伺服電子凸輪在切紙機切紙輥上的應用

馬文明 武 坤 楊 娜 趙金國

(西京學院，陜西西安，710123)

·切紙輥·

伺服電子凸輪在切紙機切紙輥上的應用

馬文明 武 坤 楊 娜 趙金國

(西京學院，陜西西安，710123)

針對切紙機切紙精度低的問題，設計了送紙輥以變頻調速控制，在送紙輥后面安裝能夠準確測量紙張速度的測速輪，將測得紙張的線速度作為伺服控制的主軸速度輸送到伺服驅動器，伺服驅動器選擇伺服電子凸輪控制的方式驅動切紙輥的運行，使得切紙精度和穩定性得到提升，經過現場調試和長期運行可以將切紙精度控制在±0.5 mm以內。

切紙機；切紙精度；電子凸輪

通過對整個切紙機生產線的機械結構、剪切工藝和工作原理的分析[1-3]得出，切紙機控制系統設計的關鍵點是如何使送紙輥和切紙輥的速度保持同步。

通過查閱文獻[4-5]可知，變頻調速控制切紙輥電機不能滿足切紙機所切紙張的高精度要求，而伺服控制可以滿足需要的位置跟隨性能，能夠很好地提高切紙機對紙張的剪切精度，所以根據切紙精度的要求，使用匯川伺服驅動器內的電子凸輪進行速度跟隨控制，在送紙輥后面安裝能夠準確測量紙張速度的測速輪，將其測量的紙張速度作為主軸速度輸入到伺服驅動器中，匯川伺服驅動器根據切長和紙張速度等數據計算得出電子凸輪曲線，驅動伺服電機對紙張速度進行實時跟隨，伺服電機的編碼器向驅動器反饋脈沖數，驅動器對電機輸出軸的位置進行修正。

1 切紙機的硬件結構設計

對送紙輥進行速度控制，用西門子MM440變頻器和安裝在送紙輥電機軸端的旋轉編碼器構成一個速度閉環控制系統，如圖1所示。通過觸摸屏將設定的初始速度通過PLC傳遞給變頻器，變頻器驅動送紙輥電機工作，同時安裝在送紙輥電機上的旋轉編碼器檢測到送紙輥速度，并反饋到變頻器，變頻器對速度進行調節，然后輸出控制電機運轉，從而使送紙輥相對穩定地運行。對送紙輥采取變頻調速控制，允許它的速度有波動和偏差，在后面切紙輥的伺服隨動控制中，將會消除這種誤差。

圖1 送紙輥與切紙輥速度控制結構圖

用PLC作為運動控制的核心來控制送紙輥的變頻器和切紙輥的伺服驅動器，把送紙輥的速度作為整個控制系統的主軸由變頻器控制，切紙輥的速度作為控制系統的從軸由伺服驅動器來控制，安裝在送紙輥電機軸端的旋轉編碼器采集到送紙輥的速度或位置信

號，然后輸送到控制中心PLC內部的高速計數器中，經過一系列計算得到速度數據，用它作為PID的輸入參數，經PLC變化成電壓或電流信號去控制各電機的驅動。

圖3 電子凸輪的主體結構圖

圖2 切紙輥伺服運行示意圖

切紙輥在工作時，如圖2所示，在切紙輥的周長上劃分為同步區域和異步區域，設置了加速位置、同步起始位置、切割位置、同步結束位置、參考點位置，這些都是根據紙幅線速度v和切長L等由伺服驅動器的CPU計算的結果，在匯川伺服驅動器內生成CAM曲線。切紙輥伺服電機按照伺服驅動器內生成的CAM曲線運轉，保證了切割速度同步和切紙長度的精度。

2 切紙機的參數設計及要求

(1)設計車速：最高車速180 m/min，工作車速65～180 m/min。

(2)切紙寬度：紙幅最寬2400 mm。

(3)切紙長度：紙幅長度700～1300 mm。

(4)減速比：送紙輥19.2，切紙輥9.25。

(5)輥徑大小：送紙輥直徑400 mm，切紙輥直徑500 mm。

(6)誤差要求：小于±0.5 mm。

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(7)供電方式：交流供電。

(8)傳動形式：交流變頻和伺服。

(9)操作方式：觸摸屏、輔助按鈕。

3 電子凸輪的具體實現

3.1 電子凸輪的模式選擇

匯川的電子凸輪分3種：旋切/飛剪、追剪、通用。前兩種凸輪是兩類特殊運動方式的集合，為電子凸輪的一個子集，為了方便使用才單獨設立這兩種模式。通用凸輪模式是一種非規則曲線的設計模式。針對3種模式匯川提供了可交互式圖形界面來設計，用戶根據需要在圖形中進行相關設置即可滿足使用要求[7]。本課題選用電子凸輪追剪功能來對切紙輥進行位置實時跟隨控制，如圖3所示。

表1 位置模式的參數設置

3.2 電子凸輪的參數設置

使用伺服驅動器的位置控制模式，主要參數如表1所示。H0500主位置指令A的來源為“凸輪給定”，切紙輥的直徑為500 mm，減速機的減速比是9.25，裁刀傳動比分子/裁刀傳動比分母的比值和減速機的減速比近似相等，但是要在現場根據切紙輥的運行情況進行修正。

3.3 電子凸輪的參數設置步驟

(1)根據圖3設置通用參數。

(2)H0500=4(橫切凸輪),H0501和H0515為脈沖口和脈沖形態，H1305=0(不仿真),H1300=2(追剪)。

(3)設置上述追剪參數。

(4)設置DIDO功能。

(5)啟動伺服使能。

(6)啟動凸輪使能。

3.4 電子凸輪的后臺設置

打開電子凸輪后臺如圖4所示，在電子凸輪(E)中選擇“追剪”。設置區可對所涉及的參數進行設置，設置后在圖形顯示區自動顯示從軸速度和位置。狀態顯示部分根據驅動器的實際設置來顯示當前DIDO的狀態。

4 切紙機現場調試及誤差分析

在保定某紙廠生產現場調試過的伺服驅動器的參數如表2所示。

根據參數H1301、H1303可以計算出測速輪編碼器一個脈沖對應的長度為L1=251.327 mm/2500≈0.1 mm。

根據參數H1400、H1402、H1403、H0031可知，切紙輥轉一圈，切刀運行的線距離為1570.796 mm，此時伺服電機軸轉9.25圈，再加上編碼器4倍頻的脈沖串形態，電機編碼器輸出脈沖數Encoder2=2500 p×9.25×4=92500 p。那么，切紙輥轉一圈運行的距離與電機反饋輸出脈沖數之間的關系為e2=1570.796 mm/92500 p=0.0170 mm/p。

已知伺服系統中位于伺服電動機內部的差分式編碼器的誤差為±1個脈沖，即電機運行一圈，伺服驅動器從電機編碼器中的脈沖數會增加或者減少一個。在切紙過程中，切紙輥每切一次紙轉動一圈，電機轉動9.25圈，伺服驅動器接收到的脈沖數誤差最多為±9.25個，9.25個脈沖對應的距離為±0.0170 mm×9.25=±0.1571 mm，即系統的最大切紙理論誤差應該為±0.1571 mm，經過現場調試和運行，可以將切紙精度控制在±0.5 mm以內，完全滿足生產要求。

圖4 電子凸輪的后臺設置

表2 現場的參數設置

5 結 語

本設計通過對切紙機的送紙輥采取速度變頻控制，切紙輥采取伺服電子凸輪控制方式，使得切紙機的可靠性、控制精度、穩定性等得到了提高，可以將切紙精度控制在±0.5 mm以內，且降低了生產成本，得到紙廠的認可。

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(責任編輯：董鳳霞)

Application of Servo Electronic Cam in Paper Cutter Roll

MA Wen-ming*WU Kun YANG Na ZHAO Jin-guo

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)*E-mail: 987746606@qq.com)

In this paper, aiming at the problem of low cutting accuracy of paper cutter, variable frequency speed control was applied in paper feeding roller, a speed measuring wheel which was capable of accurately measuring the speed of the paper web was installed behind the paper feeding roller, the measured web linear speed as the spindle servo control conveying to the servo driver, the latter selected electronic cam to drive roller cutting operation, the cutting accuracy and stability have been further improved, through on-site commissioning and long-term operation the cutting accuracy could be controlled within ±0.5 mm.

paper cutter; cutting accuracy; electronic cam

2016- 10- 31(修改稿)

西京學院科研基金項目(XJ150213)。

馬文明先生，碩士，助教；研究方向：電力電子與電力傳動，電機控制與變頻調速。

TS735

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.02.010