直裁卷取子母車工位設(shè)計(jì)及收卷控制應(yīng)用

洪潮，洪育仙，盛韶祥，陳建清，戈威

( 杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

鋼絲簾布直裁設(shè)備生產(chǎn)的鋼絲簾布卷是輪胎成型時(shí)的主要胎體部件，胎體作為輪胎的骨架，其工藝品質(zhì)至關(guān)重要。一條完整的鋼絲簾布裁斷與拼接自動(dòng)生成線的核心部分是90° 直裁簾布裁斷接頭機(jī)組，其作用是在規(guī)定的寬度下，以90° 角裁切前工序生產(chǎn)的連續(xù)帶束層材料，用于變角度定位拼接，同時(shí)對(duì)拼接后的鋼絲簾布進(jìn)行包邊貼合處理。最后通過卷取裝置卷成特定長(zhǎng)度的簾布卷。

隨著公司輪胎產(chǎn)能轉(zhuǎn)移，為保證總體產(chǎn)量，避免庫(kù)存脫節(jié)，一部分全鋼輕卡胎轉(zhuǎn)移至半鋼成型機(jī)生產(chǎn)，但是半鋼小車與全鋼小車尺寸不一致，直裁設(shè)備卷取工位需要增加全鋼和半鋼卷取切換功能，重新設(shè)計(jì)一套轉(zhuǎn)換小車用于匹配半鋼設(shè)備使用，從而優(yōu)化卷取速度控制，保證直裁卷取質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，避免新增設(shè)備，減少設(shè)備投入成本。

1 卷取機(jī)械改造

鋼絲簾布裁斷生產(chǎn)線由以下裝置組成：導(dǎo)開裝置、裁斷裝置、接頭裝置、動(dòng)力輥裝置、分切裝置、包邊貼合裝置和卷取裝置。全鋼輕卡胎轉(zhuǎn)移至半鋼成型機(jī)生產(chǎn)過程，大部分裝置可以兼容使用，本文重點(diǎn)涉及卷取部分的兼容性問題。

半鋼設(shè)備卷取小車尺寸小于全鋼卷取小車，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，機(jī)械最終方案采用子母車的結(jié)構(gòu)，利用原全鋼胎體小車進(jìn)行改造，保留主要機(jī)械框架，安裝齒輪傳動(dòng)組件，帶動(dòng)從動(dòng)軸，半鋼小車通過軌道推入改造小車內(nèi)，主動(dòng)氣囊通過齒輪傳動(dòng)組件帶動(dòng)從動(dòng)卷取氣囊，從而進(jìn)一步帶動(dòng)小車工字輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1 所示機(jī)械結(jié)構(gòu)所示，兩輛小車機(jī)械配合后，可實(shí)現(xiàn)胎體簾布的正常傳動(dòng)控制，生產(chǎn)過程中通過切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)正常卷取。

圖1 改造卷取小車機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.1 卷取工位生產(chǎn)流程

四輥壓延生產(chǎn)線卷成的大筒胎體簾布經(jīng)過鋼絲簾布裁斷生產(chǎn)線導(dǎo)開、修邊后，按照生產(chǎn)線配方設(shè)置的所需規(guī)格尺寸，經(jīng)過定長(zhǎng)裁切后，改變方向，從而改變鋼絲簾線的角度，運(yùn)輸至拼接部位通過拼接機(jī)械手進(jìn)行拼接，拼接機(jī)構(gòu)采用糾偏系統(tǒng)保證前后兩塊簾布對(duì)齊，防止拼接錯(cuò)位。拼接后的胎體簾布經(jīng)過卸料輸送至包邊進(jìn)行貼膠片處理，再經(jīng)過卷取輸送帶輸送至卷取工位進(jìn)行卷取，（如圖2）送往成型區(qū)域。卷取工裝小車轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行簾布卷取過程中，卷徑隨之增加，導(dǎo)致卷曲速度發(fā)生變化，造成簾布拉伸等問題。為保證卷取和生產(chǎn)線線速度匹配，需要通過直接測(cè)量卷徑方式實(shí)時(shí)測(cè)量卷取卷徑，并采用浮動(dòng)輥PID 調(diào)節(jié)匹配前后線速度，從而給定卷取速度，保證簾布卷取質(zhì)量，防止物料拉伸。

圖2 卷取工位

2 卷取速度控制

卷取工位采用雙工位切換實(shí)現(xiàn)不間斷卷取工作，卷取裝置包括卷取驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卷曲工位變換電機(jī)、計(jì)長(zhǎng)裝置、卷取儲(chǔ)料等部件。正常工作吋卷取驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)簾布繞卷在工字輪卷軸上。設(shè)定滿筒情況的米數(shù)，待實(shí)際米數(shù)完成后停止卷取，由裁刀將其橫向裁斷，卷曲工位變換電機(jī)則驅(qū)動(dòng)滿料的工字輪切換到一旁，備用的工字輪進(jìn)入卷曲位置，進(jìn)行下一輪的卷曲，左右工位循環(huán)工作，保證生產(chǎn)線的不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率。當(dāng)卷取儲(chǔ)料超出范圍時(shí)，調(diào)整卷取驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度，以免造成簾布拉伸或堆積。卷取工作過程，生產(chǎn)線速度與卷取速度的線速度需要保持一致。但是在控制電機(jī)時(shí)，我們只能控制轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算卷徑來實(shí)現(xiàn)卷取速度控制。兩種規(guī)格小車卷軸中心不重合，因此需增加激光測(cè)距傳感器來檢測(cè)半鋼小車卷徑。

2.1 卷徑計(jì)算

采用直接計(jì)算方法進(jìn)行卷徑計(jì)算，采集激光傳感器測(cè)量物料到傳感器安裝位置的距離，通過傳感器輸出的電壓信號(hào)與該距離成線性比例關(guān)系，進(jìn)一步推算出物料實(shí)際卷徑。因此實(shí)際卷徑可以根據(jù)公式 1 進(jìn)行計(jì)算。

Dmax為系統(tǒng)設(shè)置最大直徑；Dmin為系統(tǒng)設(shè)置的最小直徑 ；Umax為最大 直徑時(shí)超聲波傳感器輸出最大值；Umin為最小直徑時(shí)超聲波輸出最小值 ；U為當(dāng)前模擬量反饋實(shí)際值。激光測(cè)距方式的主要特點(diǎn)在于程序計(jì)算簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)在于物料隨工裝卷取過程中，襯布張力波動(dòng)，以及工裝變形造成卷取直徑的波動(dòng)，因此卷徑計(jì)算會(huì)有忽大忽小的波動(dòng)，需對(duì)模塊模擬量輸入進(jìn)行濾波處理。模擬量模塊參數(shù)設(shè)置，主要對(duì)模擬量輸入類型和采樣值進(jìn)行平均數(shù)處理，從而保證卷徑計(jì)算穩(wěn)定。

本鋼絲簾布直裁生產(chǎn)線需要滿足三種工作方式：自動(dòng)、局部手動(dòng)和半自動(dòng)。控制系統(tǒng)采用三菱QQ03UDE 系列PLC 系統(tǒng)，采用CC-Link 高速現(xiàn)場(chǎng)總線確保通訊高效穩(wěn)定，并通過CC-Link 通訊鏈接遠(yuǎn)程模擬量AJ65SBT-64AD 模塊，因此需要對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備初始設(shè)置，完成模擬量數(shù)據(jù)讀取和平均值處理，具體設(shè)置如圖3 所示。圖3 設(shè)置參數(shù)，（RWwm+0）=0003 表 示 表 示 允 許CH1 和CH2 進(jìn) 行 A/D 轉(zhuǎn) 換。（RWwm+1）=000 4 表示對(duì)CH1 和CH2 進(jìn)行模擬量信號(hào)輸入類型選擇。

圖3 遠(yuǎn)程設(shè)備站初始設(shè)置

CH1=4 信號(hào)輸入信號(hào)4～20 ma，CH2=0，輸入信號(hào)0～10 V，如表1 所示。

表1 輸入信號(hào)設(shè)定

（RWwm+2）=0033 表 示 對(duì)CH1 和CH2 兩 個(gè) 通道進(jìn)行取平均值處理，如表2 所示。

表2 模擬量通道平均值設(shè)定

默認(rèn)設(shè)置是所有通道4 次，通過設(shè)置后通道1 和通道2 設(shè)定值3H，設(shè)定采樣平均值32 次，從而保證卷徑計(jì)算值的準(zhǔn)確性。

2.2 線速度計(jì)算

生產(chǎn)線整線線速度以拼接部位的速度為基準(zhǔn)速度，簾布經(jīng)過定長(zhǎng)裁切后送至拼接機(jī)構(gòu)，經(jīng)機(jī)械手拼接后卸料輸送至卷取工位，因此通過計(jì)算拼接機(jī)構(gòu)循環(huán)一次所需時(shí)間，程序處理后計(jì)算出一分鐘內(nèi)拼接效率，然后根據(jù)配方設(shè)定的裁切寬度計(jì)算出線速度，線速度計(jì)算公式如下

V為線速度，T1為1 min 也就是60 s，T2代表拼接完成一次所需時(shí)間，m代表裁切寬度，也就是拼接物料長(zhǎng)度，根據(jù)以上公式，部分編寫程序如下圖4 所示。

圖4 線速度計(jì)算部分程序

上圖程序M124 表示拼接程序正在進(jìn)行中，取出下個(gè)拼接啟動(dòng)執(zhí)行信號(hào)M1068 觸發(fā)時(shí)通一次循環(huán)完成的時(shí)間和效率，進(jìn)一步計(jì)算得出生產(chǎn)線速度V。

2.3 浮動(dòng)輥PlD 整定

卷取工位與前一工位之間有固定深度的儲(chǔ)料兜，用于預(yù)留儲(chǔ)料空間，防止前后段速度因機(jī)械打滑等原因造成的速度不匹配，通過儲(chǔ)料彌補(bǔ)，防止簾布拉伸或堆料。因此該設(shè)備卷取安裝浮動(dòng)輥，通過浮動(dòng)輥調(diào)節(jié)匹配前后速度，因卷取小車尺寸變化，浮動(dòng)輥正常工作位置和PID 參數(shù)需要重新調(diào)整修改。

圖5 浮動(dòng)輥使用現(xiàn)場(chǎng)圖

如上圖所示浮動(dòng)輥通過PID 參數(shù)調(diào)節(jié)，從而快速穩(wěn)定的調(diào)整前后速度。

PID 控制是應(yīng)用于流量、速度、風(fēng)量、溫度、壓力、配比等過程控制的一種控制方式。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，圖6 所示為 PID 過程控制應(yīng)用事例圖。

圖6 PID 過程控制應(yīng)用事例圖

采用PID 控制生產(chǎn)線速度期間，將由浮動(dòng)輥線性傳感器測(cè)量的值與預(yù)先設(shè)置的值進(jìn)行比較，然后調(diào)節(jié)輸出值( 操作值) 以消除測(cè)定值與設(shè)置值之間的差。在 PID 控制運(yùn)算中，通過組合比例動(dòng)作(P)、積分動(dòng)作(I)和微分動(dòng)作(D)計(jì)算 MV(操作值)，使測(cè)量值(PV)迅速、正確地趨近于設(shè)置值(SV)。當(dāng) PV 與SV 的差增大時(shí)MV 增大，迅速地使PV 趨近于設(shè)置值；PV 與SV 的差變小后，減小MV，平緩、正確地將 PV 調(diào)節(jié)為與SV 相同。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)定PID 值通過主機(jī)屏幕設(shè)置，并查看輸出值曲線圖，從而調(diào)整值相對(duì)平穩(wěn)曲線，如圖7 所示。

圖7 PID 調(diào)整畫面和輸出曲線

2.4 收卷速度計(jì)算

根據(jù)線速度和轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下所示:

結(jié)合上述所示PID 浮動(dòng)輥整定參數(shù)值，以及變頻器最大轉(zhuǎn)速給定值得出卷取轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下；

上述卷取角速度公式所示，N代為表卷取轉(zhuǎn)速度，V代表生產(chǎn)線速度，i代表傳動(dòng)比。MV代表PID 輸出操作值，PV浮動(dòng)輥調(diào)節(jié)量，D代表卷取直徑。

拼接后線速度V轉(zhuǎn)換成變頻器所需給定值，經(jīng)過浮動(dòng)輥調(diào)整后速度除以傳動(dòng)比i。傳動(dòng)比i= 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速/ 減速比。如現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)銘牌額定轉(zhuǎn)速1 455 r/min，減速機(jī)速比56.92，計(jì)算得出傳動(dòng)比值為25.6。卷取激光檢測(cè)出卷徑換算成周長(zhǎng)值，從而得出變頻器相對(duì)應(yīng)的卷取速度值。如圖8 所示部分卷取速度計(jì)算編輯程序?qū)崿F(xiàn)。

綜上所述配合程序和畫面切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)半鋼和全鋼兩種卷取小車正常卷取，部分程序如下圖9 所示

圖8 部分卷取速度計(jì)算程序

圖9 兩種卷取小車正常卷取部分程序

3 結(jié)束語(yǔ)

通過現(xiàn)場(chǎng)、運(yùn)行反饋，采用直接計(jì)算卷徑測(cè)量法、線速度控制方式和對(duì)浮動(dòng)輥調(diào)整控制，能夠有效保證制品拉伸符合工藝要求，員工通過畫面切換按鈕實(shí)現(xiàn)TBR 和PCR 兩種卷取小車的切換控制，實(shí)現(xiàn)制品的正常收卷，保證設(shè)備正常工作，從而順利完成產(chǎn)能調(diào)整。正常使用過程中，員工切換操作簡(jiǎn)單，通過畫面可實(shí)現(xiàn)一鍵切換。半鋼小車上料和卸料通過母車導(dǎo)軌定位推入拉出，使用效果良好，基本滿足生產(chǎn)需求。雙工位卷取切換，生產(chǎn)效率較高，換車基本不影響實(shí)際生產(chǎn)操作。同時(shí)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)PID 參數(shù)調(diào)整，程序和浮動(dòng)輥舒適值調(diào)整，保證卷取前后段速度匹配，防止物料拉伸。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝測(cè)量后，滿足工藝質(zhì)量要求，卷取前后拉伸率≤1%, 卷取效果良好。