趙曉光，錢(qián)熠，王維，顧建，陳征峰

(1.杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司，浙江 杭州 310018；2. 杭州紐億自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，浙江 杭州 310051)

隨著我國(guó)物流行業(yè)的飛速發(fā)展，全鋼子午線輪胎的應(yīng)用越來(lái)越為廣泛。載重車(chē)輛配用的全鋼子午線輪胎的動(dòng)平衡和均勻性直接決定了車(chē)輛的安全、速度、油耗、舒適性等。在全鋼子午胎的結(jié)構(gòu)中，內(nèi)襯層，胎側(cè)，胎面，墊膠等部件均由擠出機(jī)聯(lián)動(dòng)線生產(chǎn)。輪胎的動(dòng)平衡均勻性性能與組成全鋼子午胎的基礎(chǔ)部件的尺寸一致性直接相關(guān)。有了尺寸一致的擠出部件保證，后續(xù)成型工序才能有貼合出優(yōu)良胎胚的基礎(chǔ)，經(jīng)硫化后才能生產(chǎn)出均動(dòng)性合格的輪胎。

1 擠出部件尺寸穩(wěn)定性與張力控制

1.1 尺寸穩(wěn)定性影響因素

擠出聯(lián)動(dòng)線在理想狀況下生產(chǎn)的擠出部件應(yīng)該能保持尺寸穩(wěn)定性。但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中，許多變動(dòng)因素影響了部件尺寸穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。這些變動(dòng)因素主要包括以下。

（1）膠料：不同批次膠料特性的變動(dòng)，例如：門(mén)尼、膠燒時(shí)間、塑化時(shí)間等。

（2）擠出參數(shù)：排膠溫度、機(jī)頭壓力、螺桿轉(zhuǎn)速等變動(dòng)。

（3）聯(lián)動(dòng)線參數(shù)：張力、線速度、強(qiáng)制收縮比、噴淋冷卻，卷取速度等變動(dòng)。

（4）環(huán)境：現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間溫度、濕度等變動(dòng)。

（5）放置與運(yùn)送：至下一工序的停放時(shí)間、放置方法、運(yùn)送方式的變動(dòng)。

以上這些因素中，（3）的聯(lián)動(dòng)線長(zhǎng)度長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多，需要多種手段加以控制，其中聯(lián)動(dòng)線的張力控制是其中難點(diǎn)也是關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2 擠出聯(lián)動(dòng)線的張力控制特點(diǎn)

1.2.1 擠出部件的收縮

擠出機(jī)機(jī)頭擠出溫度設(shè)定范圍為100～130 ℃，擠出速度3～30 m/min。經(jīng)聯(lián)動(dòng)線輸送冷卻后達(dá)到常溫45 ℃以下。擠出部件從擠出的高溫狀態(tài)到卷取或裁斷的常溫狀態(tài)，在這一過(guò)程，部件的尺寸有較明顯的收縮變化。橡膠的線膨脹系數(shù)比金屬的線膨脹系數(shù)約大20倍，因此橡膠制品尺寸與溫度變化密切相關(guān)。制品經(jīng)過(guò)聯(lián)動(dòng)線的強(qiáng)制收縮段后，收縮率會(huì)達(dá)到10%左右，在隨后的的聯(lián)動(dòng)線部分，非強(qiáng)制收縮段收縮率在3%左右。取聯(lián)動(dòng)線擠出制品收縮率C=3%。如擠出速度V=18 m/min=300 mm/s, 聯(lián)動(dòng)線總輸送長(zhǎng)度L=120 m。

單位時(shí)間變化率：ΔC=V×C=300×3%=9 mm/s

輸送過(guò)程中制品的收縮長(zhǎng)度：ΔL=L×C=120 m×3%=3.6 m

1.2.2 聯(lián)動(dòng)線分段分速輸送

由1.2.1可見(jiàn)，聯(lián)動(dòng)線輸送擠出部件是一種長(zhǎng)度實(shí)時(shí)變化部件，在輸送過(guò)程中，部件長(zhǎng)度逐漸收縮。如采用常規(guī)輸送方法，如輸送帶等速連續(xù)輸送。這種方法輸送下，正在逐漸收縮的擠出部件將會(huì)受到輸送帶拉伸。按1.2.1參數(shù)，即產(chǎn)生9 mm/S的單位拉伸量，聯(lián)動(dòng)線總長(zhǎng)度范圍3.6 m的拉伸量。適應(yīng)這種狀況的輸送方法應(yīng)該是根據(jù)收縮率逐漸降速的輸送方法，最理想是跟隨擠出部件的收縮率無(wú)級(jí)降速的輸送方式，但這種方式只能趨近無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)且代價(jià)昂貴。為此，目前大部分廠家采用了折中方式，聯(lián)動(dòng)線劃分為多段輸送，每一段內(nèi)為等速連續(xù)輸送，段與段間不等速的級(jí)差輸送方式。

1.2.3 段間張力控制要求

從尺寸一致性與張力關(guān)系角度看，輸送線對(duì)物料的牽引張力恒定，這種恒張力方式是保證物料尺寸一致性的最佳方式。這在輸送常規(guī)物料時(shí)連續(xù)定速輸送方式下，這種張力控制要求較易實(shí)現(xiàn)。但從1.2.1可知，橡膠擠出部件無(wú)法采用常規(guī)連續(xù)輸送方式輸送，在分段的級(jí)差輸送方式下，怎樣來(lái)保持段間張力的恒定，這是對(duì)擠出聯(lián)動(dòng)線的張力控制的最大挑戰(zhàn)。

物料通過(guò)輸送帶（輸送輥）輸送時(shí)，物料牽引張力F與物料和輸送帶（輸送輥）間的摩擦力f，輸送帶（輸送輥）輸送速度V這兩個(gè)參數(shù)正相關(guān)。橡膠擠出物料在分段的級(jí)差輸送方式下，在某一段輸送時(shí)，段內(nèi)輸送速度相同，部件在此輸送段中，單位重量和部件寬度變化產(chǎn)生了變動(dòng)摩擦力Δf，單位長(zhǎng)度變化產(chǎn)生了變動(dòng)長(zhǎng)度ΔL，單位長(zhǎng)度的變化引起了變動(dòng)單位速度ΔV，因此，以上變動(dòng)產(chǎn)生了變動(dòng)張力ΔF。如要保持物料牽引張力的恒定，就必須在段與段間準(zhǔn)確檢測(cè)到變動(dòng)張力ΔF，同時(shí)在下一輸送段加以修正。

2 擠出聯(lián)動(dòng)線的張力控制的實(shí)施

2.1 張力的分段閉環(huán)控制模式

從1.2.2可知，擠出部件在擠出聯(lián)動(dòng)線的輸送是多段輸送。從1.2.3可知，需在段間檢測(cè)變動(dòng)張力ΔF，同時(shí)在下一輸送段修正。也由1.2.3可知，下一輸送段張力值的修正，如無(wú)法改變下一輸送段物料與輸送帶（輸送輥）間的摩擦力，就需要改變下一輸送段的輸送速度。具體實(shí)施方法見(jiàn)圖1，以擠出機(jī)速度為基準(zhǔn)速度，后一段速度是在以前段速度為輸入值，與前段間張力變動(dòng)量為反饋值，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后，輸出后段速度

圖1 張力的分段閉環(huán)控制模式示意圖

圖1中，VN為前段輸送速度，VN+1為后段輸送速度，F(xiàn)ΔN為后段與前段間的段間張力變動(dòng)量。

2.2 張力檢測(cè)（3種檢測(cè)方法比較）

檢測(cè)方法要求：

根據(jù)以上分析和擠出聯(lián)動(dòng)線段實(shí)際工作要求，段間張力FΔN檢測(cè)有以下要求。

（1）快速準(zhǔn)確檢測(cè)出輸送中的擠出部件的張力變化。

（2）張力劇烈變化時(shí)平抑檢測(cè)值峰谷量，避免出現(xiàn)控制器超調(diào)振蕩現(xiàn)象。

（3）擠出部件到達(dá)后段時(shí)不跑偏。

（4）不使擠出部件拉伸或堆積打褶。

（5）不影響段間空間為段與段間的物料緩存區(qū)的功能。

（6）人工或自動(dòng)引頭時(shí)，不影響引頭工作的進(jìn)行。

以下比較3種檢測(cè)方法的優(yōu)劣。

2.2.1 光電/超聲波檢測(cè)

這種檢測(cè)方法是一種間接檢測(cè)方法，安裝傳感器在擠出物料上方，通過(guò)非接觸檢測(cè)方法檢測(cè)段間物料位置變化來(lái)推算出段間張力變化。

這種方法簡(jiǎn)單易行，檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)是物料的最低點(diǎn)位置，但此位置相對(duì)光電/超聲波傳感器的傳感軸線并不固定，輸送過(guò)程中部件位置會(huì)在X、Y兩個(gè)方向都不斷變動(dòng)。這樣，檢測(cè)得到數(shù)據(jù)就不是物料的最低點(diǎn)。同時(shí)，由于此時(shí)在段與段間的物料處于無(wú)張力輥張緊狀態(tài)，無(wú)牽引張力的擠出部件會(huì)跑偏。

2.2.2 張力傳感器檢測(cè)

這是張力直接檢測(cè)方式，通常兩個(gè)傳感器配對(duì)使用，裝配在檢測(cè)導(dǎo)輥兩端，擠出物料通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)輥時(shí)，對(duì)張力傳感器施加力，傳感器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)張力大小的微小變形或位移，這些變形量經(jīng)放大后輸出張力檢測(cè)信號(hào)。

這種方法檢測(cè)精度高、范圍寬、響應(yīng)快，但此時(shí)段間物料長(zhǎng)度為一固定值，無(wú)段間物料緩存功能。在張力劇烈變化時(shí)，不能吸收峰值變化。

2.2.3 浮動(dòng)輥檢測(cè)

檢測(cè)示意見(jiàn)圖2。前輸送段和后輸送段間安裝浮動(dòng)輥裝置。裝置核心為一低摩擦旋轉(zhuǎn)缸，旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)軸連接一擺臂，擺臂上裝有滾筒，旋轉(zhuǎn)軸另一方向連接一重錘，調(diào)節(jié)重錘可以平衡掉擺臂與滾筒重量。使用比例閥和電磁閥控制旋轉(zhuǎn)缸，電磁閥可使旋轉(zhuǎn)缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，擺臂抬起；比例閥可將設(shè)定氣壓加載旋轉(zhuǎn)缸，旋轉(zhuǎn)缸在順時(shí)針?lè)较蜉敵鲈O(shè)定下壓力。旋轉(zhuǎn)缸附帶角度傳感器檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角度，輸出對(duì)應(yīng)模擬量信號(hào)。以下介紹浮動(dòng)輥的4個(gè)工作階段。

圖2 浮動(dòng)輥檢測(cè)示意圖

（1）擠出引頭階段。電磁閥控制旋轉(zhuǎn)缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，擺臂帶動(dòng)浮動(dòng)輥滾筒抬起最高位。方便擠出部件頭部在滾筒下部通過(guò)。

（2）正常工作階段。引頭階段結(jié)束，電磁閥排氣，比例閥加載設(shè)定氣壓至旋轉(zhuǎn)缸。此處使用的旋轉(zhuǎn)缸為低摩擦阻力氣缸。以內(nèi)襯層生產(chǎn)線為例，內(nèi)襯層制品受到的牽引張力非常小，浮動(dòng)輥滾筒下壓力要求與內(nèi)襯層牽引張力平衡。此時(shí)擺臂與滾筒重量全部被重錘平衡掉，滾筒下壓力只來(lái)自旋轉(zhuǎn)軸扭矩。設(shè)擺臂長(zhǎng)度0.6 m，比例閥輸出設(shè)定的0.012 MPa氣壓，此時(shí)旋轉(zhuǎn)軸輸出扭矩為0.4 N.m，滾筒下壓力為0.24 N與內(nèi)襯層牽引張力一致。前后段速差匹配時(shí)，張力平衡的內(nèi)襯層處于中間位；后段速度偏快時(shí)，段間內(nèi)襯層長(zhǎng)度減小，牽引張力大于0.24 N，浮動(dòng)輥隨內(nèi)襯層向上偏轉(zhuǎn)；后段速度偏慢時(shí)，段間內(nèi)襯層長(zhǎng)度增大，牽引張力小于0.24 N，浮動(dòng)輥隨內(nèi)襯層向下偏轉(zhuǎn)。此過(guò)程，浮動(dòng)輥與內(nèi)襯層配合張力使得內(nèi)襯層不拉伸或堆積打褶，同時(shí)也不跑偏。合適的浮動(dòng)輥下壓力使得浮動(dòng)輥與內(nèi)襯層的關(guān)系如同太極拳中的“黏勁”，膠走輥隨，不丟不頂。

（3）浮動(dòng)輥角度偏轉(zhuǎn)信號(hào)。旋轉(zhuǎn)缸附帶的角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)中間位的偏轉(zhuǎn)角度，并將角度值轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)輸出。設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸處于中間位，傳感器輸出5V電壓；旋轉(zhuǎn)軸處于上偏極限位，傳感器輸出10V電壓；旋轉(zhuǎn)軸處于下偏極限位，傳感器輸出0V電壓。讀取此模擬量信號(hào)就可得到浮動(dòng)輥相對(duì)中間位的偏轉(zhuǎn)角度。

（4）劇烈變化時(shí)阻尼。在擠出引頭階段切換至正常工作階段時(shí)，包括某些特殊狀況時(shí)，段間擠出部件張力變化劇烈，浮動(dòng)輥隨之劇烈擺動(dòng)，旋轉(zhuǎn)缸活塞腔背壓起到氣阻尼作用，類(lèi)同電子線路中的減振器件一樣使得聯(lián)動(dòng)線張力的振幅和振頻得到抑制。大量的不合格制品是在這種階段被生產(chǎn)出，及時(shí)平抑會(huì)大幅減少不合格制品的產(chǎn)出。

2.3 張力控制

根據(jù)2.2的分析，擠出聯(lián)動(dòng)線采用浮動(dòng)輥檢測(cè)段間張力FΔN是一種合適的方法。段間張力被浮動(dòng)輥以間接檢測(cè)并以角度值模擬量信號(hào)反饋至控制器，控制器以前段速度值為基準(zhǔn)，根據(jù)角度值調(diào)整后段速度。

2.3.1 速差控制

控制器接收到角度值模擬量信號(hào)，對(duì)前后段速差做以下控制。

（1）浮動(dòng)輥角度值為5V，前后輸送輥速度匹配，不調(diào)整；

（2）浮動(dòng)輥角度值＞5V，后輸送輥速度過(guò)慢 加快速度；

（3）浮動(dòng)輥角度值＜5V，后輸送輥速度過(guò)快 減慢速度。

2.3.2 速差控制算法

PID算法形式簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。但1.1節(jié)所述擠出聯(lián)動(dòng)線所受的變動(dòng)因素影響比較多，采用固定參數(shù)的PID算法無(wú)法完全適應(yīng)多種變動(dòng)因素，不能達(dá)到良好的控制結(jié)果。模糊算法以模糊推理為核心，靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。采用模糊+PID的自整定算法能較好適應(yīng)擠出聯(lián)動(dòng)線具體控制要求。這種控制策略流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 速差控制算法控制策略流程圖

3 配方管理與大數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化

3.1 規(guī)格配方管理

同一條生產(chǎn)線需生產(chǎn)多品種多規(guī)格擠出部件，不同部件的牽引張力是不同的。從上文可知，浮動(dòng)輥下壓力應(yīng)與聯(lián)動(dòng)線輸送的部件牽引張力一致，因此，擠出聯(lián)動(dòng)線切換規(guī)格時(shí)，浮動(dòng)輥下壓力也就是比例閥設(shè)定壓力要隨之切換。圖4是一內(nèi)襯層生產(chǎn)線浮動(dòng)輥的配方設(shè)定畫(huà)面，包含比例閥壓力，中間位角度的設(shè)定，這些與生產(chǎn)規(guī)格相對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)輥設(shè)定配方儲(chǔ)存在擠出聯(lián)動(dòng)線工控機(jī)內(nèi)，切換規(guī)格時(shí)相應(yīng)的浮動(dòng)輥配方將會(huì)同時(shí)調(diào)取使用，無(wú)需人工干預(yù)。

圖4 內(nèi)襯層生產(chǎn)線浮動(dòng)輥的配方設(shè)定畫(huà)面

3.2 大數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化

我們?cè)跀D出聯(lián)動(dòng)線上加裝在線測(cè)量擠出部件的寬度、長(zhǎng)度和整體外形的檢測(cè)裝置。將這些檢測(cè)得來(lái)的大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，處理后，針對(duì)每一個(gè)擠出部件各環(huán)節(jié)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行反饋優(yōu)化，之后再反饋再優(yōu)化。包括2.3.2所述速度算法、參數(shù)3.1所述浮動(dòng)輥比例閥壓力和中間位角度設(shè)定參數(shù)，我們都可以利用大數(shù)據(jù)來(lái)不斷優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

張力控制在多數(shù)輸送場(chǎng)合都是控制要點(diǎn)，本文就輪胎半制品擠出聯(lián)動(dòng)線的張力控制的特點(diǎn)、張力檢測(cè)的手段、控制方法、配方管理及大數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化等幾個(gè)方面闡述了實(shí)際工作的一些總結(jié)和心得。在我們對(duì)張力控制的不斷摸索改進(jìn)中，半制品部件的尺寸也會(huì)越來(lái)越趨向一致性的目標(biāo)。