自動糾偏控制裝置設計研究

徐雪海++顧軍

摘要：糾偏控制系統是紙張回卷機的核心部件，決定回卷后的紙卷邊緣整齊程度及回卷機性能。介紹自動糾偏系統的工作原理及結構組成，使用超聲波糾偏傳感器，設計制造一種具有自動糾偏裝置的紙張回卷機。糾偏性能測試結果表明：采用類似恒張力控制回卷機時，不要設定過大的張力。

關鍵詞：糾偏系統；糾偏傳感器；邊緣檢測器；回卷機

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0079-03

常見回卷機由一個放卷軸和一個收卷軸組成，邊緣參差不齊的紙卷置于放卷軸，經過回卷后，在收卷軸上得到一個邊緣整齊的紙卷，實現資源的再利用。整個過程中，糾偏控制系統的作用舉足輕重。據不完全統計，使用糾偏系統可節約材料10%～20%。

1 回卷機的結構

回卷機設計結構如圖1所示，由放卷軸、張力控制、糾偏裝置和收卷軸4部分組成。

為使回卷后的紙卷邊緣整齊，收卷前設計一個糾偏裝置。同時，為保證回卷后的紙卷不松弛，整個回卷過程要求有一個張力控制。放卷軸和收卷軸通常采用氣脹軸，由伺服電機驅動。機器大多由PLC（可編程控制）控制，高端機器采用HMI（人機界面）來操作，低端機器則由簡單的電氣按鈕來完成操作。

2 回卷機的糾偏系統

一套典型的自動糾偏系統包括糾偏控制器、糾偏傳感器、糾偏框架及驅動器，是一個典型的閉環反饋系統（如圖2所示）。

2.1 糾偏傳感器

首先，糾偏傳感器探測紙張的邊緣，讀出紙張的實際位置及與設定位置的偏移量，并將偏移量轉換成與之成正比的電信號，再將電信號送入控制器；信號經過控制器放大、校準后，輸出至線性驅動器；線性驅動器根據信號的大小，驅動糾偏導正機構，將偏移的紙張恢復至設定位置。

傳感器通常分為紅外線傳感器、超聲波傳感器和CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）照相機。

2.1.1 紅外線傳感器 光源發出的紅外線光線由透鏡轉換成平行光束（如圖3及圖4所示），再投向接收端，隨后被會聚透鏡投到接收端的光敏元件（光敏電阻、光電池等）上。在平行光束到達接收端的途中，部分光束受因被測紙張的遮擋而使傳到光敏元件的光通量減少。

圖5為用光電池作為接收端。在光電式邊緣位置檢測器中，光源發出的光線經透鏡變為平行光束，投向會聚透鏡，被會聚的光斑落到光電池E1上。在平行光束到達會聚透鏡的途中，有部分光線受到被測紙張的遮擋，使到達光電池的光通量Ф減少，光電流IΦ也減小。E1，E2是相同型號的光電池，E1作為測量元件裝在紙張下方，而E2用遮光罩罩住，起溫度補償作用。當紙張處于正確位置（中間位置）時，由運算放大器A1、A2組成的兩路光電池短路電流放大電路輸出相同，即Uo1=Uo2，則比較電路A3的輸出電壓Uo3為零。當紙張右偏時，遮光面積減少，光電池E1的受光面積增大，輸出電流增加，導致A3的輸出電壓Uo3為負值（它反映紙張跑偏的方向及大小）。經處理被送到伺服電機，向左推動紙張機構，達到糾偏的目的。

紅外線傳感器可檢測紙張等不透明材料，透明薄膜建議使用超聲波傳感器。

2.1.2 超聲波傳感器 超聲波傳感器如圖6所示，適用于透明薄膜、底片、紙張。發射端發出由振蕩產生的超聲波，頻率可達220 kHz。在超聲波發射端和接收端之間，接收器接收到未被材料阻隔的超聲波部分，再經電路轉換成電信號。超聲波易受氣流和溫度變化的影響，因此精度較紅外線傳感器差。

2.1.3 CCD照相機 CCD照相機的最大的優點是測量范圍廣。CCD照相機可同時偵測多個不同材料，適用于檢測材料寬度或中心校正，但成本較高。CCD照相機測量多種不同材料及測量多種相同材料的示意圖分別見圖7和圖8。

2.2 糾偏執行結構及其工作原理

糾偏感應器監測紙張的運行，并將信號發送給控制器。控制器發現紙張有位置漂移后，根據控制者預先設定的指令，通過驅動器控制糾偏框架擺動，糾正紙張位置。其驅動系統使用低速同步、變頻調速、步進及伺服電機驅動，驅動行程與卷材偏移量成嚴格的比例關系。

糾偏執行結構如圖9所示。紙張方向經過4次90°轉彎，纏繞在一對可旋轉的滾軸上，旋轉架的旋轉點位于第一根旋轉軸的中心（圖9中的1點）。糾偏量等于兩軸間距（又稱移動跨距L2）乘以控制設備旋轉α角的正弦值，即K=L2sinα。

由紅外線傳感器原理可知，傳感器最終輸出一個方向、大小變化的電壓。當紙張右偏時，輸出電壓為負值，電壓值隨偏移量增大而增大，直到完全沒有覆蓋到任何光束；當紙張左偏時，輸出電壓為正值，電壓值隨偏移量增大而增大，直到完全覆蓋整個光束。輸出電壓被送入控制器，信號經過控制器放大、校準后，輸出至線性驅動器伺服電機，伺服電機根據信號的正負值來決定順時針還是逆時針轉動滾軸，同時伺服電機根據信號大小確定旋轉幅度，最終將偏移的紙張恢復至設定位置。

3 回卷機糾偏性能測試

此次設計的回卷機主要用于背襯紙的回卷。背襯紙其中一面涂有有機硅防粘涂料，常用于標簽、敷料、薄膜等粘性材料。背襯紙有透明和非透明兩種，由對傳感器的分析比較可知，超聲波傳感器（分辨率為0.1 mm）滿足使用要求。因此，該回卷機的核心部件糾偏控制系統由超聲波傳感器和框式糾偏機構組成。

回卷機的放卷軸和收卷軸有兩臺伺服電機和兩根氣漲軸組成，整臺機器由西門子PLC（可編程控制）控制，整個回卷過程有張力檢測器來維持設定的紙卷張力。

為驗證機器的糾偏能力，進行一系列機器糾偏性能試驗，結果見表1。速度過快，在不是很大的張力控制下，回卷后的紙卷出現錐形，但糾偏紙張邊緣一直處于傳感器中心位置，也就是說糾偏器一直處于正常工作狀態，分析是過大張力使紙卷內部擠壓而出現錐形。因此，采用類似恒張力控制的回卷機時，建議不要設定過大的張力。在設計回卷機時，應根據實際情況來選擇合適的糾偏控制系統及張力控制系統，才能確保獲得邊緣整齊的紙卷。