直裁卷取子母車工位設計及收卷控制應用

洪潮，洪育仙，盛韶祥，陳建清，戈威

( 杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

鋼絲簾布直裁設備生產(chǎn)的鋼絲簾布卷是輪胎成型時的主要胎體部件，胎體作為輪胎的骨架，其工藝品質(zhì)至關重要。一條完整的鋼絲簾布裁斷與拼接自動生成線的核心部分是90° 直裁簾布裁斷接頭機組，其作用是在規(guī)定的寬度下，以90° 角裁切前工序生產(chǎn)的連續(xù)帶束層材料，用于變角度定位拼接，同時對拼接后的鋼絲簾布進行包邊貼合處理。最后通過卷取裝置卷成特定長度的簾布卷。

隨著公司輪胎產(chǎn)能轉移，為保證總體產(chǎn)量，避免庫存脫節(jié)，一部分全鋼輕卡胎轉移至半鋼成型機生產(chǎn)，但是半鋼小車與全鋼小車尺寸不一致，直裁設備卷取工位需要增加全鋼和半鋼卷取切換功能，重新設計一套轉換小車用于匹配半鋼設備使用，從而優(yōu)化卷取速度控制，保證直裁卷取質(zhì)量，實現(xiàn)一機多用，避免新增設備，減少設備投入成本。

1 卷取機械改造

鋼絲簾布裁斷生產(chǎn)線由以下裝置組成：導開裝置、裁斷裝置、接頭裝置、動力輥裝置、分切裝置、包邊貼合裝置和卷取裝置。全鋼輕卡胎轉移至半鋼成型機生產(chǎn)過程，大部分裝置可以兼容使用，本文重點涉及卷取部分的兼容性問題。

半鋼設備卷取小車尺寸小于全鋼卷取小車，經(jīng)過現(xiàn)場測繪，機械最終方案采用子母車的結構，利用原全鋼胎體小車進行改造，保留主要機械框架，安裝齒輪傳動組件，帶動從動軸，半鋼小車通過軌道推入改造小車內(nèi)，主動氣囊通過齒輪傳動組件帶動從動卷取氣囊，從而進一步帶動小車工字輪的轉動。如圖1 所示機械結構所示，兩輛小車機械配合后，可實現(xiàn)胎體簾布的正常傳動控制，生產(chǎn)過程中通過切換開關實現(xiàn)正常卷取。

圖1 改造卷取小車機械結構圖

1.1 卷取工位生產(chǎn)流程

四輥壓延生產(chǎn)線卷成的大筒胎體簾布經(jīng)過鋼絲簾布裁斷生產(chǎn)線導開、修邊后，按照生產(chǎn)線配方設置的所需規(guī)格尺寸，經(jīng)過定長裁切后，改變方向，從而改變鋼絲簾線的角度，運輸至拼接部位通過拼接機械手進行拼接，拼接機構采用糾偏系統(tǒng)保證前后兩塊簾布對齊，防止拼接錯位。拼接后的胎體簾布經(jīng)過卸料輸送至包邊進行貼膠片處理，再經(jīng)過卷取輸送帶輸送至卷取工位進行卷取，（如圖2）送往成型區(qū)域。卷取工裝小車轉動進行簾布卷取過程中，卷徑隨之增加，導致卷曲速度發(fā)生變化，造成簾布拉伸等問題。為保證卷取和生產(chǎn)線線速度匹配，需要通過直接測量卷徑方式實時測量卷取卷徑，并采用浮動輥PID 調(diào)節(jié)匹配前后線速度，從而給定卷取速度，保證簾布卷取質(zhì)量，防止物料拉伸。

圖2 卷取工位

2 卷取速度控制

卷取工位采用雙工位切換實現(xiàn)不間斷卷取工作，卷取裝置包括卷取驅(qū)動電機、卷曲工位變換電機、計長裝置、卷取儲料等部件。正常工作吋卷取驅(qū)動電機負責帶動簾布繞卷在工字輪卷軸上。設定滿筒情況的米數(shù)，待實際米數(shù)完成后停止卷取，由裁刀將其橫向裁斷，卷曲工位變換電機則驅(qū)動滿料的工字輪切換到一旁，備用的工字輪進入卷曲位置，進行下一輪的卷曲，左右工位循環(huán)工作，保證生產(chǎn)線的不間斷運轉，提高生產(chǎn)效率。當卷取儲料超出范圍時，調(diào)整卷取驅(qū)動電機速度，以免造成簾布拉伸或堆積。卷取工作過程，生產(chǎn)線速度與卷取速度的線速度需要保持一致。但是在控制電機時，我們只能控制轉速，通過計算卷徑來實現(xiàn)卷取速度控制。兩種規(guī)格小車卷軸中心不重合，因此需增加激光測距傳感器來檢測半鋼小車卷徑。

2.1 卷徑計算

采用直接計算方法進行卷徑計算，采集激光傳感器測量物料到傳感器安裝位置的距離，通過傳感器輸出的電壓信號與該距離成線性比例關系，進一步推算出物料實際卷徑。因此實際卷徑可以根據(jù)公式 1 進行計算。

Dmax為系統(tǒng)設置最大直徑；Dmin為系統(tǒng)設置的最小直徑 ；Umax為最大 直徑時超聲波傳感器輸出最大值；Umin為最小直徑時超聲波輸出最小值 ；U為當前模擬量反饋實際值。激光測距方式的主要特點在于程序計算簡單，但缺點在于物料隨工裝卷取過程中，襯布張力波動，以及工裝變形造成卷取直徑的波動，因此卷徑計算會有忽大忽小的波動，需對模塊模擬量輸入進行濾波處理。模擬量模塊參數(shù)設置，主要對模擬量輸入類型和采樣值進行平均數(shù)處理，從而保證卷徑計算穩(wěn)定。

本鋼絲簾布直裁生產(chǎn)線需要滿足三種工作方式：自動、局部手動和半自動?？刂葡到y(tǒng)采用三菱QQ03UDE 系列PLC 系統(tǒng)，采用CC-Link 高速現(xiàn)場總線確保通訊高效穩(wěn)定，并通過CC-Link 通訊鏈接遠程模擬量AJ65SBT-64AD 模塊，因此需要對遠程設備初始設置，完成模擬量數(shù)據(jù)讀取和平均值處理，具體設置如圖3 所示。圖3 設置參數(shù)，（RWwm+0）=0003 表 示 表 示 允 許CH1 和CH2 進 行 A/D 轉 換。（RWwm+1）=000 4 表示對CH1 和CH2 進行模擬量信號輸入類型選擇。

圖3 遠程設備站初始設置

CH1=4 信號輸入信號4～20 ma，CH2=0，輸入信號0～10 V，如表1 所示。

表1 輸入信號設定

（RWwm+2）=0033 表 示 對CH1 和CH2 兩 個 通道進行取平均值處理，如表2 所示。

表2 模擬量通道平均值設定

默認設置是所有通道4 次，通過設置后通道1 和通道2 設定值3H，設定采樣平均值32 次，從而保證卷徑計算值的準確性。

2.2 線速度計算

生產(chǎn)線整線線速度以拼接部位的速度為基準速度，簾布經(jīng)過定長裁切后送至拼接機構，經(jīng)機械手拼接后卸料輸送至卷取工位，因此通過計算拼接機構循環(huán)一次所需時間，程序處理后計算出一分鐘內(nèi)拼接效率，然后根據(jù)配方設定的裁切寬度計算出線速度，線速度計算公式如下

V為線速度，T1為1 min 也就是60 s，T2代表拼接完成一次所需時間，m代表裁切寬度，也就是拼接物料長度，根據(jù)以上公式，部分編寫程序如下圖4 所示。

圖4 線速度計算部分程序

上圖程序M124 表示拼接程序正在進行中，取出下個拼接啟動執(zhí)行信號M1068 觸發(fā)時通一次循環(huán)完成的時間和效率，進一步計算得出生產(chǎn)線速度V。

2.3 浮動輥PlD 整定

卷取工位與前一工位之間有固定深度的儲料兜，用于預留儲料空間，防止前后段速度因機械打滑等原因造成的速度不匹配，通過儲料彌補，防止簾布拉伸或堆料。因此該設備卷取安裝浮動輥，通過浮動輥調(diào)節(jié)匹配前后速度，因卷取小車尺寸變化，浮動輥正常工作位置和PID 參數(shù)需要重新調(diào)整修改。

圖5 浮動輥使用現(xiàn)場圖

如上圖所示浮動輥通過PID 參數(shù)調(diào)節(jié)，從而快速穩(wěn)定的調(diào)整前后速度。

PID 控制是應用于流量、速度、風量、溫度、壓力、配比等過程控制的一種控制方式。在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，圖6 所示為 PID 過程控制應用事例圖。

圖6 PID 過程控制應用事例圖

采用PID 控制生產(chǎn)線速度期間，將由浮動輥線性傳感器測量的值與預先設置的值進行比較，然后調(diào)節(jié)輸出值( 操作值) 以消除測定值與設置值之間的差。在 PID 控制運算中，通過組合比例動作(P)、積分動作(I)和微分動作(D)計算 MV(操作值)，使測量值(PV)迅速、正確地趨近于設置值(SV)。當 PV 與SV 的差增大時MV 增大，迅速地使PV 趨近于設置值；PV 與SV 的差變小后，減小MV，平緩、正確地將 PV 調(diào)節(jié)為與SV 相同?，F(xiàn)場實際設定PID 值通過主機屏幕設置，并查看輸出值曲線圖，從而調(diào)整值相對平穩(wěn)曲線，如圖7 所示。

圖7 PID 調(diào)整畫面和輸出曲線

2.4 收卷速度計算

根據(jù)線速度和轉速計算公式如下所示:

結合上述所示PID 浮動輥整定參數(shù)值，以及變頻器最大轉速給定值得出卷取轉速計算公式如下；

上述卷取角速度公式所示，N代為表卷取轉速度，V代表生產(chǎn)線速度，i代表傳動比。MV代表PID 輸出操作值，PV浮動輥調(diào)節(jié)量，D代表卷取直徑。

拼接后線速度V轉換成變頻器所需給定值，經(jīng)過浮動輥調(diào)整后速度除以傳動比i。傳動比i= 電機額定轉速/ 減速比。如現(xiàn)場電機銘牌額定轉速1 455 r/min，減速機速比56.92，計算得出傳動比值為25.6。卷取激光檢測出卷徑換算成周長值，從而得出變頻器相對應的卷取速度值。如圖8 所示部分卷取速度計算編輯程序?qū)崿F(xiàn)。

綜上所述配合程序和畫面切換開關實現(xiàn)半鋼和全鋼兩種卷取小車正常卷取，部分程序如下圖9 所示

圖8 部分卷取速度計算程序

圖9 兩種卷取小車正常卷取部分程序

3 結束語

通過現(xiàn)場、運行反饋，采用直接計算卷徑測量法、線速度控制方式和對浮動輥調(diào)整控制，能夠有效保證制品拉伸符合工藝要求，員工通過畫面切換按鈕實現(xiàn)TBR 和PCR 兩種卷取小車的切換控制，實現(xiàn)制品的正常收卷，保證設備正常工作，從而順利完成產(chǎn)能調(diào)整。正常使用過程中，員工切換操作簡單，通過畫面可實現(xiàn)一鍵切換。半鋼小車上料和卸料通過母車導軌定位推入拉出，使用效果良好，基本滿足生產(chǎn)需求。雙工位卷取切換，生產(chǎn)效率較高，換車基本不影響實際生產(chǎn)操作。同時經(jīng)過現(xiàn)場PID 參數(shù)調(diào)整，程序和浮動輥舒適值調(diào)整，保證卷取前后段速度匹配，防止物料拉伸。經(jīng)現(xiàn)場工藝測量后，滿足工藝質(zhì)量要求，卷取前后拉伸率≤1%, 卷取效果良好。