濾棒成型機絲束恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計

吳樹清

貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司銅仁卷煙廠，貴州省銅仁市興銅大道 554300

濾棒成型機在生產(chǎn)中，將絲束包中的絲束拉出，經(jīng)過三級開松［1］，對開松展寬的絲束噴灑塑化劑，再進行卷制成型與切割，制成符合要求的濾棒［2］。絲束帶拉出過程中，其內(nèi)部張力［3］會受到絲束卷曲特性［4］、絲束包剩余高度、絲束帶運行軌跡、絲束包綁扎區(qū)域的影響，進而影響開松效果，導(dǎo)致濾棒吸阻［5-6］、圓周等指標(biāo)波動。

為解決絲束帶張力不穩(wěn)定所帶來的產(chǎn)品質(zhì)量問題，侯昌信［7］改進了高速濾棒成型機控制系統(tǒng)，優(yōu)化了開松機構(gòu)控制參數(shù)。劉建輝［8］設(shè)計出絲束工位轉(zhuǎn)換裝置，解決了絲束包在更換過程中的絲束帶張力變化問題。王爽［9］開發(fā)出絲束自動提升平臺，采用液壓連桿機構(gòu)和光電監(jiān)測裝置控制平臺自動升降，使絲束料位始終保持在5 cm 高度差之內(nèi)。吳佳旺［10］設(shè)計了懸臂工作臺，可自動調(diào)整絲束包高度，絲束用完后自動復(fù)位至地面。上述研究基本解決了絲束包高度變化帶來的不利影響，然而在絲束帶拉出過程中，還存在外界面、綁扎區(qū)、包心區(qū)不同位置絲束粘連強度不同造成的張力不穩(wěn)定問題，進而影響濾棒質(zhì)量，這一問題尚未得到解決。

為此，在ZL26C 濾棒成型機組上，采用閉環(huán)伺服控制原理，設(shè)計了一種濾棒成型機絲束恒張力控制系統(tǒng)，以期解決不同狀態(tài)下絲束帶張力波動大的問題，改善濾棒吸阻及圓周的穩(wěn)定性。

1 問題分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZL26C 濾棒成型機中，絲束包通常是放置于地面上（使用VGA 小車送料的則放置在自動進料平臺上）。絲束帶從絲束包1 中拉出，先經(jīng)過導(dǎo)絲環(huán)2，到達一級空氣開松3，再經(jīng)過二級空氣開松4及預(yù)張緊輥5，送入螺紋輥6，經(jīng)三級空氣開松7 進一步展寬，通過甘油噴嘴8 施加甘油，最后經(jīng)過輸出輥9 及成束輥10 向下一工序輸送，見圖1。

圖1 ZL26C 濾棒成型機絲束供給示意圖Fig.1 Schematic diagram of tow supplying in ZL26C filter rod maker

1.2 存在問題

在生產(chǎn)過程中，絲束帶拉出時的高度隨使用量增加逐漸降低，絲束包不同位置絲束粘連強度不同，絲束帶與導(dǎo)絲環(huán)之間形成的角度不斷變化，都會導(dǎo)致進入一級空氣開松的絲束帶內(nèi)部張力發(fā)生變化，進而影響絲束開松效果，影響濾棒質(zhì)量穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計了一套獨立的絲束恒張力控制系統(tǒng)，并安裝于一級空氣開松與二級空氣開松之間。該系統(tǒng)主要由伺服電機1、控制輥2、控制壓輥3、張力檢測裝置6、導(dǎo)輥5、附加開松器4、顯示屏、電控系統(tǒng)等組成，見圖2。

其工作原理是：絲束帶經(jīng)過一級空氣開松，進入控制輥2 與控制壓輥3，系統(tǒng)處理器根據(jù)成型機的速度脈沖信號控制伺服電機1 運轉(zhuǎn)，張力檢測裝置6 檢測絲束帶張力大小，并與設(shè)定張力進行比較。當(dāng)檢測到的絲束張力大于設(shè)定張力時，系統(tǒng)處理器控制伺服電機1 加速運轉(zhuǎn)，增加供絲量，降低絲束張力；反之，則伺服電機1 減速運轉(zhuǎn)，進而將絲束帶內(nèi)部張力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。附加開松器4 主要起穩(wěn)定絲束帶的作用，使其在運動中更趨平穩(wěn)，保證張力控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖2 絲束恒張力系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of constant tow tension system

2.1 絲束控制裝置

絲束控制裝置是恒張力控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要完成絲束帶的拉出，由支撐板1、伺服電機2、控制輥3、控制壓輥4、氣缸5 等部件組成，見圖3。工作時，絲束帶從控制輥3 及控制壓輥4 之間穿過，伺服電機2 帶動控制輥3 高速運轉(zhuǎn)，氣缸5處于伸出狀態(tài)，將控制壓輥4 壓向控制輥3，并保持一定的壓力，以防止絲束帶在高速運動中打滑。

圖3 絲束控制裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of tow control device

2.2 控制輥

濾棒成型機最大生產(chǎn)速度為600 m/min，設(shè)控制輥線速度S為600 m/min ，可滿足濾棒成型機的生產(chǎn)要求。設(shè)伺服電機額定轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，由控制輥直徑d=S/nπ可知，d=63.66 mm，為增加冗余，取控制輥直徑為70 mm。

2.3 伺服電機

根據(jù)YC/T 169.1—2002 規(guī)定，在長度為（1 000±1）m 條件下，消除二醋酸纖維絲束卷曲的負(fù)荷為（22.2±0.2）N［11］。實際生產(chǎn)中絲束不會被完全拉伸，即：絲束在生產(chǎn)過程中所受拉力F不會超過（22.2±0.2）N。設(shè)控制輥所需扭矩與伺服電機提供扭矩相等，則：

式中：M為控制輥所需扭矩，Nm；d為控制輥直徑，m；F為施加給絲束的最大拉力，N；P為電機功率，kW；n為伺服電機額定轉(zhuǎn)速，r/min。

將已知參數(shù)代入式（2），可得伺服電機的必要功率P=0.244 kW。

綜合考慮控制壓輥阻力、軸承的摩擦力以及成本等因素，選用額定功率0.5 kW、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的伺服電機，可滿足設(shè)備需求。

2.4 氣缸座

氣缸2 是通過一個手柄螺絲3 固定在氣缸座1上，允許其左右擺動，以保證控制壓輥對控制輥施加的壓力在絲束帶寬度方向上保持一致，防止絲束帶跑偏，見圖4。

圖4 氣缸座示意圖Fig.4 Schematic diagram of cylinder base

2.5 張力檢測裝置

絲束張力檢測裝置見圖5。絲束帶4 通過力臂桿3 時，對力臂2 施加一個向上的力，安裝在力臂2 末端的高靈敏度扭矩傳感器1 將檢測到的絲束張力值，與設(shè)定值進行比較后，控制伺服電機加速或減速運行，保證絲束帶內(nèi)部張力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、F/V 脈壓轉(zhuǎn)換器、扭矩傳感器、觸摸屏、伺服控制器、伺服電機等組成，見圖6。主機編碼器提供同步脈沖信號，經(jīng)F/V 脈壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號。扭矩傳感器檢測力臂桿運動趨勢，并將這種運行趨勢轉(zhuǎn)換成電壓信號。PLC 中央處理器處理上述兩個信號，用于絲束恒張力系統(tǒng)伺服電機速度對主機速度的同步跟蹤。

圖5 絲束張力檢測裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of tow tension detection device

圖6 電氣控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of electrical control

3 應(yīng)用效果

3.1 材料與方法

材料：煙用二醋酸纖維素絲束3.0Y32 000（珠海醋酸纖維有限公司）；普通濾棒成型紙（浙江華豐紙業(yè)科技有限公司）；煙用熱熔膠（廣東凱林科技股份有限公司）；冷膠（長沙樂遠(yuǎn)化工科技有限公司）。

設(shè)備：ZL26C 濾棒成型機組（許昌煙草機械有限責(zé)任公司）；綜合測試臺（成都瑞拓科技股份有限公司）。

方法：2019 年8 月，將絲束恒張力控制系統(tǒng)安裝于一級開松與二級開松之間，成型機組生產(chǎn)速度為5 500 支/min，連續(xù)生產(chǎn)運行2 個月，共提取400 組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計濾棒吸阻與圓周指標(biāo)的平均值，與使用該系統(tǒng)前2 個月內(nèi)的數(shù)據(jù)進行比較。

3.2 結(jié)果

由表1 可見，使用絲束恒張力控制系統(tǒng)生產(chǎn)的濾棒與未使用該系統(tǒng)生產(chǎn)的濾棒相比，其吸阻指標(biāo)及圓周指標(biāo)均有明顯改善。

表1 改進前后的濾棒吸阻和圓周質(zhì)量穩(wěn)定性對比Tab.1 Comparison of consistencies of draw resistance and circumference of filter rods before and after improvement

4 結(jié)論

采用閉環(huán)伺服控制原理設(shè)計了濾棒成型機絲束恒張力控制系統(tǒng)，解決了絲束帶從絲束包中拉出時張力波動大，進而影響濾棒質(zhì)量的問題。在ZL26C 濾棒成型機組上的測試結(jié)果顯示，改進后吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差降低20.62%，圓周標(biāo)準(zhǔn)偏差降低50.00%，說明該系統(tǒng)可明顯改善濾棒吸阻及圓周指標(biāo)的穩(wěn)定性，使用效果良好。該系統(tǒng)可在同類型設(shè)備上推廣應(yīng)用。