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中科傳能伺服系統(tǒng)在電腦橫切機上的應(yīng)用
一、 引言
隨著包裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，瓦楞紙板生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率逐年提高，主要體現(xiàn)在瓦楞紙板生產(chǎn)線后端的電腦橫切機速度的大幅提高。電腦橫切機的控制部分需滿足精準(zhǔn)的裁切長度的同時還要滿足很高的裁切速度。其難點在于紙板處于高速運動狀態(tài)，切刀的動態(tài)控制需極高的運算速度和極高的跟蹤性能。變頻器的控制無法達到高的裁切速度（40M/min—80M/min），裁切誤差也隨速度的提高而越來越大，PLC對脈沖的反饋速度也無法滿足裁切精度的要求。運動控制卡加進口伺服系統(tǒng)的控制方式是完全可以滿足精度和速度的雙向要求，速度可達到200M/min—300M/min，還是有價格昂貴，供貨時間長等不足之處。本文著重介紹的將運動控制卡集成在伺服驅(qū)動器之內(nèi)的中科傳能品牌伺服驅(qū)動器在橫切系統(tǒng)中的應(yīng)用。
二、 系統(tǒng)組成
下圖為電腦螺旋刀橫切機控制簡圖。此系統(tǒng)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式同步動態(tài)裁切，上下兩組裁切輪刀同時被伺服馬達帶動，各依箭頭所示方向相對旋轉(zhuǎn)。輪刀之上的刀刃必須作精密的調(diào)整，當(dāng)上輪刀之刀刃旋轉(zhuǎn)至正下方時，下刀刃恰好轉(zhuǎn)至正上方，才能執(zhí)行正確的裁切。每次裁切刀輪旋轉(zhuǎn)一圈，便自動將材料切斷一次；馬達只要在相同方向連續(xù)運轉(zhuǎn)，輪刀便能連續(xù)裁切。
圖1：電腦螺旋刀橫切機控制簡圖
系統(tǒng)組成及其功能介紹：
1、旋轉(zhuǎn)式同步飛剪控制驅(qū)動系統(tǒng)：
接受PLC及HMI輸入的運轉(zhuǎn)命令及長度設(shè)定
偵測量測輪編碼器傳回之脈沖，得知進料速度及進料長度。
控制伺服馬達之運轉(zhuǎn)速度及同步定位動作
2、人機界面（HMI）：
接受設(shè)定資料及顯示運轉(zhuǎn)狀態(tài)
3、PLC：
處理基本之接口、互鎖、連動信號
4、永磁同步伺服馬達 或 感應(yīng)式伺服馬達：
將馬達動力傳送至上下裁切刀輪
5、輪刀：
上下鏡射、各帶刀刃的一組回轉(zhuǎn)機構(gòu)
6、送料檢測編碼器：
直接緊密的接觸待切材料，靠材料之橫移而帶動編碼器產(chǎn)生脈沖信號
三、工作原理
電腦橫切機切紙板時，切刀運行的速度曲線因裁切長度的不同而不同，大體分三種情況：裁切長度大于兩倍切刀圓周長、裁切長度大于切刀圓周長且小于兩倍切刀圓周長、裁切長度小于切刀圓周長。
第一種情況：裁切長度大于兩倍切刀圓周長
圖2: 裁切長度大于兩倍切刀圓周長的運轉(zhuǎn)曲線
如果裁切長度大于兩倍切刀圓周長，運行速度曲線如圖2所示；整個裁切循環(huán)從第一個裁切點開始到第二個裁切點結(jié)束，重點分段說明如下：
1. 控制系統(tǒng)隨時監(jiān)控進料長度與進料速度并控制伺服馬達帶動裁切刀輪，掌握正確的裁刀速度曲線。
2. 從第一個裁切點開始 (裁刀方位角等于180度)，當(dāng)時仍然在同步區(qū)域內(nèi)，因此裁刀速度必須與進料速度維持同步運轉(zhuǎn)。
3. 當(dāng)裁切刀」離開同步區(qū)域后，裁刀速度曲線經(jīng)過控制系統(tǒng)精確的計算、控制，在降低到零速的同時，裁刀方位角也必須剛好等于0度。
4. 當(dāng)進料長度累計到適當(dāng)長度時，裁切刀輪開始朝進料速度目標(biāo)加速；而且裁刀速度曲線經(jīng)過控制系統(tǒng)精確的計算、控制，務(wù)求在裁刀速度上升到與進料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進入同步區(qū)域。
6. 進入同步區(qū)域之后，裁刀速度必須隨時與進料速度維持同步運轉(zhuǎn)，直到第二個裁切點出現(xiàn)，乃完成一次裁切循環(huán)。
圖3: 裁切長度大于切刀圓周長且小于兩倍切刀圓周長的運轉(zhuǎn)曲線
如果裁切長度大于切刀圓周長且小于兩倍切刀圓周長，則運行速度曲線如圖3所示。基本運行速度曲線類似圖2。差異如下：
1. 在整個裁切循環(huán)中，當(dāng)裁切刀輪離開同步區(qū)域后，裁刀速度雖然也會下降，但不會降速至零速停止，不存在零速區(qū)域。
2. 經(jīng)過控制系統(tǒng)精確的計算、控制，在裁刀速度降低到一定值之后，立刻開始再加速；務(wù)求在裁刀速度上升到與進料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進入同步區(qū)域；并維持同步直到第二個裁切點出現(xiàn)，乃完成一次裁切循環(huán)。
3. 裁切長度越趨近切刀圓周長，則速度下降越少；當(dāng)裁切長度等于切刀圓周長時，裁刀速度在整個裁切循環(huán)中都維持與進料速度完全同步
圖4: 裁切長度小于切刀圓周長的運轉(zhuǎn)曲線
如果裁切長度小于切刀圓周長，則運行速度曲線如圖4所示；基本運行速度曲線類似圖3。差異如下：
1. 在整個裁切循環(huán)中，當(dāng)裁切刀輪離開同步區(qū)域后，裁刀速度不降速，反而開始加速。
2. 經(jīng)過控制系統(tǒng)精確的計算、控制，在裁刀速度上升到一定值之后，立刻開始減速；務(wù)求在裁刀速度下降到與進料速度同步的同時，裁切刀輪也恰好進入同步區(qū)域；并維持同步直到第二個裁切點出現(xiàn)，乃完成一次裁切循環(huán)。
3. 裁切長度越小，則裁刀速度上升越高，將造成馬達劇烈的加減速。
四、器件選型的注意事項
輪切系統(tǒng)基本架構(gòu)中所需的主要組件是：
1. 同步伺服或感應(yīng)伺服電機
必須依據(jù)系統(tǒng)扭力的需要，包括伺服電機、機械系統(tǒng)自身的慣量、效率、摩擦損耗等因素來選定適當(dāng)?shù)男问郊肮β省?/P>
一般選擇電機時需注意：
1）低慣量慣量愈低愈好，否則會損耗許多扭力去克服自身的慣量。
2）適當(dāng)?shù)念~定轉(zhuǎn)速及減速比
選定電機規(guī)格時應(yīng)配合減速機構(gòu)一起考慮，最佳的匹配是當(dāng)電機運行于最高轉(zhuǎn)速時， 即是機臺切刀的最高合理運轉(zhuǎn)速度（考慮機械的承受力，及實際應(yīng)用上的要求）。尤其是當(dāng)選用的是感應(yīng)式異步電機加裝編碼器的方式搭配時，更是要考慮適當(dāng)?shù)臏p速比及電機的轉(zhuǎn)速配置。因為一般的異步電機的扭力輸出效率最大的區(qū)間是在額定轉(zhuǎn)速區(qū)附近，在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)扭力輸出效率相對較差；所以若選擇1500rpm的電機，實際上僅運轉(zhuǎn)于約500~600rpm的速度區(qū)間，那么就必須改變減速比，使電機運轉(zhuǎn)于1100~1400rpm，或改用750rpm的電機來使用，如此才能發(fā)揮電機應(yīng)有的扭力輸出效率。
3） 若能采用標(biāo)準(zhǔn)伺服電機則將比使用一般感應(yīng)式異步電機有更好的效果。
2. 驅(qū)動器
必須依據(jù)系統(tǒng)可能的最大扭力需要和選定的伺服電機最大額定電流來選定。驅(qū)動器必須有回升放電功能，可以外接放電電阻（內(nèi)含放電回路的機型）或外加煞車制動器再接放電電阻（無放電回路的機型）；詳細內(nèi)容請咨詢本公司技術(shù)服務(wù)咨詢?nèi)藛T。
3. 主線速度測量編碼器
依據(jù)精度要求及機械參數(shù)來選定。編碼器的選定規(guī)格需注意：
1）工作電壓5V
2）輸出部分是線驅(qū)動（Line Drive），差動式信號，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信號。
4） 配合測量輪的外徑及減速比，測量精度需能合乎裁切精度的要求。
若采用1024ppr的編碼器，配合圓周為400mm的測量輪，如果減速比是1，其測量精度是400/1024*2=0.78mm，可應(yīng)用于±1mm精度要求的測量，但不適用于±0.8mm以下精度要求的測量。要提高測量精度，則必須提高編碼器精度，或增加減速比，以提高單位長度中的脈波輸出量。
4. 人機界面
可規(guī)劃適合的操作畫面，以便于資料輸入，動作切換，系統(tǒng)監(jiān)視。
5. 切點近接開關(guān)
切點近接開關(guān)信號的精確度直接影響裁切的精度。切點信號必須能有精確的重復(fù)性和穩(wěn)定性，其重點在于能確保在高速運轉(zhuǎn)中，精確的重復(fù)標(biāo)示出切刀切斷時的角度位置；信號輸出的延遲時間、感應(yīng)位置的誤差量，都會造成控制上的誤差。
選擇的考慮點：
1）工作電壓24V。
2）輸出信號電壓24V。
3）切斷信號必須是脈沖式的信號。
4）輸出遲延時間愈小愈好。
如果延遲時間小于3usec，表示最大可能的誤差在進料線速度為100米/分時為：
100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm
5）感應(yīng)位置的重復(fù)性愈精準(zhǔn)愈好。
6）感應(yīng)角度愈窄愈好。
7）若要更高的精度，則必須采用編碼器的Z點信號取代一般的近接型開關(guān)。
五、結(jié)束語
上述電腦螺旋刀橫切系統(tǒng)切紙速度可達200M/min切紙速度控制在0.5MM.。全自動高速螺旋刀橫切系統(tǒng)高效率、高精度、高可靠性；可選擇定長橫切、色標(biāo)跟蹤橫切，可自動換單、選擇換單。大大提高了生產(chǎn)效率。
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