淺析ZB416型高速包裝機鋁箔紙換卷機構及余量算法控制

黃春赟 劉謙 雷耀文 農赟 李季

【摘? 要】ZB416型包裝機組是中國自主研發的新一代高速卷煙包裝機組，ZB416型高速包裝機通過一套自動供紙裝置，將成卷的鋁箔紙展開后輸送給ZB416型包裝機。論文對自動供紙裝置余量控制及算法原理進行探析，同時，引入一種更加精準便捷的脈沖直徑計算邏輯與大家探討研究。

【Abstract】ZB416 packaging unit is a new generation of high-speed cigarette packaging unit independently developed by China. ZB416 high-speed packer uses a set of automatic paper feeding device to unfold the roll of aluminum foil and transport it to ZB416 packer. The paper analyzes the margin control and algorithm principle of automatic paper feeding device， and at the same time， introduces a more accurate and convenient pulse diameter calculation logic to discuss with everyone.

【關鍵詞】鋁箔紙;ZB416;自動換卷;卷形材料;直徑計算

【Keywords】aluminum foil paper; ZB416; automatic roll changing; roll material; diameter calculation

【中圖分類號】TS43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0189-02

1 ZB416型包裝機鋁箔紙余量與換卷裝置的原理及控制邏輯

1.1 自動供紙裝置結構組成及功能

ZB416型包裝機自動供紙裝置主要由自動裝紙、自動換卷、自動拼接3個部分組成，通過Ether CAT總線將子站信號與主電柜倍福PLC進行邏輯電信號的控制[1]。自動換卷部分通過1個旋轉盤架進行鋁箔紙輔料的自動供給，旋轉盤架設計一備一用2個夾紙器形成2個工位。旋轉盤低工位主要配合自動裝紙部分進行新卷鋁箔紙的安裝和在用鋁箔紙備用切換，高工位為在用工位。工作位置的自動轉換，根據在用工位直徑永遠小于備用工位直徑的原則，當備用工位卷紙被切換使用后，達到預設條件，2個工位相互切換，以達到循環裝載新鋁箔紙卷的目的。

1.2 余量與換卷裝置的機械結構組成

在旋轉盤后方共有2個檢測鐵片用于余量判斷和轉換條件判斷，系統中未做固定工位的識別設計，即旋轉盤在任意工位功能相同、動作相同。旋轉盤的旋轉由機座后方的1個電機控制;轉盤2個夾紙器的旋轉由松卷電機拖動，由1個電磁剎車控制松卷張緊程度。每個工位的機械結構完全相同，通過1個側壓單向彈簧擺桿反饋鋁箔紙直徑，單向彈簧擺桿（1）在裝置面背部與1個檢測鐵片（5、6）形成等角度旋轉對應關系，即鋁箔紙直徑大-擺桿開度大-檢測鐵片開度大的原理;當檢測鐵片（5、6）旋轉開度變小至觸發固定在機座上的換紙余量接近開關，PLC系統通過余量接近開關反饋的模擬量信號判斷鋁箔紙余量狀態（見圖1）。這種設計雖然機械結構巧妙，能高效實現有限位置的2卷鋁箔紙快速在線切換，但易發生余量控制不精準的情況。在自動換卷裝置夾紙器擺桿旋轉軸后方，設計了1個側坡面臺階。隨著擺桿跟隨鋁箔紙直徑變化，實現一顆平頭釘隨著余量擺桿開度形成軸向運動變化（見圖2）。平頭釘與機座的線性接近開關成對應控制關系，線性接近開關將軸向距離的變換轉換為0～10V的電信號傳遞給PLC。一是在備用工位被使用時，通過這個模擬量的反饋值，判斷當前紙卷使用的余量，當反饋電壓等于X（V）時，立即觸發工位互換，使得低工位夾紙器處于一個空置待料狀態;二是通過這個模擬量的反饋，來判斷當前轉盤是否旋轉到位，且夾紙器裝載狀態是否為空。該種方式設計較為巧妙，但在同一轉盤上的2個紙夾器建議使用特殊設計的工裝進行標準位置調整，使2個夾紙器平頭釘在2個工作位置反饋距離一致，否則需要在線裝配反復調整。

1.3 程序邏輯及人機界面控制

余量控制使用了物理式的檢測鐵片（5、6），為彌補機械調整上的誤差，人機界面設計了一個補充控制邏輯：當觸發換紙信號開關時，繼續運行0～1000包作為一個允差范圍調整參數來實現余量控制的微調。換卷控制使用的軸向運動平頭釘在備用位置工作時發生作用，在人機界面上設置模擬量傳感器反饋電壓X（V）來進行物理條件的補償微調。因傳感器存在性能差異和漂移問題，可以通過人機界面的實時反饋值，作為調整參數及調整檢測的判斷依據。

1.4 建立標準裝配調整方法和快速調節工裝的設計思考

為減少自動換卷部分工作異常，建議設定和使用標準調整方法及標準調整工裝來對該部分進行快速維修和日常校準。工裝的設計與結構，根據夾紙器固定法蘭的螺絲孔及安裝在旋轉盤架的深入空間幾何特點，制作一個外部的緊固裝置。該裝置針對檢測鐵片（5、6）和軸向運動平頭釘2個關鍵檢測點設計有固定的參照物結構，即通過參照物結構可以統一調整安裝在工裝上的夾紙器檢測鐵片（5、6）旋轉開度;通過參照物結構可以頂至某個參照體使軸向運動平頭釘伸出的長度為一個相對固定的尺寸。通過工裝的設計及使用，規定了檢測鐵片（5、6）的旋轉開度和軸向運動平頭釘伸出的長度，當夾紙器出現故障和異常時，將夾紙器套入工裝后即可調整成標準角度及標準伸長距離。當生產使用者有多臺該類設備時，套用該工裝可以節約調整的觀察工時及調整拆裝工時，極大提升生產效率。在配合調整工裝使用的同時，需要根據模擬量傳感器自身質量特性進行一個配合調整。例如，針對某批次、某品牌，在同等距離的檢測范圍內，反饋電壓差值大于0.5V時會導致控制不精準的情況。此時，將夾紙器套入工裝調整完畢后，裝入旋轉盤架。根據此時空置狀態下的反饋電壓設定成標準電壓Z（V），將傳感器軸向移動后滿足標準電壓作為調整基準，即可統一調整方法及統一設備結構尺寸達到標準化目的。

2 一種穩定高效的脈沖控制算法

物理式余量與切換控制雖然簡單可靠，但在控制上美中不足。如通過脈沖齒盤方式來計算卷形材料直徑，可將余量精確成常用的計量單位或不受機械調整影響的一個穩定參量進行控制，可提高控制精準度。

2.1 脈沖式直徑控制算法概述

在瞬時速度相對恒定的情況下，通過機電轉換的方式使卷形材料松卷過程轉換成周期電信號，通過信號的頻率可以計算出鋁箔紙卷的旋轉速度。紙卷材料可簡化為等直徑旋轉，松卷速度方向為卷形材料的切向線速度，該速度在計算卷形材料的理想瞬時狀態下為恒定值。即卷形材料在松卷過程中，通過類似編碼盤結構發出的周期脈沖與卷形材料直徑存在固定的正比例關系。一般理解為松卷速度恒定的狀態下，直徑越小，脈沖頻率越大。因此，通過這種無接觸、免調整的機電轉換方式，計算松卷材料的瞬時直徑而不需要依賴機械結構精準配合來實現鋁箔紙的余量與換卷功能。

2.2 實際運用實驗

2.2.1 單包脈沖速比的簡單模型

以ZB416為例，與夾紙器同步的傳動軸承上安裝1個直徑為10cm、占空比等分的12齒脈沖齒盤，由此得出單包車速脈沖數量：單包車速脈沖數量=瞬時齒盤脈沖數量÷瞬時帶料生產實際車速（包/min）齒盤脈沖頻率會隨著卷形材料余量的減少而反比例增加，在每包煙使用的鋁箔紙長度固定的條件下，形成一個固定比例關系。當帶料運行瞬時時刻，單包車速脈沖頻率僅與卷形材料剩余直徑有關，即單包車速脈沖數量不受車速變化影響，而脈沖頻率反映鋁箔紙剩余量。當使用這個參量控制時，僅在程序上判斷脈沖數量大小關系即可實現余量精準衡量控制。卷形材料松卷與一個旋轉脈沖齒盤做機械同步，脈沖齒盤配合高速脈沖開關，松卷過程中產生的旋轉速度通過脈沖齒盤轉換成脈沖，脈沖頻率與卷形材料剩余量為反比例關系。

2.2.2 將頻率轉換為實際直徑的量化模型

鋁箔紙松卷所產生的脈沖頻率和鋁箔紙當前旋轉直徑有固定比例關系。通過查閱相關資料和現場實際論證我們發現鋁箔紙直徑與車速、鋁箔紙直徑與脈沖齒盤輸送的脈沖頻率有以下關系：假設鋁箔紙每轉一圈的頻率為F，則周期為T=1/F;半徑（r）=線速度（s）/角速度（w）;線速度（s）=鋁箔紙長度（l）*車速（u）（車速單位為：包/s）;角速度（w）=2π/T;鋁箔紙當前旋轉半徑R=l×u×T/2π。

由以上公式可以簡單快捷地得到帶料運行狀態下當前鋁箔紙的直徑。

2.3 程序邏輯及人機界面控制

使用脈沖頻率—直徑的模型，可在人機界面中設定當前脈沖數的顯示、換紙脈沖頻率設定、換盤脈沖頻率設定這3個參量。脈沖數的顯示用于監視當前運行狀態;換紙脈沖頻率設定越大，使用剩余量越小;換盤脈沖頻率設定越大，工位切換時直徑越小。因PLC反饋及通信等原因，可以將速度顯示反饋靜態之后0.5s同時保留5位有效數字顯示，可便于設備操作者的觀察及調整。

使用將頻率轉換為實際直徑的量化模型，可在現場實際驗證文中公式是否正確的前提條件下，根據PLC軟件及PLC應用特點，將對應公式轉換成人機界面的1個參數。操作者僅需用尺子測量具體剩余量，對應參數的參數設置后即可簡單直觀地實現原有的余量控制和轉換控制。

【參考文獻】

【1】《煙機設備修理工包裝專業知識》編寫組.煙機設備修理工包裝專業知識[M].鄭州：河南科學技術出版社，2013.