卷接機組接裝紙張力控制系統設計

湯澤東，阮三星，劉 威

常德煙草機械有限責任公司，湖南省常德市武陵區長庚路999 號 415000

隨著電控技術的快速發展，高速、超高速卷接機組的應用大幅提高了卷煙企業的生產制造能力，但因設備速度較高在卷接過程中容易產生錯牙、漏氣、泡皺等缺陷煙支。針對此問題，近年來已有較多研究和改進，劉曙光等［1］通過增加MAX卷接機組接裝紙刮紙器到位檢測裝置，減少因刮紙器不到位產生的漏氣煙支；徐亞軍等［2］設計了接裝紙第二次刮紙裝置，以改善接裝紙的吸附性，增加接裝紙的吸膠能力；潘恒樂等［3］設計了一種接嘴膠冷卻裝置，通過降低接嘴膠溫度解決煙支搓接質量問題。目前國產主流高速卷接機組主要采用調節負壓大小的方法控制接裝紙張力，該系統在接裝紙吸水性好、膠水黏性高的情況下卷接質量較好，但也存在結構復雜、備件成本高、維修保養費工費時、對原輔材料要求高等缺陷。隨著獨立驅動伺服技術的發展與成熟，通過伺服電機控制張力已廣泛應用于新能源電池生產等行業［4］，但將該技術運用于濾嘴接裝機供紙系統則鮮見報道。為此，以ZJ116 超高速卷接機組為研究對象，采用全伺服獨立驅動技術對其接裝紙輸送系統進行改進，以期實現接裝紙張力的自動調節和準確控制，減少缺陷煙支數量，為新型ZJ119 超高速卷接機組的設計生產提供支持。

1 問題分析

國產ZJ116 超高速卷接機組主要采用負壓控制接裝紙張力，接裝紙輸送路徑見圖1。其中，第一引紙輥2、刮紙器3、第二引紙輥4 為接裝紙供紙系統的基礎部件，第一引紙輥2 將接裝紙從半自動或全自動送紙機構中引入張力控制系統，刮紙器3 將紙拉磨以增加接裝紙對膠水的吸附能力，第二引紙輥4 將接裝紙以同步速度輸送至上膠機構。張力控制系統由紙環箱6、光電開關7、位置開關8、抽吸頭9、張力傳感器11 組成，抽吸頭9 上設置有若干負壓孔，由負壓風機提供負壓，使接裝紙吸附在抽吸頭9 上，通過第二引紙輥4 不斷牽引接裝紙而產生紙張力，并根據張力傳感器11 檢測到的接裝紙張力調節比例閥，以控制抽吸頭9 的負壓流量；抽吸頭9 的一端安裝有伺服電機，通過其順時針轉動拉伸接裝紙使其瞬間建立紙張力；光電開關7、位置開關8 通過控制第一引紙輥的電機速度，保證紙環箱6 中接裝紙在形成張力前留有一定裕量。

圖1 改進前接裝紙輸送路徑Fig.1 Conveying path of tipping paper before modification

ZJ116 卷接機組的接裝紙張力主要由抽吸頭上的負壓與第二引紙輥的牽引力共同形成，第二引紙輥的速度要與生產速度保持同步，因此接裝紙張力大小主要由抽吸頭上的負壓決定，受限于接裝紙與抽吸頭的接觸面積，接裝紙最大張力僅為30 N。此外，ZJ116 通過刮紙器回轉來避開紙接頭，在刮紙器回轉過程中接裝紙上始終維持原有張力，如果張力較大則容易導致紙接頭在刮紙器處斷裂。特別是吸水性較差的接裝紙或黏性較差的膠水，往往需要較大的接裝紙張力進行刮紙器拉磨才能滿足上膠要求，因此該張力控制系統對原輔材料適應性差，且結構復雜，抽吸頭上的負壓孔容易被煙末堵塞，維護保養費時費力。

2 系統設計

針對ZJ116 卷接機組接裝紙張力控制系統的不足，對該系統進行了改進設計：采用伺服電機控制張力輥取代紙環箱、抽吸頭、比例閥、張力傳感器等部件；采用同步伺服電機對第一引紙輥、第二引紙輥進行驅動；采用西門子伺服控制器SIMOTION D［5-7］為控制平臺，利用多軸同步［8-9］、直接轉矩和定位相結合的控制方式對其進行控制，第一引紙輥與第二引紙輥同步，并疊加根據張力輥位置經PI 調節［10-11］的附加速度。

2.1 接裝紙輸送路徑

改進后接裝紙輸送路徑見圖2。接裝紙通過第一引紙輥2 引入，經過刮紙器3、接裝紙張力輥7后在第二引紙輥4 處引出。刮紙器用于拉磨接裝紙，通過調節張力輥擺臂位置可以調整接裝紙與刮紙器的接觸角度，不同角度下接裝紙的拉磨程度不同；通過設置張力輥電機的輸出扭矩可以調節接裝紙張力，不同張力下接裝紙的拉磨程度也不同。接裝紙張力輥可在一定范圍內擺動，當紙接頭檢測傳感器6 檢測到紙接頭經過時，張力輥快速順時針擺動，第一引紙輥加速，瞬時降低接裝紙張力，以減輕刮紙器對接裝紙的拉磨程度，確保紙接頭順利通過刮紙器。

圖2 改進后接裝紙輸送路徑Fig.2 Conveying path of tipping paper after modification

2.2 電控系統

第一引紙輥、接裝紙張力輥、第二引紙輥均采用伺服電機獨立驅動，分別標記為M1、M2、M3，以紙接頭檢測傳感器B1 作為張力輥M2 的擺動信號，經過一段延時后，張力輥返回到正常工作位置，完成對紙接頭的避讓，見圖3。在張力輥擺動過程中需要對接裝紙張力進行控制，為此采用第二引紙輥M3 作為主軸與生產速度同步，第一引紙輥M1 與第二引紙輥M3 同步，根據張力輥M2 的位置信息修正第一引紙輥M1 的同步速度。

設計中選擇SIMOTION D455 作為控制器，使用系統配置軟件Sizer 對相關器件進行選型和評估，最終選用1 個電源，3 個西門子標準電機以及1個雙軸電機模塊和1 個單軸電機模塊。由圖3 可見，在SIMOTION SCOUT 中TO 層配置工藝軸，M1 和M3 為帶編碼器的同步軸，M2 為帶編碼器的定位軸和堵轉找零。將D455 的快速IO 端子X142.1 配置為MeasureInput，在定位軸M2 下配置一個MeasureInput 并指向X142.1。

圖3 伺服控制系統的拓撲結構Fig.3 Topology of servo control system

2.3 控制原理及算法

為實現接裝紙張力的準確控制，對接裝紙張力輥進行受力分析，見圖4。其中，刮紙器與第二引紙輥在豎直方向上的距離為100 mm，刮紙器與第二引紙輥在水平方向上的距離為80 mm，接裝紙張力輥擺臂長度L 為70 mm；θ為接裝紙張力輥擺臂與豎直方向夾角（°），X 為刮紙器與接裝紙張力輥中心連線上的力臂長度（mm），Y 為接裝紙張力輥與第二引紙輥中心連線上的力臂長度（mm），θ、X、Y 均隨接裝紙張力輥工作位置而變化；F1、F2分別為接裝紙張力實際值（N），F 為接裝紙張力設定值（N），勻速情況下不考慮滾輪的摩擦阻力，則F=F1=F2。

已知擺臂質量為m（kg），M0為電機克服擺臂重力輸出扭矩（N·m），M1為電機克服F1方向紙張力的扭矩（N·m），M2為電機克服F2方向紙張力的扭矩（N·m），M 為電機的實際輸出扭矩（N·m），則M＝M0+M1+M2，結合圖4 可得M 與F1、F2之間具有以下關系式：

圖4 張力輥受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of force exerted on tension roller

其中，重力加速度g 取9.794 m/s2，則X、Y 計算公式為：

為了實現對接裝紙張力控制和紙接頭避讓，利用SIMOTION D455 進行編程并設計控制流程圖，見圖5。當接裝紙張力輥M2 堵轉找零完成后，張力輥進入待工作位置；當接裝紙按指定路徑引入后，第一引紙輥M1 與第二引紙輥M3 保持速度同步，并按500 支/min 的生產速度建立接裝紙張力。接裝紙張力拉動張力輥擺動，張力輥M2 按張力設定值F 對應的扭矩M 限幅輸出，實現對接裝紙張力控制；如果張力輥在限幅扭矩下未能進入到指定工作位置，張力控制系統將根據位置偏差通過PI 調節器生成第一引紙輥疊加速度，實現對張力輥位置的控制。當紙接頭傳感器檢測到有紙接頭時，對第一引紙輥M1 的速度進行積分，以便對紙接頭位置進行跟蹤，并根據紙接頭位置計算紙接頭與刮紙器相遇時間；當紙接頭到達刮紙器時間還差100 ms 時，張力輥開始順時針擺動，在100 ms 內擺動到設定的紙接頭避讓位置，此時紙接頭剛好到達刮紙器處；當紙接頭經過張力輥后，張力輥以設定速度和扭矩逆時針擺動，重新進入工作位置，完成紙接頭避讓工作。

圖5 控制流程圖Fig.5 Flow chart of control

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“芙蓉王（硬）”牌卷煙煙絲（煙支直徑7.8 mm）、接裝紙（寬度64 mm）、醋酸纖維嘴棒及輔料等均由湖南中煙有限責任公司常德卷煙廠提供。

設備：ZJ119 超高速卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）。

方法：①將設計的接裝紙張力控制系統應用于ZJ119 卷接機組，設定接裝紙張力為40 N，接裝紙張力輥工作位置為12°，生產速度從11 300 支/min 運行到12 000 支/min，監測速度變化時接裝紙張力控制系統中各電機速度和扭矩變化；②設定ZJ119卷接機組接裝紙張力為40 N，接裝紙張力輥工作位置為12°，擺動角度為15°，生產速度為11 300支/min，監測紙接頭經過刮紙器時張力輥的運行情況；③設定ZJ119 卷接機組的生產速度為12 000支/min，按照GB 5606.3—2005《卷煙第3 部分：包裝、卷制技術要求及貯運》［12］的要求進行卷煙外觀質量評價，判斷接裝紙包裹質量是否符合卷煙生產標準，并統計缺陷煙支剔除率，重復測量10 次。

3.2 數據分析

3.2.1 張力控制測試結果

由圖6a 可見，當ZJ119 生產速度從11 300 支/min 運行到12 000 支/min 時，第二引紙輥M3 的速度從762 r/min 變化到810 r/min，第一引紙輥M1 的速度始終跟隨第二引紙輥M3 的速度變化，表明M1 與第M3 速度同步，即第一引紙輥上沒有根據張力輥位置變化經PI 調節生成的疊加速度，也表明張力輥擺臂與豎直方向的夾角θ為定值。根據式（1）～式（5）可知，當θ不變時，紙張力F 僅與電機輸出扭矩M 有關。由圖6b 可知，電機輸出扭矩M基本保持不變，由此可得接裝紙張力在速度變化時始終保持穩定。

3.2.2 紙接頭經過刮紙器時測試結果

由圖7 可見，當紙接頭傳感器B1M 檢測到紙接頭信號，張力輥M2 接收到擺動指令后，開始順時針擺動，輸出扭矩瞬間減小。第一引紙輥M1 在張力輥M2 擺動后開始加速，以減小接裝紙與刮紙器的接觸張力，保證紙接頭在經過刮紙器時不被刮斷；當紙接頭經過后，張力輥M2 使擺臂逆時針擺動，輸出扭矩逐漸增大，第一引紙輥M1 根據張力輥位置自動進行PI 調節，使接裝紙張力緩慢變化，直至張力達到設定值，避免瞬間增大的張力拉斷接裝紙。

3.2.3 煙支質量指標測試結果

由 表1 可 見，ZJ119 以12 000 支/min 穩定生 產運行時，因緊密度、通風度、吸阻不合格而產生的漏氣煙支剔除率分別為0.041%、0.010%、0.009%，總剔除率僅為0.06%；煙支濾嘴接裝紙搭口工整、光滑，濾嘴包裹牢固、無濾嘴松脫和缺嘴現象，符合卷制質量要求。

圖6 生產速度變化時電機M1、M3 速度值和M2 扭矩值Fig.6 Speed of motors of M1 and M3 and torque of motor M2 at varied production speed

圖7 紙接頭經過刮紙器時M1、M3 速度值和M2 扭矩值Fig.7 Speed of motors of M1 and M3 and torque of motor M2 while tipping splice passing through scraper

表1 漏氣煙支剔除率Tab.1 Rejection rate of cigarettes with air leak（%）

4 結論

利用獨立驅動伺服技術設計了接裝紙張力控制系統，實現了對接裝紙張力的自動調節和精確控制，當紙接頭經過刮紙器時通過瞬時降低接裝紙張力，使紙接頭順利通過，保證了設備在較大接裝紙張力下的穩定運行。以ZJ119 超高速卷接機組為對象進行測試，結果表明：①接裝紙張力在ZJ119 生產速度變化時始終保持穩定；②通過PI 調節使接裝紙張力緩慢變化，保證紙接頭順利經過刮紙器；③張力控制系統在12 000 支/min 生產速度下能夠穩定運行，生產煙支外觀質量滿足工藝要求，緊密度、通風度、吸阻不合格煙支剔除率分別為0.041%、0.010%、0.009%，漏氣煙支總剔率僅為0.06%，可以滿足未來新型超高速卷接機組的設計要求。