李學(xué)斌

摘 ?要：復(fù)合模切機電氣控制系統(tǒng)就是根據(jù)卡紙/瓦楞紙共機生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求，重新設(shè)計了傳統(tǒng)模切機控制系統(tǒng)的平臺和程序架構(gòu)，除滿足機器的功能需求和操作便利性外，還從設(shè)計角度提高了機器的安全性、可維護性和電氣易裝配性，并預(yù)留了將來連接自動物流系統(tǒng)的功能架構(gòu)和擴展性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合膜切機;自動主副臺交替;變頻器閉環(huán)矢量運行控制和調(diào)節(jié);電氣控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

復(fù)合模切機是針對客戶和市場需求而研發(fā)的新一代模切機，主要針對國外歐美市場，安全方面要按照CE標準來設(shè)計和審查。該機型同時也是使用三菱最新iQ-F平臺的FX5 系列PLC來做控制系統(tǒng)設(shè)計的首臺模切機產(chǎn)品，除了實現(xiàn)復(fù)合模切機的控制功能外，還要在軟件和程序結(jié)構(gòu)上做出改變，使其能夠僅用一個程序版本來實現(xiàn)整個系列機器的全部功能。

同時復(fù)合模切機與以往的傳統(tǒng)模切機相比，增加了以前沒有的自動主副臺交替和切換功能，預(yù)留了未來連接自動物流系統(tǒng)的接口和功能擴展。為了保證卡紙和瓦楞紙的收紙效果，改變傳統(tǒng)機械凸輪控制的收紙毛刷軸，將其級為可以根據(jù)紙張類型和厚薄來自動調(diào)節(jié)運行的伺服驅(qū)動毛刷軸。模切機是復(fù)雜的機電設(shè)備，伺服配置方案將直接影響成本、開發(fā)周期和整體性能[1]。

1 復(fù)合模切機

作為印后包裝領(lǐng)域主要設(shè)備的傳統(tǒng)模切機，根據(jù)應(yīng)用的紙張類型獨立分為卡紙模切機和瓦楞紙模切機2種，而復(fù)合模切機是根據(jù)卡紙、瓦楞紙（送紙、模切工藝）的差異，通過設(shè)計新的送紙機構(gòu)和調(diào)整模切、清廢、收紙的結(jié)構(gòu)，以此來實現(xiàn)卡紙、瓦楞紙的共機運行。送紙機構(gòu)采用卡紙模切機的上吸式飛達結(jié)構(gòu)，不過根據(jù)卡紙和瓦楞紙共線的需求，增加了飛達頭上下高度調(diào)節(jié)和紙頭高度檢測傳感器。根據(jù)瓦楞紙容易翹曲的特點，通過傳感器自動偵測紙頭在送紙翻板處的高度以及飛達頭到紙尾踩腳的距離，通過動態(tài)跟蹤調(diào)整來適應(yīng)。

由于瓦楞紙的厚度原因，送紙紙垛的更替相比卡紙會更頻繁，因此通過增加紙垛自動側(cè)向修正和居中及紙堆主副臺自動交換功能，以此來提高效率并降低操作人員的勞動強度。對于紙張的雙張檢測，應(yīng)用了適應(yīng)卡紙的超聲波檢測方式和針對瓦楞紙的機械厚度差異檢測方式。通過以上措施，使卡紙和瓦楞紙都可以在復(fù)合模切機上進行高速生產(chǎn)，一機兩用，提高了印刷包裝廠的設(shè)備利用率。

2 主副臺提升伺服驅(qū)動替代方案

復(fù)合模切機送紙功能的主要部件——飛達副臺，在自動運行模式下，由主臺剩余紙堆轉(zhuǎn)移到副臺或副臺剩余紙堆轉(zhuǎn)移到主臺的交換過程中，主臺或副臺同時也在執(zhí)行提升送紙任務(wù)，整個轉(zhuǎn)移過程需要在主副臺相對高度位置一致時執(zhí)行，并在執(zhí)行過程中保持這樣的恒定位置，傳統(tǒng)的方式是針對主副臺的升降采用伺服電機的控制方案，但伺服系統(tǒng)和配套的減速器、制動器等成本比較昂貴，在仔細分析了主副臺提升應(yīng)用的特點后，認為不采用伺服方案，而是采用特殊配置組合的三相異步交流電機+減速器+剎車的方案，一樣可以實現(xiàn)類似伺服的性能和要求。具體方案為采用獨立風(fēng)扇設(shè)計的帶軸端編碼器反饋的三相異步電機+剎車，電機繞組按照額定50 Hz，400V-Y型/230 V-△的設(shè)計，變頻器對應(yīng)電機的額定參數(shù)輸入為頻率50×=87 Hz，電壓=400 V，電流=電機在△接法下的額定電流值，電機軸端安裝了編碼器，通過電機軸的轉(zhuǎn)動脈沖來測量速度和升降位移，以此來進行閉環(huán)控制，保證了速度精度和穩(wěn)定性并具有較高的動態(tài)響應(yīng)，改善了電機低速時的轉(zhuǎn)矩特性。電機進行參數(shù)自整定，使其可以運行在閉環(huán)矢量模式下，電機的最高輸出頻率設(shè)定在100 Hz，對應(yīng)最高的主副臺升降速度，并應(yīng)用提升模式通過變頻器來控制剎車的投入和釋放，為了合理利用電機的調(diào)速范圍，避免三相異步電機的頻繁啟停，設(shè)計上根據(jù)送紙的紙張厚度，系統(tǒng)會控制主副臺提升變頻器，根據(jù)機器的當(dāng)前運行速度+紙張厚度，自動調(diào)節(jié)電機以連續(xù)的無級變速方式運行，使單位時間的主副臺提升位移與紙張的消耗高度一致，以此來避免電機的頻繁啟停和剎車切換，成功替代了傳統(tǒng)的伺服方案。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電氣控制回路

控制系統(tǒng)的性能好壞直接影響著整個機器的性能[2]。電氣控制回路設(shè)計從3個方面進行了改進。1）PLC使用新一代的三菱FX5系列PLC， 系統(tǒng)資源豐富，運行速度快，具有以太網(wǎng)接口，擴展應(yīng)用方便，軟件保密性好，產(chǎn)品壽命周期長。2） 觸摸屏使用最新工藝的隱藏式安裝方式，顯示界面內(nèi)容和顯示方式采用圖標化界面，取消文本方式，避免在不同國家和區(qū)域銷售時頻繁進行語言修改和調(diào)整。3） 設(shè)計方面更多的考慮到電氣接線和裝配的成本，采取了以下4個具體的改進措施。①盡量減少不必要的外置按鈕和開關(guān)，把僅需要進行設(shè)置不需要頻繁操作的按鈕和選擇開關(guān)，從外圍的操作面板移到機器的HMI上， 從而減少該部分的零件并完全取消接線，還可以減少故障率。②盡量取消不必要的面板按鈕指示燈，更多地利用機器的主信號燈和聲音報警器，這樣可以減少大量的外圍接線工作量。③盡量減少電纜和線束的中間過渡和連接，如果有需要時，盡量采用連接器轉(zhuǎn)接方式，減少轉(zhuǎn)接分線盒的使用量，對所有的傳感器使用帶接頭的連接器方式，不使用焊接電纜加長的方法，這樣可以使未來的裝配和維修更換更方便。④電氣柜使用成品的電箱而不是像以往那樣使用鈑金件加工，保證密封和防塵效果。冷卻時使用專門的電柜冷卻風(fēng)機和符合要求的過濾網(wǎng)，內(nèi)裝溫度可以通過調(diào)節(jié)控制器來控制。冷卻風(fēng)機在電箱溫度達到一定閾值后，才能進行冷卻散熱，冬天和溫度不高的情況下是不工作的，這樣既保證了風(fēng)扇壽命，又避免了過濾網(wǎng)的灰塵過量累積，有更高要求的可以選裝制冷空調(diào)。裝配好的成品電箱滿足IP55等級的密封要求。

3.2 控制軟件與程序

機器的控制軟件基于模塊化的方案，按照功能分類進行設(shè)計，一個軟件版本涵蓋了加高、非加高、配射紙器、加長伺服、前緣送紙、吸咀送紙、上吸式飛達、Elite和標準版等眾多機型變化。首先，基于機器功能和控制要求，把程序要實現(xiàn)的任務(wù)分解為不同的功能塊，按照功能塊的定義來編寫和實現(xiàn)對應(yīng)的程序功能，目的是以后每臺機器的控制功能都是由一些細分的不同功能塊組成的，不同的機器可以共用相同的程序功能塊而不需要重復(fù)開發(fā)，每種新機型將來只要開發(fā)新增或差異化的功能部分即可，而且可以容易實現(xiàn)多個電氣工程師的并行開發(fā)。其次，初始化的參數(shù)設(shè)置放在初始程序內(nèi)執(zhí)行，僅在上電的第一次掃描周期前執(zhí)行一次，后續(xù)不再執(zhí)行， 提高程序效率。再次，機器的基本功能部分按照模塊化的設(shè)計原則，放入掃描類執(zhí)行程序內(nèi)，并根據(jù)功能分開配置為不同的程序塊，方便進行調(diào)試和修改、維護和未來的機器設(shè)計開發(fā)。最后，對于機器的差異化配置和Option功能，放入事件或待機類程序內(nèi)，并通過在HMI的制造商保護密碼菜單內(nèi)進行機器的結(jié)構(gòu)配置后，可以進行選擇性激活或關(guān)閉。如果關(guān)閉，則不會被程序周期掃描和執(zhí)行。

3.3 安全性強化

機器的安全功能提升。復(fù)合模切機的安全等級按照最新的SIL3等級進行設(shè)計，具體的細節(jié)措施和設(shè)計原則包括5個方面。1）安全繼電器采用雙閉合回路并應(yīng)用手動復(fù)位的設(shè)計，對于安全觸點回路不足而通過中間繼電器進行擴展的應(yīng)用， 需要把中間繼電器的常閉觸點串入復(fù)位回路。2）機器的運動執(zhí)行部件的電源需要通過急停安全繼電器的安全觸點回路來提供，以此來保證急停安全繼電器觸發(fā)時，從物理上切斷執(zhí)行元件的電源，同時擴展到氣源，也屬于動力源。3）收紙主臺、副臺、清廢框升降等，在收紙和清廢部安全門打開的情況下有安全風(fēng)險的動作，其執(zhí)行元件經(jīng)過這2個門安全繼電器的安全觸點回路進行供電，以此來確保安全。4）牙排鏈條鎖、離合制動器等，影響到所有機構(gòu)（飛達送紙除外）運行安全的執(zhí)行元件，除了經(jīng)過收紙和清廢部的門安全繼電器的安全觸點回路進行供電外，還要經(jīng)過模切板框和模切入口的門安全繼電器的安全觸點回路。對于簡化版的機器，所有安全門共用1個安全繼電器的情況，第3第4項的執(zhí)行元件全部通過該安全繼電器的安全觸點回路供給電源。5）主馬達變頻器的供電回路除了急停安全繼電器回路外， 再串入手動盤車扳手/離合器氣源氣管的脫開信號，這樣如果手動盤車扳手沒有脫開的話，主馬達變頻器也是失電的，以此來保證安全。在觸發(fā)主馬達停止的安全回路后，由于主電機驅(qū)動的大飛輪慣性非常大，因此先采用控制變頻器進行緊急減速停車，然后再停止電源供給，以此來避免直接斷電后進入自由停車狀態(tài)，這樣反而不安全且停車時間會非常長，這是通過一個斷電延時的繼電器實現(xiàn)的，同時變頻器的主電源要設(shè)置為斷電制動停車的方式。

4 關(guān)鍵功能的設(shè)計實現(xiàn)

4.1 主機電子凸輪

主要是對機器的主機電子凸輪的應(yīng)用方式進行改進，以往的主機電子凸輪采用360 P/R的編碼器接入計數(shù)器通道，并采用Z相脈沖清0的方式，這樣的應(yīng)用方式需要PLC的計數(shù)器值和機械的凸輪角度值一致后，才能固定和鎖緊編碼器軸，對應(yīng)的調(diào)教方式非?；〞r間，且需要2個人配合才能完成。使用過程中如果出現(xiàn)編碼器軸連接松動或接觸不良等故障，無法及時察覺容易導(dǎo)致機器運行時出現(xiàn)其他故障。

改進后的電子凸輪還是使用360 P/R的編碼器接入PLC的計數(shù)器通道， 但可以在任意位置對編碼器與機械傳動軸進行固定后，在HMI中輸入此時的機械凸輪值并按鈕確認，電子凸輪的安裝和設(shè)置就完成了，通過運行幾周觀察確認無誤后，可以在HMI中確認和開啟編碼器自檢功能。其設(shè)計原理為編碼器在PLC工程內(nèi)設(shè)置鏈長為360的環(huán)形計數(shù)器，在HMI中確認開啟自檢功能后，會把初始的編碼器Z相脈沖對應(yīng)的計數(shù)器值存儲在系統(tǒng)斷電鎖存寄存器中， 以后的機器每個周期當(dāng)Z相脈沖觸發(fā)時，會把當(dāng)前的計數(shù)器值和鎖存的校準值進行比較，如果差異>2°，就會觸發(fā)報警并會提示是正差還是負差，同時會自動修正偏差值。

4.2 設(shè)備速度控制

主要是對機器速度控制方式進行改進，原來的機器通過直接連接變頻器模擬量輸入端的電位器的方式來進行速度設(shè)置，由于機器的大飛輪慣性比較大，電位器的當(dāng)前位置對應(yīng)的機器最終運行速度有幾秒鐘的滯后，這樣就造成機器的調(diào)速過程較慢并且需要反復(fù)進行，而且這樣的方式也不利于生產(chǎn)數(shù)據(jù)并且設(shè)置的自動實現(xiàn)，新的機器調(diào)速方式是采用PLC的D/A通道，直接輸出模擬量的速度參考信號到變頻器中， 經(jīng)過線性校準后， 可以直接在HMI上輸入想要的機器速度XXXX s/h， 確認后不需要等待和反復(fù)調(diào)教。

同時為了兼顧以前的操作習(xí)慣，通過編碼器計數(shù)通道添加了旋鈕式增量雙通道編碼開關(guān)，利用旋鈕的正反轉(zhuǎn)也可以調(diào)節(jié)機器的速度并改變HMI上設(shè)定值，正傳增速反轉(zhuǎn)減速，轉(zhuǎn)的快，速度改變也快，操作靈活方便可以作為HMI機器直接設(shè)定方式的補充。

4.3 主副臺自動切換

上吸式飛達的自動主副臺切換功能，為了保證模切機飛達的送紙效率，在主臺上的紙堆快要送完前， 會把剩余的紙堆通過主→副臺交換轉(zhuǎn)交給飛達副臺，這樣去掉紙堆的空棧板，可以及時排出主臺并更換新的待送紙堆，等到待送紙堆控制提升到副臺送紙位置下方后，再觸發(fā)副→主臺交換，把副臺上剩余的紙堆疊加到主臺頂部并繼續(xù)送紙，原來的手動副臺需要人為控制主臺和副臺的交接流程，并伸入/縮回多個插桿，操作工的工作強度高并占用了大量時間，新設(shè)計的自動副臺可以在不需要人為干預(yù)的情況下自動執(zhí)行主副臺的相互交替。

這一功能設(shè)計開發(fā)的主要目的是保證在機器生產(chǎn)期間紙堆更替時， 飛達送紙不會停止，從而保證機器的生產(chǎn)效率。其主要的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)方法如下。

首先，主副臺側(cè)向位置修正和居中功能，自動副臺要求在初始位置時，主臺和副臺都處于居中位置，這樣可以使其上紙時有左右同等的修正余量，在紙堆上升過程中，主臺會根據(jù)紙堆的側(cè)向位置進行修正，以此來保證紙堆的側(cè)向送紙位置，主臺在紙堆送完后要回到居中位置，準備接入新紙堆，副臺在進行主→副臺交接前，要根據(jù)傳感器的位置反饋檢測插桿是否對準了棧板容納凹槽，并進行修正，在副臺紙堆交接給主臺后， 副臺要回到側(cè)向的居中位置，迎接和準備下一次主副臺交換。在綜合分析成本、性能和安裝尺寸空間等因素的情況下，選擇了電動推桿+（兩側(cè)內(nèi)限位+電位器）的控制方案，特別是內(nèi)置電位器和推桿的位移行程關(guān)聯(lián)，通過A/D通道的轉(zhuǎn)換來判斷電動推桿的實際行程位置，這種方式簡單有效，可以說是簡單價廉的絕對位置編碼器，實際的應(yīng)用測試結(jié)果也驗證了這一設(shè)計構(gòu)想。

其次，在主→副臺的紙堆交替過程中，主臺同時在執(zhí)行提升送紙任務(wù)，整個交替過程需要在主副臺相對位置接近一致時執(zhí)行，并在執(zhí)行交替的過程中保持這樣的位置，在該過程中要進行棧板凹槽和插桿伸出位置的校對和修正工作，位置無誤后再執(zhí)行插桿伸出動作，并在插桿完全伸出接到紙堆后，將紙堆的按需提升動作由主臺轉(zhuǎn)移到副臺。副→主臺的交替過程中，先由主臺攜帶紙堆在副臺下方減速，達到托起副臺紙堆位置時，執(zhí)行副臺插桿的縮回動作，直至完全縮回到位，在該過程中也要保證主副臺的位置恒定，同時跟隨送紙動作上升。電氣設(shè)計上使用閉環(huán)矢量運行的變頻器+三相異步電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服驅(qū)動方案，在實現(xiàn)功能的前提下降低了成本。

最后，以往的上吸式飛達是采用單一的踩腳模擬量（飛達頭壓腳按照凸輪行程往復(fù)踩紙，紙堆高度通過壓腳與模擬量接近開關(guān)的距離檢測得到）控制主臺提升的方式，對于容易彎翹的瓦楞紙和主副臺交換時的插桿縮回造成的紙堆高度不平問題，新設(shè)計通過送紙翻板處的光電來影響主副臺的提升，以此來控制紙堆的紙頭高度。同時，用紙堆紙尾的踩腳模擬量傳感器來控制飛達頭的升降，使吸紙單元與紙尾動態(tài)保持在合適的距離范圍內(nèi)， 這樣的設(shè)計控制思路是通過紙頭和紙尾的分別調(diào)教，使紙尾飛達頭和紙頭送紙翻板根據(jù)紙面的彎翹狀態(tài)形成與紙面平行的高度狀態(tài)，以此來保證送紙的順暢和質(zhì)量。

5 結(jié)語

復(fù)合模切機的功能測試及長期試運行證明， 新的電氣控制系統(tǒng)在安全性、操作便利性等方面與老的模切機控制系統(tǒng)相比有了質(zhì)的提高和飛躍，特別是程序軟件使用按照功能分類的模塊化設(shè)計方式，使程序的設(shè)計和移植到別的機型變得更容易和高效。新設(shè)計開發(fā)的主副臺自動相互交替功能、新電子凸輪功能的收紙制動毛刷軸、通過電動推桿+位移電位器的主副臺側(cè)向位置檢測和修正功能都通過了測試驗證和性能測試，在薄卡紙（0.2 mm）和厚瓦楞（5 mm）的極限紙張厚度及機器最大設(shè)計運行速度（6 000 s/h）的情況下，都成功通過了測試并且運行結(jié)果良好，完全達到了項目立項時所設(shè)定的技術(shù)指標和功能要求。

參考文獻

[1]朱火美，蒲洪彬，李偉光.數(shù)控瓦楞紙板印刷模切機伺服配置設(shè)計與評價研究[J].包裝工程，2012，33（3）：85-88.

[2]丁毅，張波，曾珊琪.模切機工作臺運動特征分析及實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與制造，2011（7）：197-198.