自動糾偏控制裝置設(shè)計(jì)研究

徐雪海++顧軍

摘要：糾偏控制系統(tǒng)是紙張回卷機(jī)的核心部件，決定回卷后的紙卷邊緣整齊程度及回卷機(jī)性能。介紹自動糾偏系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，使用超聲波糾偏傳感器，設(shè)計(jì)制造一種具有自動糾偏裝置的紙張回卷機(jī)。糾偏性能測試結(jié)果表明：采用類似恒張力控制回卷機(jī)時，不要設(shè)定過大的張力。

關(guān)鍵詞：糾偏系統(tǒng)；糾偏傳感器；邊緣檢測器；回卷機(jī)

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

常見回卷機(jī)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(jīng)過回卷后，在收卷軸上得到一個邊緣整齊的紙卷，實(shí)現(xiàn)資源的再利用。整個過程中，糾偏控制系統(tǒng)的作用舉足輕重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，使用糾偏系統(tǒng)可節(jié)約材料10%～20%。

1 回卷機(jī)的結(jié)構(gòu)

回卷機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動。機(jī)器大多由PLC（可編程控制）控制，高端機(jī)器采用HMI（人機(jī)界面）來操作，低端機(jī)器則由簡單的電氣按鈕來完成操作。

2 回卷機(jī)的糾偏系統(tǒng)

一套典型的自動糾偏系統(tǒng)包括糾偏控制器、糾偏傳感器、糾偏框架及驅(qū)動器，是一個典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)（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(shí)際位置及與設(shè)定位置的偏移量，并將偏移量轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號，再將電信號送入控制器；信號經(jīng)過控制器放大、校準(zhǔn)后，輸出至線性驅(qū)動器；線性驅(qū)動器根據(jù)信號的大小，驅(qū)動糾偏導(dǎo)正機(jī)構(gòu)，將偏移的紙張恢復(fù)至設(shè)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(jī)。

2.1.1 紅外線傳感器 光源發(fā)出的紅外線光線由透鏡轉(zhuǎn)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(dá)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(fā)出的光線經(jīng)透鏡變?yōu)槠叫泄馐断驎弁哥R，被會聚的光斑落到光電池E1上。在平行光束到達(dá)會聚透鏡的途中，有部分光線受到被測紙張的遮擋，使到達(dá)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(bǔ)償作用。當(dāng)紙張?zhí)幱谡_位置（中間位置）時，由運(yùn)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(dāng)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(dǎo)致A3的輸出電壓Uo3為負(fù)值（它反映紙張跑偏的方向及大小）。經(jīng)處理被送到伺服電機(jī)，向左推動紙張機(jī)構(gòu)，達(dá)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(fā)射端發(fā)出由振蕩產(chǎn)生的超聲波，頻率可達(dá)220 kHz。在超聲波發(fā)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(jīng)電路轉(zhuǎn)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(jī) CCD照相機(jī)的最大的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍廣。CCD照相機(jī)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(jī)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(zhí)行結(jié)構(gòu)及其工作原理

糾偏感應(yīng)器監(jiān)測紙張的運(yùn)行，并將信號發(fā)送給控制器。控制器發(fā)現(xiàn)紙張有位置漂移后，根據(jù)控制者預(yù)先設(shè)定的指令，通過驅(qū)動器控制糾偏框架擺動，糾正紙張位置。其驅(qū)動系統(tǒng)使用低速同步、變頻調(diào)速、步進(jìn)及伺服電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動行程與卷材偏移量成嚴(yán)格的比例關(guān)系。

糾偏執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖9所示。紙張方向經(jīng)過4次90°轉(zhuǎn)彎，纏繞在一對可旋轉(zhuǎn)的滾軸上，旋轉(zhuǎn)架的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位于第一根旋轉(zhuǎn)軸的中心（圖9中的1點(diǎn)）。糾偏量等于兩軸間距（又稱移動跨距L2）乘以控制設(shè)備旋轉(zhuǎn)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(dāng)紙張右偏時，輸出電壓為負(fù)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(dāng)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(jīng)過控制器放大、校準(zhǔn)后，輸出至線性驅(qū)動器伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)信號的正負(fù)值來決定順時針還是逆時針轉(zhuǎn)動滾軸，同時伺服電機(jī)根據(jù)信號大小確定旋轉(zhuǎn)幅度，最終將偏移的紙張恢復(fù)至設(shè)定位置。

3 回卷機(jī)糾偏性能測試

此次設(shè)計(jì)的回卷機(jī)主要用于背襯紙的回卷。背襯紙其中一面涂有有機(jī)硅防粘涂料，常用于標(biāo)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(jī)的核心部件糾偏控制系統(tǒng)由超聲波傳感器和框式糾偏機(jī)構(gòu)組成。

回卷機(jī)的放卷軸和收卷軸有兩臺伺服電機(jī)和兩根氣漲軸組成，整臺機(jī)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(shè)定的紙卷張力。

為驗(yàn)證機(jī)器的糾偏能力，進(jìn)行一系列機(jī)器糾偏性能試驗(yàn)，結(jié)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(xiàn)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(tài)，分析是過大張力使紙卷內(nèi)部擠壓而出現(xiàn)錐形。因此，采用類似恒張力控制的回卷機(jī)時，建議不要設(shè)定過大的張力。在設(shè)計(jì)回卷機(jī)時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的糾偏控制系統(tǒng)及張力控制系統(tǒng)，才能確保獲得邊緣整齊的紙卷。