中科傳能伺服系統在電腦橫切機上的應用

一、 引言

隨著包裝行業的迅猛發展，瓦楞紙板生產線的生產效率逐年提高，主要體現在瓦楞紙板生產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，切刀的動態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動器之內的中科傳能品牌伺服驅動器在橫切系統中的應用。

二、 系統組成

下圖為電腦螺旋刀橫切機控制簡圖。此系統實現旋轉式同步動態裁切，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。輪刀之上的刀刃必須作精密的調整，當上輪刀之刀刃旋轉至正下方時，下刀刃恰好轉至正上方，才能執行正確的裁切。每次裁切刀輪旋轉一圈，便自動將材料切斷一次；馬達只要在相同方向連續運轉，輪刀便能連續裁切。

圖1：電腦螺旋刀橫切機控制簡圖

系統組成及其功能介紹：

1、旋轉式同步飛剪控制驅動系統：

接受PLC及HMI輸入的運轉命令及長度設定

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速度及同步定位動作

2、人機界面（HMI）：

接受設定資料及顯示運轉狀態

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機構

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；整個裁切循環從第一個裁切點開始到第二個裁切點結束，重點分段說明如下：

1. 控制系統隨時監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)，當時仍然在同步區域內，因此裁刀速度必須與進料速度維持同步運轉。

3. 當裁切刀」離開同步區域后，裁刀速度曲線經過控制系統精確的計算、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. 當進料長度累計到適當長度時，裁切刀輪開始朝進料速度目標加速；而且裁刀速度曲線經過控制系統精確的計算、控制，務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域。

6. 進入同步區域之后，裁刀速度必須隨時與進料速度維持同步運轉，直到第二個裁切點出現，乃完成一次裁切循環。

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. 在整個裁切循環中，當裁切刀輪離開同步區域后，裁刀速度雖然也會下降，但不會降速至零速停止，不存在零速區域。

2. 經過控制系統精確的計算、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域；并維持同步直到第二個裁切點出現，乃完成一次裁切循環。

3. 裁切長度越趨近切刀圓周長，則速度下降越少；當裁切長度等于切刀圓周長時，裁刀速度在整個裁切循環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. 在整個裁切循環中，當裁切刀輪離開同步區域后，裁刀速度不降速，反而開始加速。

2. 經過控制系統精確的計算、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域；并維持同步直到第二個裁切點出現，乃完成一次裁切循環。

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

輪切系統基本架構中所需的主要組件是：

1. 同步伺服或感應伺服電機

必須依據系統扭力的需要，包括伺服電機、機械系統自身的慣量、效率、摩擦損耗等因素來選定適當的形式及功率。

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）適當的額定轉速及減速比

選定電機規格時應配合減速機構一起考慮，最佳的匹配是當電機運行于最高轉速時， 即是機臺切刀的最高合理運轉速度（考慮機械的承受力，及實際應用上的要求）。尤其是當選用的是感應式異步電機加裝編碼器的方式搭配時，更是要考慮適當的減速比及電機的轉速配置。因為一般的異步電機的扭力輸出效率最大的區間是在額定轉速區附近，在較低的轉速區扭力輸出效率相對較差；所以若選擇1500rpm的電機，實際上僅運轉于約500~600rpm的速度區間，那么就必須改變減速比，使電機運轉于1100~1400rpm，或改用750rpm的電機來使用，如此才能發揮電機應有的扭力輸出效率。

3） 若能采用標準伺服電機則將比使用一般感應式異步電機有更好的效果。

2. 驅動器

必須依據系統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。驅動器必須有回升放電功能，可以外接放電電阻（內含放電回路的機型）或外加煞車制動器再接放電電阻（無放電回路的機型）；詳細內容請咨詢本公司技術服務咨詢人員。

3. 主線速度測量編碼器

依據精度要求及機械參數來選定。編碼器的選定規格需注意：

1）工作電壓5V

2）輸出部分是線驅動（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

可規劃適合的操作畫面，以便于資料輸入，動作切換，系統監視。

5. 切點近接開關

切點近接開關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性和穩定性，其重點在于能確保在高速運轉中，精確的重復標示出切刀切斷時的角度位置；信號輸出的延遲時間、感應位置的誤差量，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）感應位置的重復性愈精準愈好。

6）感應角度愈窄愈好。

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。

五、結束語

上述電腦螺旋刀橫切系統切紙速度可達200M/min切紙速度控制在0.5MM.。全自動高速螺旋刀橫切系統高效率、高精度、高可靠性；可選擇定長橫切、色標跟蹤橫切，可自動換單、選擇換單。大大提高了生產效率。