基于光電檢測技術的圓盤切刀實時角度調整系統設計*

陳 志，黃 浩，李海洲，羅永輝

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.東莞華科精機有限公司，廣東東莞 523808；3.東莞華中科技大學制造工程研究院廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 523808；4.東莞市新望包裝機械有限公司，廣東東莞 523519）

0 引言

軟包裝(Flexible Package)是指在充填或取出內裝物之后，容器形狀可發生變化的包裝方式，用紙、鋁箔、纖維、塑料薄膜以及它們的復合物所制成的各種袋、盒、套、包封等均為軟包裝。它具有質量輕、廢料少、成本低等優點，因此廣泛應用在醫藥、紡織品、食品工業上。隨著我國工農業的快速發展，軟包裝的地位正日益提高[1]。在軟包裝生產中，分切是一道非常重要的工序，它實現了由半成品到產品的加工[2]。分切機是一種將寬幅薄膜或紙張分切成多條窄幅材料的機械設備，廣泛用于印刷及造紙、軟包裝等行業[3]。分切機的結構總體分為放卷、驅動和收卷3大功能結構，其簡易示意圖如圖1所示。

圖1 分切機的工作原理示意圖

目前分切臺對產品質量的控制普遍停留在表面的控制上，以減少啟皺、縱皺、橫皺、線皺、毛邊等問題為主，而對于產品端面的質量關注較少，技術手段較為有限。對于端面質量的控制往往采用對分切速度、張/壓力等參數的調整與控制上，切刀的角度調整，而機器的運行狀況十分復雜，和很多個參數都有關系，比如機床的抖動、母帶的不平整等。在實際加工中，獲得一個最優的參數需要一個很長的適應過程。然而隨著現代企業對包裝材料的要求越來越高，提高分切機的性能，降低生產成本，縮短交貨時間對提高包裝印刷企業的經濟效益很有必要。

本次研究主旨在于提高分切的斷面質量，以光電檢測技術作為支撐，設計出高精度、實時性的光電檢測系統作為傳感機構；基于PLC控制與伺服電機控制，對圓盤切刀進行實時角度調整閉環的控制系統?；趫A盤切刀分切原理，使用伺服驅動的可轉動圓刀進行過程控制，采用靈敏的光電檢測系統對帶材及圓盤切刀角度進行實時檢測，將檢測的結果傳送到控制系統，實現對圓盤切刀的實時調整閉環系統。實踐表明，本次設計的系統具有測量精度高、反應速度快，圓盤切刀角度轉動角度精確等優點，故能大幅提高產品質量，降低分切的成本，縮短交貨時間，對設計高性能、高自動化與高柔性分切機的有很大的借鑒意義。

1 圓盤切刀分切技術

常用的分切刀具主要分為以下幾種：（1）刀槽式刀片分切是使刀片伸進帶槽輥的槽內分切，分切時穩定好，不過精度難以控制；（2）懸空式刀片分切是刀片直接在拉伸的膜上分切，分切寬度易調整，可任意分切寬度，但對原料的平整度要求較高；（3）圓盤分切刀片[4]，圓盤分切刀分為上刀、下刀，裝在分切機刀軸上，利用滾剪原理來分切厚度為0.01～0.1 mm成卷的各種電容器紙、鋁箔、金屬化薄膜、電影膠片、計算機帶及磁帶[5]。圓盤切刀是一種可以替代平壓切式模切刀的高效率、高精度刀具，最早應用于煙包印后加工領域[6]。由于圓盤具有刃口堅韌、使用壽命長、高分切效率和精度，廣泛應用于造紙、印刷與軟包裝行業，具有不可替代的地位。

雖然圓盤切刀具有上述很大優點，但要滿足現代高精度、高效率以及高穩定性的現代化分切要求，圓盤形切刀也存在一些嚴重不足：（1）當分切規格變化大時，確定切刀位置麻煩，需要長時間的適切；（2）由于切材、機床振動等一些不穩定性因素，圓盤切刀與切材的相對角度會有一定程度的變化，普通機床無法實現自動調整。雖然切角偏差很小，但由于進給長度大，累積誤差也不可忽視，實際加工數據顯示：當切角偏差10-2rad，每卷的分切長度為100 m，累積誤差為1 m。市場調查顯示：對于一條年產萬噸級的聚酯薄膜來說，如果分切優等品率提高40%，可產生直接收益200萬元；每卷減少1米跑偏，就可以減少約0.5噸損耗，減少約5.4萬元損失。從某種程度上來說，“好產品是切出來的”。

2 光電檢測技術

光電檢測技術在機械結構設計上多用于位置、角度以及平面檢測，其特點是可以實現無接觸、微細檢測，因而可以將微小機械動態檢測變成觀點靜態檢測，從而很大程度上簡化機械結構[7]。光電檢測技術具有高精度、高靈敏度、成本低和可靠性高等明顯特點，具體表現如下：最高的檢測精度可達0.05 μm/m；反應速度達到光速，為現代最快的檢測手段之一；許多光電檢測設備均采用自適應調整裝置，具有較強的抗干擾性；然而該技術對硬件設備和軟件設備要求也較高。因此將光電檢測技術應用到圓盤分切技術中，能夠較好地彌補圓盤切刀在實際加工中的不足。

2.1 光電檢測原理

光電檢測裝置主要應用光電傳感效應原理，將輸入光信號轉換為電信號輸出[8]。它主要由光源S、透鏡組C、光電池B以及檢測器A等組成，其檢測原理示意圖如圖2所示，光源S發出高頻光信號，將圓盤切刀E的端面置于光路中，光信號通過透鏡組C匯聚到光電池B，檢測器A檢測光電池B的接收光信號轉化成的電信號，經選頻放大帶通濾波及信號精密整流電路，最后輸出穩定的電壓信號。

圖2 光電檢測原理示意圖

2.2 光電檢測裝置

本次研究的光電檢測裝置，主要根據圖2的光電檢測原理，實際的光電檢測裝置如圖3所示。該裝置相當于由兩套圖2的裝置構成。在實際操作中，首先需要對光安裝，即根據檢測器(A1、A2)的電信號，安裝圓盤切刀的參考位置；其次，切除帶材過程中，將圓盤切刀E由于受到帶材D切除阻力、機床振動等干擾因素，會發生微小量(10-1rad)的角度偏離，則進入透鏡組(C1、C2)的光通量就會改變，輸出的電壓信號也會發生變化，并將兩個檢測器(A1、A2)的電信號實時傳送給控制系統；最后，控制系統根據兩個檢測器(A1、A2)電信號的變化，實時控制角度調整系統，微調圓盤切刀的端面角度，使圓盤切刀E的兩個端面分別與光線1和光線2平行，最終使得兩個檢測器(A1、A2)的電信號均達到最大。實驗結果顯示，本次研究中的光電檢測裝置對圓盤切刀角度的檢測精度為10-2rad。

3 角度實時調整系統

精密的角度實時調整系統集成光電檢測技術、精密機械技術、現代控制技術以及現代數值計算理論于一體，可對二維及三維運動目標進行檢測并實時測量空間坐標，具有高精度、實時性、動態監測和高穩定性等優點，廣泛應用于汽車、船舶、核工業以及航空航天等精密機械制造領域[9-10]。本次研究設計的角度實時調整系統，采用伺服電機與PLC控制精密的角度調整機械裝置，包括伺服電機、PLC控制系統、角度測量系統、角度驅動系統和角度調整機械控制模塊。實驗結果顯示，本次設計的角度實時調整系統的校正精度高達±2×10-1rad，系統調節滯后僅為0.1 s。

圖3 光電檢測裝置示意圖

3.1 角度實時調整控制系統

本次設計的角度調整控制系統采用PLC控制結合伺服控制技術，實現對角度實時調整系統精確的控制。PLC控制具有實時性、高可靠性、高性價比及使用維修方便，廣泛應用于各種工業控制場合[11]。伺服電機系統(servo motor system)一般由伺服電機及其專用驅動器系統組成，具有線性度高、控制精度高、響應速度快、穩定性好和抗干擾能力強等優點。伺服電機是伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，其控制精度由伺服電機后端的旋轉編碼器保證。本次研究將上述二者的結合起來，優勢互補，伺服電機與專用驅動器配套使用時，控制器(PLC)向伺服電機驅動器提供相應的控制脈沖，調整脈沖頻率和伺服電機轉向的控制信號即可實現控制器(PLC)對伺服系統進行精確的控制，這種結合控制方式很大程度上逐漸取代其他的控制方式。

角度調整控制系統包含顯示電路、電源電路、單片機控制系統、驅動電路、角度檢測電路和機械控制模塊等，如圖4所示。閉環系統控制流程如下：

（1）角度檢測電路監測圓盤切刀的相對角度，將光信號轉化為電信號，并端面偏差值傳輸給PLC控制系統；

（2）根據光線1和光線2的信號差，通過一定的數值計算、變換算法，將PWM驅動信號傳給驅動電機；

圖4 系統控制總體流程圖

（3）驅動電機控制角度調整組件，給出相應的控制方式，通過機械控制模塊進行實時調整圓盤切刀的角度。

如此循環步驟（1）～（3），實時性、閉環調整圓盤切刀與切材的相對角度。由于單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變換不易受外界干擾，整個系統工作可靠，從而利用單片機控制系統能精確地實現對PWM波占空比的調整，達到對角度的精確調整。

3.2 角度實時調整機械控制模塊

機械控制模塊為角度實時調整系統的執行機構，該模塊的控制精度直接影響圓盤切刀與切材的相對角度精度。機械控制模塊包括：伺服電機、聯軸器和角度調整模塊，如圖5所示。PLC給出的PWM信號控制伺服電機，伺服電機通過柔性聯軸器與柔性的調整原件連接，其中的柔性調整原件的材料采用橡膠，其目的是為了減少調整過程中，圓盤切刀與軸肩的沖擊。與此同時電機驅動角度調整組件，根據PLC給出的調整信號，通過彈簧伸縮，控制壓塊運動轉化為相應圓盤切刀的運動，調整圓盤切刀與切材的相對角度，從而保證圓盤切刀切出來的材料具有高端面質量。

4 結論

圖5 角度調整機械控制模塊簡圖

本次研究設計，基于光電檢測原理，設計出高精度、實時性的圓盤切刀端面與切材相對角度的檢測系統，檢測精度高達10-2rad；在此基礎上，設計了角度實時閉環調整系統，該系統控制原理由PLC控制與伺服電機控制相結合，PLC的實時性保證了該系統的高靈敏性，閉環調整系統保證高精度調節，再結合彈簧壓塊調節，整個系統能夠滿足現代分切技術的要求。本次設計的角度實時閉環調整系統在新望XW-221C全自動分條機上得到應用，在全速生產時，調節精度精度可達±2×10-1rad，實際生產效果達到了預期希望，對其他分切技術具有較大的借鑒價值。

［1］趙延偉.軟塑包裝發展現狀及加入WTO后面臨的形式［J］.中國包裝工業，2005（07）：11-14.

［2］尹章偉，毛中彥.包裝機械［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［3］李志鵬，李興根.分切機上位機控制系統的設計［J］.輕工機械，2006，24（3）：90-93.

［4］金國斌，張華良.包裝工藝技術與設備［M］.北京：中國輕工業出版社，2009.

［5］焦志賢.圓盤分切刀［J］.機械制造，1994（11）：19-21.

［6］蔡玉明.互感器鐵心片裁剪工藝的改進及切刀式沖模設計［J］.機械設計與制造，2003，29（2）：60-62.

［7］蔡吉飛，趙鴻賓，張祖明.光電檢測技術在機械設計制造中的應用［J］.機械設計與制造，1999（1）：56-57.

［8］姜衍倉，田芳勇.光電編碼器在非圓齒輪滾齒加工自動對刀中的應用［J］.機械設計與制造，2003（2）：167-168.

［9］田學光，田興志，劉軒，等.大型精密轉臺高精度角度微驅動裝置的研制［J］.光學精密工程，2010，18（5）：1112-1118.

［10］劉萬里，曲興華，歐陽健飛，等.激光跟蹤測量系統角度自動校正裝置設計［J］.光學精密工程，2008，16（9）：1695-1700.

［11］張躍明，官文，鄧衛平，等.基于PLC的自動換刀系統研究［J］.機械設計與制造，2012（11）：23-25.