基于電子齒輪的定長切割裝置控制方法優化研究

趙鑫 朱奕希

摘要：針對切換電子齒輪的定長切割無法及時對偏移量進行補償的問題，介紹了定長切割裝置的構成，介紹了傳統的伺服電機三環控制策略，提出了一種改進的基于電子齒輪的內框紙定長切割控制方法，優化后的定長切割方法可以實現當前周期對誤差進行補償，并在ZB48機組上進行了試驗，優化后的控制方法實現了更高的定長切割精度，大大減少了電機的跟隨誤差，提高了電機的運行穩定性。

關鍵詞：電子齒輪；定長切割；伺服電機；內框紙

0引言

伺服電機因其具有控制精度高、高速運行穩定等優點在煙草包裝機中得到大量應用[1-2]，傳統的凸輪、齒輪等機械結構逐漸被伺服電機所取代。根據卷煙包裝的發展需求，卷煙廠為了實現更加豐富的煙盒包裝形式，包裝材料如內框紙、盒外透明紙等逐漸由傳統的無圖案變為有特殊圖案或活動宣傳二維碼。這就需要對內框紙、透明紙等包裝材料進行固定長度的裁切，且使得每一個裁切下來的紙張上的圖案均在同一位置，這就是定長切割功能，對于卷煙包裝設備，各原輔材料裁切誤差一般不超過±0.5 mm。

本文基于 ZB48A 型卷煙包裝機組，設計了一種基于伺服電機的內框紙定長切割裝置，采用電子齒輪取代常規的機械齒輪對內框紙輸送輥進行控制，對傳統的切換凸輪曲線控制方法進行優化，實現了更高的定長切割控制精度和電機穩定性。

1定長切割裝置

內框紙定長切割裝置主要包括內框紙輸送輥伺服電機、色標檢測器及放大器等，切刀輥則通過機械連軸跟隨主電機運動，控制系統硬件包括伺服控制器、伺服驅動器、伺服電機、PLC 。伺服控制器與驅動器之間采用SERCOSⅢ總線通訊，SERCOSⅢ的循環掃描時間為1 ms，PLC 與伺服系統之間采用EtherCAT總線通訊。

通過將色標傳感器感應到內框紙上的色標標記時伺服電機邏輯編碼器位置與計算得到的標準位置進行比較，得到該工位上偏差值，通過控制輸送輥輸送快慢改變輸送長度以補償該偏差值，使得每個工位上的內框紙長度保持一致的同時每張內框紙上圖案偏差在要求的±0.5 mm 以內。

2控制策略

2.1伺服電機控制策略

單電機伺服控制采用電流、速度、位置的三環控制[3]。電流環為三環控制中的最內環也是最復雜的一環，將采集到的 U、V、W 三相電流經 Clark 變換為靜止坐標系αβ下的兩相正交電流之后，再經Park 變換轉換為 d、q 軸電流，將得到的 d 軸電流與給定電流值比較得到d 軸電流偏差值，得到的 q 軸電流與0作比較得到 q 軸電流偏差值。d 軸與q 軸電流偏差值經 PI 控制器后將所得 d、q 軸電流修正值，之后經過逆 Park、逆 Clarke 變換得到目標 UVW 三相電流，而三相電流直接決定了電機的扭矩出力。速度環是將當前速度值與目標速度值進行比較得到速度偏差值，之后經 PI 控制器得到速度修正值送入電流環，通過控制伺服電機電流達到控制電機轉速的目的。位置環是三環控制中的最外環，通過將當前電機位置與目標位置進行比較，經 PI 控制器之后得到位置修正值，通過控制電機速度使電機至運行目標位置。伺服電機的三環控制都在伺服驅動器中實現[4]。

2.2改進前的定長切割控制方法

定長切割方法主要是直接參與伺服電機三環控制中的位置環控制，通過控制伺服電機位置進而控制電機轉速，目標速度決定了電流環的目標電流[5]。根據內框紙切割長度及色標在內框紙上的位置，可由式（1）計算得出電機目標位置，將由電機編碼器反饋的當前位置與目標位置作比較，計算得出位置偏差值。將該偏差值作為運行在電子齒輪下的從軸周期長度的補償值，進而得出下一周期電子齒輪的新的周期長度，使得從軸電機的電子齒輪根據補償值不斷變化。但這種控制方法只能將本周期計算得到的補償值在下個周期進行電子齒輪的切換，由于 ZB48A 機組內框紙部件速度較快，可達700包/min，尤其當觸發檢測的標位處于周期的前端時，會導致糾偏時間間隔較長，而在這段時間內內框紙偏移量可能已經發生改變。如果不能及時將補償值加入反饋中進行糾偏，會使得電機累計誤差不斷增大，內框紙會發生堵塞、斷裂等情況，進而影響機組穩定運行[6]。

其中，P ref 為電機目標位置；

Pmark為色標傳感器感應時電機位置；

Cvel為主軸速度矯正系數；

Lframe為內框紙長度；

F 為電機進給周期常數。

2.3改進后的定長切割控制方法

改進后的定長切割控制框圖如圖2所示，在位置、速度、電流三環控制的基礎上，

在位置反饋上添加YOffset環節，通過伺服電編碼器獲得實際色標位置與給定色標位置進行比較，從而觸發YOffset使能。其中，mechanic 為電流環干擾，包括負載轉矩 J-Load、齒輪轉矩 J-Gear、齒輪比GearIn/ GearOut以及進給常量FeedConstant等。電機編碼器獲取電機位置P_Feedback進行反饋，通過與時間微分得到速度的反饋值V_Feedback。改進后的控制策略可改善改進前切換電子齒輪方法無法在當前周期就對當前檢測出的偏離值進行糾偏的缺點，避免了累加誤差的產生。

3軟件實現

采用施耐德運動控制軟件Somachine Motion 進行伺服程序的編寫與設計，編程語言和規范符合 IEC61131-3標準，PLC 程序采用 TWINCAT3進行編寫調試。邏輯控制總體框圖如圖3所示，分為標位功能啟用與不啟用兩種模式，其中標位功能啟用時，由于伺服電機與內框紙輸送輥連接，因此從軸電機與主軸嚙合采用的為熱啟動模式，即伺服電機需要在嚙合過程中轉動到與主軸匹配的相位，這樣不僅可以實現電氣位置的嚙合，也實現了機械結構上位置的嚙合。不啟用色標功能時采用冷啟動模式，即直接將電機邏輯編碼器位置寫為與主軸位置匹配的位置度數，只需要電氣意義上的嚙合，不需要機械結構上位置的嚙合。

YOffset部分的控制邏輯如圖4所示，其中 Threshold 為觸發補償糾偏的閾值，Reject 為觸發剔除的閾值。判斷標位是否抓取成功，如果色標傳感器連續三次沒有捕獲到色標則報錯停機；判斷抓取到的偏差值是否大于剔除閾值，如果連續剔除過多，則報錯停機。因此，只有偏差值在 Threshold 和 Reject 之間時YOffset才會對偏差進行補償。

4樣機試驗

如圖5為內框紙定長切割裝置樣機，采用施耐德 LMC300伺服控制器，LXM52驅動器，伺服電機采用 SH3系列電機，PLC 控制采用倍福 CX2030系列。

4.1試驗條件

試驗樣機為 ZB48A 機組，試驗速度為600包/min，內框紙規格為35.5 mm，試驗控制參數如表1所示。

4.2試驗結果

圖6和圖7分別為利用下一周期切換電子齒輪NewCam方法和優化后的YOffset方法控制下的電機運行狀態波形，從圖中可以看出，利用NewCam方法控制下的電機由于累計誤差的產生導致補償糾偏較為頻繁，且從軸電機與主軸之間的跟隨誤差在±0.1之間，這就會導致累計誤差增大與補償頻繁之間的循環。優化后的YOffset控制下的電機可在當前周期就將偏差值補償，因此補償糾偏的頻率大大減少，且從軸電機的跟隨誤差只有±0.01。

樣機存在左右兩卷內框紙材料，當一卷檢測到直徑達到最低限度或檢測到由于原輔材料制作產生的內部接頭時會產生拼接動作[7-8]。對于內框紙定長切割裝置而言，必須在新的一卷內框紙輸送前進行重新再次尋零，如圖8為拼接發生時伺服電機運行參數波形圖。

從圖中可以看出，拼接開始時，主軸首先進行降速，經過7個工位之后伺服電機切換到 stop 曲線停止運行準備進行新的尋零動作，此時主軸繼續保持運行以將前一卷殘留的內框紙材料開完給新一卷的材料預留尋零空間，此時切割出來的內框紙需要進行剔除。在拼接開始13個工位之后，主軸停機，此時從軸伺服進行尋零，尋零完成后，主從軸嚙合動作，繼續進行定長切割運轉，最先切割出的兩張內框紙需要剔除。

5 結束語

通過試驗可以看出，優化后的方法使得內框紙定長切割的精確度更高，且電機與主軸之間的跟隨性更好，機組運行時因內框紙定長裝置導致的堵車、斷裂進而停車的故障率更低，降低了煙包剔除率及故障停機導致的經濟損失。目前，該內框紙定長切割裝置已在柳州卷煙廠、昭通卷煙廠等正常生產使用。

參考文獻：

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[7] 韓蕓，陳黎.ZB48型硬盒硬條包裝機組（電氣部分）上冊[M].鄭州：河南科學技術出版社，2021.

[8] 韓蕓，陳黎.ZB48型硬盒硬條包裝機組（電氣部分）下冊[M].鄭州：河南科學技術出版社，2021.