薄膜分切機(jī)的廢邊收卷機(jī)實(shí)用控制應(yīng)用

張帆，陳奕良

( 廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

廢邊收卷機(jī)廣泛應(yīng)用于薄膜分切機(jī)的裁切廢邊卷取，配套此設(shè)備可以減少分切機(jī)浪費(fèi)兩個(gè)工位用來卷取裁切的廢邊的現(xiàn)象，可以有效提高分切機(jī)的工作效率。張力控制是卷繞系統(tǒng)的核心重點(diǎn)，良好的張力控制能有效地使載帶收卷到卷筒上，并控制張力的穩(wěn)定，不發(fā)生張力波動，避免發(fā)生載帶擠壓、斷裂等現(xiàn)象。

1 收卷機(jī)械組成

該設(shè)備機(jī)械部分由分切機(jī)刀槽輥和收卷機(jī)組成，如圖1 所示。R1 為刀槽輥，也做為系統(tǒng)的速度輥，由電動機(jī)驅(qū)動，輥面上有分切刀，可以將放卷過來的薄膜材料分切為不同的規(guī)格，其中兩邊的廢邊條由廢邊收卷機(jī)的卷繞輥卷R2 取收集，卷繞輥也由電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動?？梢宰⒁獾降氖?，廢邊載帶在卷取之前有經(jīng)過擺輥機(jī)構(gòu)R3，擺輥以支架中心做來回?cái)[動，其往廢邊載帶卷取的方向安裝有氣缸，當(dāng)氣缸接入壓縮空氣時(shí)，作用于載帶上的張力為輥重力在卷取方向分力與氣缸對其作用力之和。由于擺輥擺角較小，擺動過程中重力分力基本不變，因此直接改變氣缸的壓力就能調(diào)整薄膜的張力，張力大小與膜卷直徑無關(guān)。氣缸旁裝有滑動變阻器，可以隨著擺輥擺動改變施加在變阻器的反饋電壓，控制器接收反饋電壓信號可以檢測出張力的變化，從而進(jìn)行PI調(diào)整后控制卷取速度，保持薄膜張力恒定。此外，廢邊收卷機(jī)有一個(gè)橫向擺動絲桿，在廢邊卷取時(shí)可以進(jìn)行橫向來回游動，絲桿由電機(jī)和行程開關(guān)等部件進(jìn)行左右正反轉(zhuǎn)運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)來回游動，以保證廢邊在卷繞輥卷取的橫向均勻性。采用浮動輥測量張力，能有效克服張力突變，緩沖載帶的拉伸，防止載帶斷裂，有利于提高生產(chǎn)效率。

圖 1 廢邊收卷機(jī)系統(tǒng)簡圖

2 張力控制實(shí)現(xiàn)方法

所謂載帶卷取張力，其實(shí)從本質(zhì)上來看就是收卷在卷繞時(shí)卷材保持與速度輥載帶主速度形成一定的微小正速度差，要控制張力穩(wěn)定，則需要控制卷材的線速度基本恒定，即卷材線速度V2=V1+dV，V1為速度輥主速度，dV為速度差，也就是形成張力的表現(xiàn)。由于卷材在卷繞過程中直徑會不斷增大，所以在控制上不能夠給定固定的線速度給電動機(jī)，這就需要進(jìn)行卷材的卷徑計(jì)算，因?yàn)榫聿木€速度=Pi× 卷徑 × 電動機(jī)轉(zhuǎn)速 / 傳動減速比，其中速度輥的主速度V1是已知的，那么最重要的就是計(jì)算出當(dāng)前卷徑。

常用的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是由變頻器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，而變頻器的轉(zhuǎn)速指令來源是上位控制器比如PLC的模擬量輸出模塊給定的0～10 V 模擬量，模擬量為零時(shí)對應(yīng)轉(zhuǎn)速指令0 r/min，而模擬量滿量程10V 時(shí)對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速指令比如1 500 r/min。于是在本文控制系統(tǒng)中，變頻器的速度模擬量給定滿量程=Pi× 卷繞輥直徑（就是空卷徑） × 電動機(jī)最大轉(zhuǎn)速/ 傳動減速比。

在卷繞過程中，開始時(shí)卷材作用在擺輥上的拉力與擺輥?zhàn)陨淼闹亓蜌飧椎耐屏ο嗥胶猓瑪[輥處于中間的平衡位置。隨著卷徑的等大，擺輥向卷取方向擺動，帶動滑動變阻器滑動，使變阻器反饋電壓偏離了原平衡點(diǎn)電壓值即“ 電子尺電壓SV”。當(dāng)前信號“ 電子尺電壓PV” 與“ 電子尺電壓SV” 比較，得出偏差值，經(jīng)過經(jīng)典比例積分運(yùn)算后，調(diào)整PI控制器輸出值百分比，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，擺輥又回到原來得平衡位置，從而卷材得張力恢復(fù)到設(shè)定張力。在整個(gè)卷繞過程中隨著膜卷直徑的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷進(jìn)行調(diào)整，使薄膜載帶的張力保持恒定。

3 收卷機(jī)的速度控制

3.1 速度給定的方法

上文提到的擺輥PI 控制器的輸出值百分比，如果直接給定到卷繞輥?zhàn)冾l器的速度給定，那100% 的輸出就是對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速，這樣簡單粗暴的給定方式顯然是不合理的，容易造成卷繞速度波動大、張力控制難以穩(wěn)定、甚至載帶斷邊飛車等現(xiàn)象。

一般卷取機(jī)的最大線速度和主機(jī)速度輥的最大線速度是基本一致的，所以變頻器的模擬量速度給定可以乘上（速度輥當(dāng)前主速度V1除以卷取機(jī)最大線速度），這樣就算PI控制器輸出100% 時(shí)，卷繞輥在空卷狀態(tài)下的最大速度也基本和速度輥的主速度一致，這樣在起卷收卷的過程中都會比較平穩(wěn)，擺輥也可以迅速做出預(yù)期內(nèi)的反應(yīng)動作。然而要取到最佳的控制效果，則必須讓上文所講的卷徑計(jì)算參與其中，因?yàn)榫砝@過程中直徑是不斷增大的，如果只是給定固定的主速度V1過去，卷繞輥的基本角速度是不會隨直徑遞減的，這時(shí)將V1乘上空卷徑后除以估算卷徑，就可以得到會隨直徑增大的遞減主速度。

本文的控制系統(tǒng)的收卷機(jī)速度控制的程序代碼如下：

# 收卷最大線速度 := # 空卷徑 * 3.141593 * # 輸出最大轉(zhuǎn)速 / # 減速比;

#速度系數(shù) := (#主速度+#偏置速度) * #空卷徑)/ (# 收卷最大線速度 * # 估算卷徑);

" 模擬量速度給定# 變頻器" := - REAL_TO_INT("PID_Compact_ 擺輥".Output * 276.48 * # 速度系數(shù));

// 注："PID_Compact_ 擺 輥".Output 為0～100，而模擬量0～10V 對應(yīng)的程序數(shù)字量是0～27648

3.2 卷徑計(jì)算的方法

主流卷徑計(jì)算的方法有速度計(jì)算法、度積分法、外部卷徑傳感器輸入法。度積分法根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累加或遞減，對于線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)和求輸入材料厚度，操作較為繁瑣。而外部卷徑傳感器輸入法需要購置和安裝卷徑傳感器，在大多場合也并不方便。所以本文控制系統(tǒng)采用的是速度計(jì)算法，通過系統(tǒng)當(dāng)前線速度和變頻器輸出頻率計(jì)算卷徑。

公式如下：

D——所求卷徑；

I——機(jī)械傳動比；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

V——線速度。

但需要注意的是，上面公式中的n實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速在許多控制系統(tǒng)中并不能獲得，因?yàn)楸仨殢淖冾l器讀取，讀取的方式一般為通訊或者模擬量輸入，這樣上位機(jī)系統(tǒng)必須增加通訊模塊或者模擬量輸入模塊，因?yàn)槌杀疽蛩睾芏嗟投藱C(jī)型并不具備這樣的條件，所以本文的控制系統(tǒng)就解決了這個(gè)難題。本文的解決方案是利用擺輥處于平衡位置時(shí)的變頻器的模擬量速度給定做為當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行卷徑計(jì)算，程序代碼如下：

雖然這樣得出得估算卷徑精度不高，但在擺輥參與調(diào)速的張力系統(tǒng)中也滿足使用。

3.2 擺輥PI 控制器的優(yōu)化

傳統(tǒng)的PI控制器的比例增益P和積分時(shí)間I在控制器工作時(shí)是固定不變的，這在線速度不是一成不變的收卷機(jī)張力控制系統(tǒng)中會存在不同線速度時(shí)PI控制器的PI參數(shù)并不適合的現(xiàn)象，比如低速和加減速時(shí)，收卷機(jī)卷繞過程需要克服的傳動阻力較大，這時(shí)需要較靈敏的PI參數(shù)來控制張力，此時(shí)的P值較大，I值較小。而高速巡航卷取時(shí)，是恰恰相反的情況，這時(shí)需要溫和的PI參數(shù)，此時(shí)P值較小，I值較大。那么讓PI值隨著線速度呈線性變化是有必要的，可以設(shè)置自己想要的變化斜率讓P值隨線速度遞減，I值隨線速度遞增，本文控制系統(tǒng)針對此的程序代碼如下：

4 結(jié)語

廢邊收卷機(jī)廣泛應(yīng)用于薄膜分切機(jī)的裁切廢邊卷取，各設(shè)備廠商普遍存在著廢邊收卷張力控制不穩(wěn)，不同厚度的載帶難以適應(yīng)的現(xiàn)象。本文提出的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，采用改進(jìn)的收卷張力控制器的設(shè)計(jì)方法，在投入生產(chǎn)運(yùn)行中，獲得了較好效果，有效解決了廢邊收卷機(jī)長期以來的控制難題。