作者/熊偉華，東莞市技師學(xué)院；黎燕，東莞科學(xué)館

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生活用紙切紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/熊偉華，東莞市技師學(xué)院；黎燕，東莞科學(xué)館

文章摘要：切紙機(jī)是生活用紙行業(yè)廣泛使用的一種紙張加工設(shè)備，主要完成生活用紙復(fù)卷后的裁切功能。本論文主要針對(duì)生活用紙帶鋸切紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)帶鋸切紙機(jī)的工作原理和生產(chǎn)工藝的分析，得出切紙重復(fù)誤差偏大，改變切紙長(zhǎng)度時(shí)，調(diào)整難度大的弊端，生產(chǎn)靠手工完成，自動(dòng)化水平低。針對(duì)這些問(wèn)題，采用先進(jìn)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制、觸摸屏操作。切割速度、長(zhǎng)度可通過(guò)電腦控制屏設(shè)定，推進(jìn)、切割、磨刀更加流暢和連續(xù)。完成了控制的仿真工作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。通過(guò)對(duì)調(diào)試結(jié)果的分析，控制系統(tǒng)滿足要求。

關(guān)鍵詞：帶鋸切紙機(jī)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)；PLC控制；觸摸屏

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，對(duì)生活用紙的需求量大大增加，這一方面促進(jìn)了我國(guó)紙業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)生活用紙加工設(shè)備的性能提出了更高的要求。生活用紙切紙機(jī)有衛(wèi)生紙切紙機(jī)、餐巾紙切紙機(jī)、抽紙切紙機(jī)、方塊紙切紙機(jī)、盤紙切紙機(jī)、擦手紙切紙機(jī)、面巾紙切紙機(jī)等切紙機(jī)械組成。衛(wèi)生紙切紙機(jī)更多的是指帶鋸，也就是用來(lái)切衛(wèi)生紙卷紙的帶鋸切紙機(jī)。帶鋸切紙機(jī)配備自動(dòng)磨刀、活動(dòng)臺(tái)板裝置，可以根據(jù)所需的長(zhǎng)度、寬度切成所需的卷紙成品。切紙機(jī)有手動(dòng)切紙機(jī)，電動(dòng)切紙機(jī)，數(shù)控切紙機(jī)等，生產(chǎn)生活用紙的廠家大部分采用的是手動(dòng)帶鋸切紙機(jī)，自動(dòng)化水平非常低。基于這樣的現(xiàn)狀，急需改變國(guó)內(nèi)生活用紙機(jī)械落后的狀況，在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，消化吸收和開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的造紙機(jī)械設(shè)備，以滿足國(guó)內(nèi)生活用紙加工業(yè)發(fā)展的需求。目前國(guó)內(nèi)的切紙機(jī)與國(guó)外的相比還存在著一定的差距，主要表現(xiàn)在車速低、控制精度差、穩(wěn)定性和可靠性差等方面。本文研究的主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)好的控制方法和電氣控制系統(tǒng)以提高切紙機(jī)的切紙精度，提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

1.切紙機(jī)控制方案的分析與設(shè)計(jì)

■1.1切紙機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

帶鋸式自動(dòng)切紙機(jī)是用來(lái)切割客戶定制尺寸的衛(wèi)生卷紙和方巾紙的自動(dòng)化設(shè)備，可分切有芯卷紙、無(wú)芯卷紙和方巾紙。當(dāng)紙卷被推進(jìn)到切割系統(tǒng)時(shí),它會(huì)被夾具夾住,并被送到切刀上進(jìn)行切割。該設(shè)備的主要特點(diǎn)：

1）氣動(dòng)進(jìn)刀，減少噪聲和電力損耗。

2）一次切2條紙，提高生產(chǎn)效率?？蛇x擇單條、雙條切紙。

3）配置先進(jìn)的光電檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)計(jì)數(shù)，無(wú)料時(shí)停機(jī)。

4）可以自行設(shè)定紙頭長(zhǎng)度，切口平整，分切精確。

5）切割系統(tǒng)配有自動(dòng)磨刀系統(tǒng)，砂輪可自動(dòng)根據(jù)切割次數(shù)來(lái)準(zhǔn)確研磨刀片。磨刀的時(shí)間、頻率可通過(guò)電腦控制屏設(shè)定。

6）采用先進(jìn)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制、觸摸屏操作。切割速度、長(zhǎng)度可通過(guò)電腦控制屏設(shè)定，推進(jìn)、切割、磨刀更加流暢和連續(xù)。

7）卷紙輸送：PLC人機(jī)界面、出紙口自動(dòng)輸送。系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別紙頭、紙尾，并按要 求切指定的長(zhǎng)度，紙頭、紙尾接送至與紙球不同的傳送帶。

8）可與卷紙機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，機(jī)臺(tái)上滿2條紙，切紙機(jī)自動(dòng)切割。

■1.2切紙機(jī)的主要參數(shù)

切紙機(jī)加工出衛(wèi)生卷紙，其主要參數(shù)列表如下：

2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

■2.1步進(jìn)電機(jī)選型的計(jì)算

已知：同步帶直線平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)，行程L=120mm,傳動(dòng)時(shí)間 t=0.4秒，重復(fù)定位誤差 0.15mm, 紙質(zhì)量M=12kg, 無(wú)外力?，F(xiàn)選定：電機(jī)型號(hào)、帶輪直徑、最大細(xì)分?jǐn)?shù)。

2.1.1運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

平均速度：V=0.12/0.4= 0.3m/s

設(shè)加速時(shí)間為0.1秒，減速時(shí)間為0.1秒，則加減速時(shí)間為0.2秒

故：L=0.2×Vmax/2+0.2×Vmax=0.12m

Vmax=0.12/(0.1+0.2) = 0.4m/s

加速度為：a=0.4/0.1= 4m/s2

加速距離 S1=4×0.1×0.1/2= 0.02m

勻速距離 S2=0.4×0.2=0.08m

減速距離 S3= S1=0.02m

總距離 S=S1+S2+S3=0.120m 符合要求。

2.1.2動(dòng)力學(xué)計(jì)算

傳動(dòng)帶上的拉力 F=Ma + f

摩擦力 f=uMg=0.1★24★9.8=23.52N 設(shè)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)u= 0.1

慣性力 F1=Ma=24★4= 96N

傳動(dòng)帶上的拉力 F=Ma + f = 119.52N

2.1.3選擇傳送帶直徑和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m

設(shè)傳送帶直徑 Φ=60mm。

周長(zhǎng)C=3.14★60= 188.4 mm

核算定位精度：脈沖當(dāng)量 δ=C/(200★m) ＜ 0.15 m＞C/(200★0.15) = 188.4/(200★0.15) = 6.28

核算最大轉(zhuǎn)速：nmax = Vmax/C = 0.4/(188.4/1000 )= 2.123 r/s =2.123★60 r/分=127.39 轉(zhuǎn)/分

取細(xì)分?jǐn)?shù)m=8

脈沖當(dāng)量 δ=C/(200★m) = 188.4/200/8= 0.118 mm

2.1.4計(jì)算電機(jī)力矩、選擇電機(jī)型號(hào)

沒(méi)用變速裝置，電機(jī)力矩等于負(fù)載力矩

T= F★Φ/2 = 119.52 ★ 60/2/1000 = 3.585 Nm

取安全系數(shù)為2.0 ，故電機(jī)力矩 T0= 3.585★2.0 = 7.2 Nm

選電機(jī)為：86系列 靜力矩為8.7 Nm, 步距角為1.8°，軸徑12.7mm,

型號(hào)：LL86HB118，機(jī)身長(zhǎng) 118mm, 靜力力矩：8.7 Nm , 安裝尺寸：69.5★69.5 mm

2.1.5必要脈沖數(shù)

如下圖，2相步進(jìn)電機(jī)（1.8°/步）驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)1秒鐘。驅(qū)動(dòng)輪的周長(zhǎng)（3.14×60=188.4）即旋轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)的距離大約為188.4[mm]。設(shè)紙長(zhǎng)120mm。D=60 mm.

因此，所需要的必要脈沖數(shù)為：

圖1　動(dòng)作流程

圖2　動(dòng)作示意圖

采用自啟動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)0.4秒鐘，則驅(qū)動(dòng)脈沖速度計(jì)算：

■2.2硬件選擇

(1)PLC：三菱 FX1S-30MT；

(2)步進(jìn)電機(jī)：LL86HB118；

(3)觸摸屏：F940GOT-SWD-C；

3.觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏的設(shè)計(jì)界面如下：

4.設(shè)備接線圖的設(shè)計(jì)

根據(jù)控制方案選好硬件設(shè)備后，設(shè)計(jì)出硬件設(shè)備的控制原理圖、設(shè)備接線圖、電器柜和操作臺(tái)尺寸、開孔及安裝圖交付給裝配廠進(jìn)行裝配。控制電源、PLC電源、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電源控制電路圖如下。

5.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

■5.1PLC程序設(shè)計(jì)

在切紙機(jī)的控制系統(tǒng)中PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的控制中心，主要的控制功能都是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)控制方案和生產(chǎn)要求及工藝對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，主要是對(duì)PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，在這里就步進(jìn)電機(jī)控制的梯形圖程序設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。PLC程序組成部分如下：

■5.2觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的觸摸屏選用三菱F940GOT-SWD-C，切紙機(jī)的操作控制主要通過(guò)觸摸屏來(lái)進(jìn)行。采用的專業(yè)開發(fā)軟件GT Designer2, GT Simulator2 進(jìn)行設(shè)計(jì)。因操作界面較多，在這就簡(jiǎn)單地介紹主界面，如圖所示。

6.調(diào)試及運(yùn)行結(jié)果分析

通過(guò)調(diào)試軟件進(jìn)行在線調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置和調(diào)整。對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了分析，在速度的穩(wěn)定性，同步性上都達(dá)到了控制的要求，該系統(tǒng)己經(jīng)在實(shí)際中運(yùn)行，有些參數(shù)還需在運(yùn)行階段一步步的調(diào)整以達(dá)到最佳的控制效果。

本文主要是對(duì)切紙機(jī)交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，電氣設(shè)計(jì)包括：控制方案的設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的調(diào)試幾個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)這幾個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，總結(jié)出該電氣控制系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

1）通過(guò)分析其他廠家的切紙機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了比較完善的控制方案，使得控制系統(tǒng)的控制精度大大提高。

2）在切紙機(jī)的難點(diǎn)控制，即切刀速度相對(duì)送紙速度的同步控制，提高了速度控制的穩(wěn)定性和同步性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)切紙機(jī)的高效連續(xù)調(diào)速控制和精確控制。

3）根據(jù)控制方案結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本選擇了合適的硬件，設(shè)計(jì)了滿足控制要求的硬件系統(tǒng)。

4）根據(jù)生產(chǎn)工藝及控制要求設(shè)計(jì)的軟件控制程序很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制，由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制、觸摸屏組成的軟件控制系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性和有效性。

5）觸摸屏的使用使得該控制系統(tǒng)的操作被大大簡(jiǎn)化，降低了生成成本。

需要指出的是由于受到一些客觀條件的制約，所以不可能面面俱到地對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的各個(gè)方面進(jìn)行透徹地研究和分析，尚有一些工作還需要進(jìn)一步的展開和完善。

7.結(jié)束語(yǔ)

由以上分析可知，采用步進(jìn)控制可以滿足切紙精度的要求，操作自動(dòng)化，減少了人工操作，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

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