏接、壓合，然后，通過拖膠輥1-3（1-4）施膠，最后，經(jīng)過熱壓傳送帶6-1（6-2）壓制成四層瓦楞紙。為了保證瓦楞紙順利傳送，在熱壓力輥4（5）附近設(shè)有風(fēng)手鏈10，由風(fēng)泵提供風(fēng)源。

2 瓦楞紙制板機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 控制策略

本文的四層瓦楞紙采用UV型瓦楞，它具有U、V型的優(yōu)點(diǎn)，既有良好的緩沖性，又有高耐壓性。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩層瓦楞紙板UV型峰對峰粘貼，平面隔板位于外側(cè)。為了保證瓦楞紙的峰對峰粘貼，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。主要由厚度控制系統(tǒng)、行星齒輪控制、控制算法等組成。

2.2 瓦楞紙厚度控制系統(tǒng)

瓦楞紙?jiān)趪?yán)格的峰對峰粘貼情況下，則其厚度是5mm。若輸出的厚度相對誤差范圍在±5%內(nèi)，都可以認(rèn)為輸出的瓦楞紙能達(dá)到防震、抗壓等要求。設(shè)計(jì)選擇紅外線吸收式紅外激光測厚。

2.2.1 紅外線吸收式紅外激光測厚原理

紅外能量吸收測厚的原理是根據(jù)PET 分子對近紅外波長的吸收比較強(qiáng)烈來測量薄膜厚度。圖2 是一種紅外能量吸收法測厚的原理圖。根據(jù)物質(zhì)對放射線的吸收或散射特性，當(dāng)放射線穿過物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度將隨之減弱，而減弱量與被測物的厚度有對應(yīng)關(guān)系。

圖2 紅外能量吸收法瓦楞紙測厚原理圖

從上述原理圖可以看出，紅外線能量吸收測厚儀不需要復(fù)雜的接收裝置。因此，設(shè)備輕便。

2.2.2 測量元件的選擇

紅外激光測厚最主要的部件是紅外激光管，以下是對紅外激光管的選型。紅外能量吸收法，即透過一定厚度的薄膜發(fā)射一束紅外激光，通過測量該光束被吸收的程度，確定薄膜的厚度。吸收度符合Lamber－Beer 定律，即：或式中I0為入射光強(qiáng)，I 為初射光強(qiáng)，B為吸收系數(shù)，d 為瓦楞紙厚度，E 為吸收光度。在保證紅外光能夠透射的前提下，待測薄膜對紅外光的吸收越多，得到的信號差值越大，也就越能保證測量的準(zhǔn)確性。如何選擇激光束的波長也是要考慮的問題，可以借鑒薄膜的紅外透射光譜曲線試驗(yàn)來選定激光束波長。

2.3 模糊控制算法

四層瓦楞紙控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型很難建立。而模糊控制不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，就能達(dá)到良好的控制效果。正是考慮到模糊控制的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，本文采用模糊控制算法，其中模糊控制器主要包含3個(gè)功能環(huán)節(jié)：模糊化環(huán)節(jié)，模糊控制算法功能單元和模糊判決環(huán)節(jié)。

3 模糊控制算法的MATLAB 仿真

采用MATLAB 實(shí)現(xiàn)模糊算法的仿真，模糊控制算法的程序流程如圖8，其中e是厚度實(shí)際測量值與給定之差，Δe是誤差變化率，控制變量u 是行星齒輪的轉(zhuǎn)速。程序流程如圖8 所示。

根據(jù)厚度控制系統(tǒng)的工藝要求，設(shè)定值為5mm，若輸出值的誤差在±5%，即其厚度在[4.75mm，5.25mm]范圍內(nèi)時(shí)，都認(rèn)為達(dá)到良好的控制效果。

沒有采用模糊控制得到瓦楞紙厚度曲線如圖4a 所示。

采用模糊控制方法時(shí)，得到的仿真結(jié)果如圖4b 所示。

比較圖4a 和4b 可以看出，誤差限制在±5%的允許范圍內(nèi)，采用模糊控制算法的測試結(jié)果基本上達(dá)到厚度設(shè)定值，沒有超調(diào)，過渡過程時(shí)間為0.22s，系統(tǒng)對參數(shù)變化不敏感，具有較好的魯棒性。由此可知，根據(jù)厚度實(shí)際測量值與給定之差e以及誤差變化率Δe，實(shí)現(xiàn)對行星齒輪轉(zhuǎn)速u 的控制，具有良好的控制效果。

圖3 模糊控制算法的程序流程

圖4 瓦楞紙厚度和厚度仿真曲線圖

4 結(jié)語

本文對四層瓦楞紙制板機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過紅外激光測厚，針對一個(gè)時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，采用模糊控制方法，并且進(jìn)行了MATLAB 仿真，充分證明本文提出的控制方案是可行的。隨著高靈敏度光敏器件的不斷進(jìn)步，這個(gè)控制系統(tǒng)的精度將進(jìn)一步提高。