薄膜分切機(jī)的廢邊收卷機(jī)實(shí)用控制應(yīng)用

張帆，陳奕良

( 廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

廢邊收卷機(jī)廣泛應(yīng)用于薄膜分切機(jī)的裁切廢邊卷取，配套此設(shè)備可以減少分切機(jī)浪費(fèi)兩個(gè)工位用來(lái)卷取裁切的廢邊的現(xiàn)象，可以有效提高分切機(jī)的工作效率。張力控制是卷繞系統(tǒng)的核心重點(diǎn)，良好的張力控制能有效地使載帶收卷到卷筒上，并控制張力的穩(wěn)定，不發(fā)生張力波動(dòng)，避免發(fā)生載帶擠壓、斷裂等現(xiàn)象。

1 收卷機(jī)械組成

該設(shè)備機(jī)械部分由分切機(jī)刀槽輥和收卷機(jī)組成，如圖1 所示。R1 為刀槽輥，也做為系統(tǒng)的速度輥，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輥面上有分切刀，可以將放卷過(guò)來(lái)的薄膜材料分切為不同的規(guī)格，其中兩邊的廢邊條由廢邊收卷機(jī)的卷繞輥卷R2 取收集，卷繞輥也由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。可以注意到的是，廢邊載帶在卷取之前有經(jīng)過(guò)擺輥機(jī)構(gòu)R3，擺輥以支架中心做來(lái)回?cái)[動(dòng)，其往廢邊載帶卷取的方向安裝有氣缸，當(dāng)氣缸接入壓縮空氣時(shí)，作用于載帶上的張力為輥重力在卷取方向分力與氣缸對(duì)其作用力之和。由于擺輥擺角較小，擺動(dòng)過(guò)程中重力分力基本不變，因此直接改變氣缸的壓力就能調(diào)整薄膜的張力，張力大小與膜卷直徑無(wú)關(guān)。氣缸旁裝有滑動(dòng)變阻器，可以隨著擺輥擺動(dòng)改變施加在變阻器的反饋電壓，控制器接收反饋電壓信號(hào)可以檢測(cè)出張力的變化，從而進(jìn)行PI調(diào)整后控制卷取速度，保持薄膜張力恒定。此外，廢邊收卷機(jī)有一個(gè)橫向擺動(dòng)絲桿，在廢邊卷取時(shí)可以進(jìn)行橫向來(lái)回游動(dòng)，絲桿由電機(jī)和行程開(kāi)關(guān)等部件進(jìn)行左右正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)來(lái)回游動(dòng)，以保證廢邊在卷繞輥卷取的橫向均勻性。采用浮動(dòng)輥測(cè)量張力，能有效克服張力突變，緩沖載帶的拉伸，防止載帶斷裂，有利于提高生產(chǎn)效率。

圖 1 廢邊收卷機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 張力控制實(shí)現(xiàn)方法

所謂載帶卷取張力，其實(shí)從本質(zhì)上來(lái)看就是收卷在卷繞時(shí)卷材保持與速度輥載帶主速度形成一定的微小正速度差，要控制張力穩(wěn)定，則需要控制卷材的線速度基本恒定，即卷材線速度V2=V1+dV，V1為速度輥主速度，dV為速度差，也就是形成張力的表現(xiàn)。由于卷材在卷繞過(guò)程中直徑會(huì)不斷增大，所以在控制上不能夠給定固定的線速度給電動(dòng)機(jī)，這就需要進(jìn)行卷材的卷徑計(jì)算，因?yàn)榫聿木€速度=Pi× 卷徑 × 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 / 傳動(dòng)減速比，其中速度輥的主速度V1是已知的，那么最重要的就是計(jì)算出當(dāng)前卷徑。

常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而變頻器的轉(zhuǎn)速指令來(lái)源是上位控制器比如PLC的模擬量輸出模塊給定的0～10 V 模擬量，模擬量為零時(shí)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速指令0 r/min，而模擬量滿量程10V 時(shí)對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速指令比如1 500 r/min。于是在本文控制系統(tǒng)中，變頻器的速度模擬量給定滿量程=Pi× 卷繞輥直徑（就是空卷徑） × 電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速/ 傳動(dòng)減速比。

在卷繞過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)卷材作用在擺輥上的拉力與擺輥?zhàn)陨淼闹亓蜌飧椎耐屏ο嗥胶猓瑪[輥處于中間的平衡位置。隨著卷徑的等大，擺輥向卷取方向擺動(dòng)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)，使變阻器反饋電壓偏離了原平衡點(diǎn)電壓值即“ 電子尺電壓SV”。當(dāng)前信號(hào)“ 電子尺電壓PV” 與“ 電子尺電壓SV” 比較，得出偏差值，經(jīng)過(guò)經(jīng)典比例積分運(yùn)算后，調(diào)整PI控制器輸出值百分比，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，擺輥又回到原來(lái)得平衡位置，從而卷材得張力恢復(fù)到設(shè)定張力。在整個(gè)卷繞過(guò)程中隨著膜卷直徑的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷進(jìn)行調(diào)整，使薄膜載帶的張力保持恒定。

3 收卷機(jī)的速度控制

3.1 速度給定的方法

上文提到的擺輥PI 控制器的輸出值百分比，如果直接給定到卷繞輥?zhàn)冾l器的速度給定，那100% 的輸出就是對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速，這樣簡(jiǎn)單粗暴的給定方式顯然是不合理的，容易造成卷繞速度波動(dòng)大、張力控制難以穩(wěn)定、甚至載帶斷邊飛車(chē)等現(xiàn)象。

一般卷取機(jī)的最大線速度和主機(jī)速度輥的最大線速度是基本一致的，所以變頻器的模擬量速度給定可以乘上（速度輥當(dāng)前主速度V1除以卷取機(jī)最大線速度），這樣就算PI控制器輸出100% 時(shí)，卷繞輥在空卷狀態(tài)下的最大速度也基本和速度輥的主速度一致，這樣在起卷收卷的過(guò)程中都會(huì)比較平穩(wěn)，擺輥也可以迅速做出預(yù)期內(nèi)的反應(yīng)動(dòng)作。然而要取到最佳的控制效果，則必須讓上文所講的卷徑計(jì)算參與其中，因?yàn)榫砝@過(guò)程中直徑是不斷增大的，如果只是給定固定的主速度V1過(guò)去，卷繞輥的基本角速度是不會(huì)隨直徑遞減的，這時(shí)將V1乘上空卷徑后除以估算卷徑，就可以得到會(huì)隨直徑增大的遞減主速度。

本文的控制系統(tǒng)的收卷機(jī)速度控制的程序代碼如下：

# 收卷最大線速度 := # 空卷徑 * 3.141593 * # 輸出最大轉(zhuǎn)速 / # 減速比;

#速度系數(shù) := (#主速度+#偏置速度) * #空卷徑)/ (# 收卷最大線速度 * # 估算卷徑);

" 模擬量速度給定# 變頻器" := - REAL_TO_INT("PID_Compact_ 擺輥".Output * 276.48 * # 速度系數(shù));

// 注："PID_Compact_ 擺 輥".Output 為0～100，而模擬量0～10V 對(duì)應(yīng)的程序數(shù)字量是0～27648

3.2 卷徑計(jì)算的方法

主流卷徑計(jì)算的方法有速度計(jì)算法、度積分法、外部卷徑傳感器輸入法。度積分法根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累加或遞減，對(duì)于線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)和求輸入材料厚度，操作較為繁瑣。而外部卷徑傳感器輸入法需要購(gòu)置和安裝卷徑傳感器，在大多場(chǎng)合也并不方便。所以本文控制系統(tǒng)采用的是速度計(jì)算法，通過(guò)系統(tǒng)當(dāng)前線速度和變頻器輸出頻率計(jì)算卷徑。

公式如下：

D——所求卷徑；

I——機(jī)械傳動(dòng)比；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

V——線速度。

但需要注意的是，上面公式中的n實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速在許多控制系統(tǒng)中并不能獲得，因?yàn)楸仨殢淖冾l器讀取，讀取的方式一般為通訊或者模擬量輸入，這樣上位機(jī)系統(tǒng)必須增加通訊模塊或者模擬量輸入模塊，因?yàn)槌杀疽蛩睾芏嗟投藱C(jī)型并不具備這樣的條件，所以本文的控制系統(tǒng)就解決了這個(gè)難題。本文的解決方案是利用擺輥處于平衡位置時(shí)的變頻器的模擬量速度給定做為當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行卷徑計(jì)算，程序代碼如下：

雖然這樣得出得估算卷徑精度不高，但在擺輥參與調(diào)速的張力系統(tǒng)中也滿足使用。

3.2 擺輥PI 控制器的優(yōu)化

傳統(tǒng)的PI控制器的比例增益P和積分時(shí)間I在控制器工作時(shí)是固定不變的，這在線速度不是一成不變的收卷機(jī)張力控制系統(tǒng)中會(huì)存在不同線速度時(shí)PI控制器的PI參數(shù)并不適合的現(xiàn)象，比如低速和加減速時(shí)，收卷機(jī)卷繞過(guò)程需要克服的傳動(dòng)阻力較大，這時(shí)需要較靈敏的PI參數(shù)來(lái)控制張力，此時(shí)的P值較大，I值較小。而高速巡航卷取時(shí)，是恰恰相反的情況，這時(shí)需要溫和的PI參數(shù)，此時(shí)P值較小，I值較大。那么讓PI值隨著線速度呈線性變化是有必要的，可以設(shè)置自己想要的變化斜率讓P值隨線速度遞減，I值隨線速度遞增，本文控制系統(tǒng)針對(duì)此的程序代碼如下：

4 結(jié)語(yǔ)

廢邊收卷機(jī)廣泛應(yīng)用于薄膜分切機(jī)的裁切廢邊卷取，各設(shè)備廠商普遍存在著廢邊收卷張力控制不穩(wěn)，不同厚度的載帶難以適應(yīng)的現(xiàn)象。本文提出的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，采用改進(jìn)的收卷張力控制器的設(shè)計(jì)方法，在投入生產(chǎn)運(yùn)行中，獲得了較好效果，有效解決了廢邊收卷機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)的控制難題。