馬文明 肖博文 杜澤瑞

（1.西京學(xué)院，陜西西安，710123；2.廣州金升陽(yáng)科技有限公司，廣東廣州，510663）

當(dāng)前切紙機(jī)按工作原理主要分為回旋式和閘刀式2 種。回旋式切紙機(jī)主要用于將生產(chǎn)好的成品紙卷按照生產(chǎn)要求切成平板紙，閘刀式切紙機(jī)主要用于將大尺寸平板紙按照生產(chǎn)要求進(jìn)行剪切。回旋式切紙機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)主要包括退紙部分、切紙部分、輸紙部分和接紙部分等，其送紙輥和切紙輥在生產(chǎn)中連續(xù)工作，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且生產(chǎn)效率高，近些年得到了快速發(fā)展?；匦角屑垯C(jī)在工作時(shí)的磨損狀況、紙幅張力穩(wěn)定性、切刀刀刃鋒利程度以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞等因素都會(huì)直接或間接影響切紙機(jī)在工作過(guò)程中的剪切精度。當(dāng)前對(duì)于回旋式切紙機(jī)的控制方案大概可分為以下3種：①對(duì)送紙輥和切紙輥均采用速度控制，此方案抗干擾能力差，切紙精度得不到保障；②對(duì)送紙輥和切紙輥均采用伺服控制，該方案控制系統(tǒng)穩(wěn)定，切紙精度高，但投資大；③送紙輥為變頻傳動(dòng)，切紙輥為伺服控制，該方案在滿足控制精度的前提下，可以節(jié)約投資[1]。因此，如何設(shè)計(jì)一款在保證切紙機(jī)切紙精度的前提下，降低生產(chǎn)投資成本的回旋式切紙機(jī)控制方案，成為了企業(yè)所追求的目標(biāo)。本文基于實(shí)際工程項(xiàng)目，調(diào)研了切紙機(jī)的工作流程和裁切原理，結(jié)合伺服控制、變頻控制以及多種電力電子技術(shù)知識(shí)，綜合電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種采用STM32 單片機(jī)作為控制中心的雙刀切紙機(jī)的控制器；在控制系統(tǒng)中結(jié)合伺服控制與變頻控制，通過(guò)單片機(jī)控制器采集送紙輥和切紙輥的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理完成對(duì)切紙輥?zhàn)冾l器的控制，從而提升切紙精度，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

1 切紙機(jī)的工作原理

圖1 為切紙機(jī)的工作過(guò)程示意圖。紙卷首先經(jīng)退紙輥到達(dá)弧形輥，然后由縱切刀按照一定的寬度進(jìn)行縱向切割，將成品紙幅分割成兩部分；其中一部分經(jīng)1#送紙輥輸送到1#切紙輥，另一部分經(jīng)2#送紙輥輸送到2#切紙輥；2 個(gè)切紙輥根據(jù)需要設(shè)定切紙長(zhǎng)度和送紙輥速度，可以實(shí)現(xiàn)不同切紙長(zhǎng)度的高精度剪切；最后經(jīng)傳送帶將切好的紙幅運(yùn)輸至接紙臺(tái)。由于切紙輥每旋轉(zhuǎn)一周切一次紙，切紙輥的速度由送紙輥速度和設(shè)定的切紙長(zhǎng)度共同決定，每當(dāng)其一或全部發(fā)生改變時(shí)，就需要對(duì)切紙輥速度進(jìn)行重新定量，才能保證切紙精度[2]。

圖1 切紙機(jī)工作過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working process of the paper cutter

2 切紙機(jī)的控制方案

在整個(gè)切紙過(guò)程中，送紙輥和切紙輥的穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)高精度切割的前提，即切紙過(guò)程控制的關(guān)鍵在于使切紙輥可以快速穩(wěn)定地跟隨送紙輥運(yùn)動(dòng)。送紙輥速度和切紙輥速度應(yīng)該滿足式(1)。

式中，v送為送紙輥速度，m/s；v切為切紙輥速度，m/s；t為時(shí)間，s。

切紙輥速度還由設(shè)定的切紙長(zhǎng)度決定，如式(2)所示。

式中，v送為送紙輥速度，m/s；t為時(shí)間，s；L給定為切紙輥給定切紙長(zhǎng)度。

根據(jù)式(1)和式(2)可以看出，切紙機(jī)的控制為位置控制，因此需要采取三閉環(huán)伺服控制。如果送紙輥和切紙輥都采用變頻控制，則無(wú)法保證精度[3]，只有采用全伺服控制，才可以忽略送紙輥給定速度與精度對(duì)切紙輥切紙長(zhǎng)度的影響。同時(shí)，在控制系統(tǒng)中，允許送紙輥存在速度波動(dòng)和偏差，且在車速較快時(shí)，短時(shí)間內(nèi)送紙輥的速度幾乎不變，基本不會(huì)影響切紙輥的跟隨[4]。因此，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際與成本關(guān)系，采取送紙輥為速度變頻控制、切紙輥為伺服位置控制的混合控制方案更為合理。

2.1 送紙輥的變頻控制

本文采用變頻器和安裝在送紙輥電機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成1 個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2 所示。其中，對(duì)送紙輥采取速度變頻控制，允許其速度有波動(dòng)和偏差，在切紙輥的伺服位置控制中，可以消除這種誤差。

圖2 送紙輥電機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.2 Closed loop control system of paper feed roller motor speed

2.2 切紙輥的伺服控制

切紙輥的位置控制是切紙機(jī)控制系統(tǒng)的中心，對(duì)切紙輥采用伺服控制，可得到需要的控制精度。根據(jù)實(shí)際情況，只需使用切紙輥伺服驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)和電流環(huán)，以及在單片機(jī)系統(tǒng)中搭建一個(gè)位置環(huán)即可構(gòu)成三閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其控制連接圖如圖3所示。

圖3 顯示了送紙輥和切紙輥部分控制連接方式，其中2 個(gè)編碼器都是抗干擾的差分編碼器；ABB 變頻器采用開環(huán)控制；VLT 是伺服驅(qū)動(dòng)器，需要單片機(jī)系統(tǒng)外搭位置環(huán)組成三閉環(huán)伺服控制；送紙輥編碼器PG2 與送紙輥連接，檢測(cè)送紙輥的脈沖數(shù)，并經(jīng)硬件電路處理后作為輸入信號(hào)輸送給單片機(jī)；切紙輥編碼器PG1 與切紙輥電機(jī)連接，檢測(cè)切紙機(jī)電機(jī)的脈沖數(shù)，并經(jīng)過(guò)脈沖分配器將其分為2 路，一路構(gòu)成閉環(huán)連接到VLT 伺服驅(qū)動(dòng)器的反饋輸入，另一路同送紙輥脈沖數(shù)一樣，4 倍頻處理后輸送給單片機(jī)；單片機(jī)將采集到的脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后，輸出模擬信號(hào)至VLT 伺服驅(qū)動(dòng)器，作為切紙輥電機(jī)的給定速度，從而使切紙輥電機(jī)可以快速地跟隨送紙輥速度運(yùn)動(dòng)；原點(diǎn)開關(guān)記錄2 個(gè)切點(diǎn)之間送紙輥電機(jī)編碼器的脈沖，通過(guò)運(yùn)算可以得出實(shí)際的切紙長(zhǎng)度。

切紙輥電機(jī)速度與送紙輥電機(jī)速度之比（K）只與設(shè)定切紙長(zhǎng)度（L）有關(guān)，當(dāng)L不發(fā)生變化時(shí)，K為常數(shù)[5]。按照所需切紙長(zhǎng)度在單片機(jī)中設(shè)置L，控制程序自動(dòng)計(jì)算K；再將送紙輥速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，兩者相乘就可以計(jì)算切紙輥伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入給定值。

圖3 切紙機(jī)伺服控制連接圖Fig.3 Paper cutter servo control connection diagram

在獲得切紙輥伺服驅(qū)動(dòng)器輸入給定值的前提下，還要計(jì)算每個(gè)控制周期，切紙輥電機(jī)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)1圈生成的脈沖個(gè)數(shù)和送紙輥電機(jī)編碼器生成脈沖個(gè)數(shù)的實(shí)時(shí)差值，從而進(jìn)行高精度的位置控制以保證切紙精度。但送紙輥機(jī)械減速比和切紙輥不一致，且其編碼器線數(shù)也不同，因此需要將采集到的2個(gè)脈沖數(shù)進(jìn)行標(biāo)度換算才能進(jìn)行差值計(jì)算，換算統(tǒng)一標(biāo)度的方法如式(3)～式(5)所示。

式中，P為送紙輥邊沿線位移跟切紙輥邊沿線位移之間的換算系數(shù)；S1為送紙輥邊沿線位移，m；S2為切紙輥邊沿線位移，m。

式中，h1為送紙輥電機(jī)編碼器的線數(shù)，P/R；K1為送紙輥的機(jī)械減速比；C1為送紙輥電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)采集的脈沖數(shù)；D1為送紙輥直徑，mm。

式中，h2為切紙輥電機(jī)編碼器的線數(shù)，P/R；K2為切紙輥的機(jī)械減速比；C2為切紙輥電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)采集的脈沖數(shù)；D2為切紙輥直徑，mm。

單片機(jī)將切紙輥電機(jī)編碼器采集的脈沖個(gè)數(shù)與P相乘，就可以將切紙輥電機(jī)編碼器采集到的脈沖換算至送紙輥電機(jī)編碼器脈沖的標(biāo)度下，并與送紙輥電機(jī)編碼器采集到的脈沖數(shù)計(jì)算差值，對(duì)這個(gè)差值進(jìn)行位置環(huán)調(diào)節(jié)，得到的結(jié)果疊加到之前的基準(zhǔn)值上，然后傳輸給切紙輥驅(qū)動(dòng)器，并在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)，作為下一次切紙輥驅(qū)動(dòng)器模擬量的給定值。

2.3 控制系統(tǒng)精度分析

為了讓送紙輥在高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)速的誤差均比較小，本文采用M&T 法測(cè)速[5]。M&T 法結(jié)合了M法和T法對(duì)于高、低速段具有不同精度的特點(diǎn)，利用3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)、單片機(jī)內(nèi)部高頻脈沖計(jì)數(shù)和預(yù)設(shè)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)。M&T 法測(cè)速波形圖如圖4所示。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以記錄T時(shí)間內(nèi)編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的脈沖個(gè)數(shù)，又可以記錄該時(shí)間內(nèi)單片機(jī)內(nèi)部高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，即使T不一定是整數(shù)個(gè)編碼器脈沖周期，也可以算出送紙輥轉(zhuǎn)速。當(dāng)STM32 倍頻后的頻率為72 MHz，其計(jì)算方式如式(6)所示。

圖4 M&T法測(cè)速波形圖Fig.4 M&T method speed measurement waveform

式中，m1為編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的脈沖個(gè)數(shù)；m2為單片機(jī)內(nèi)部高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)；P為式(3)中送紙輥邊沿線位移跟切紙輥邊沿線位移之間的換算系數(shù)；n為送紙輥轉(zhuǎn)速，r/min。

為了提高精度，采用M&T 法測(cè)速時(shí)，應(yīng)確保高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器和編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟及關(guān)閉。當(dāng)測(cè)速方法改變后，需要對(duì)測(cè)量的送紙輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波，本文采用最大最小值濾波法，即在一定時(shí)間內(nèi)，對(duì)采集到的1 組送紙輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行排序，去除最大值和最小值后，求其他數(shù)據(jù)的均值，并將其作為切紙輥轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值的給定值。由于程序在運(yùn)行期間可能會(huì)受到干擾出現(xiàn)不確定值，這種濾波方法可以減少這種邊緣值的存在，且使數(shù)據(jù)穩(wěn)定在給定值附近。

為使切紙精度更加準(zhǔn)確，還需要對(duì)基準(zhǔn)給定值進(jìn)行微調(diào)以保證切紙輥跟隨送紙輥運(yùn)行。這個(gè)微調(diào)是由控制器自主完成的，微調(diào)原則為比較上次切割紙張實(shí)際切紙長(zhǎng)度與設(shè)定切紙長(zhǎng)度。若實(shí)際切紙長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，將基準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)??；若實(shí)際切紙長(zhǎng)度偏小，將基準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)大。微調(diào)量是在下一次切紙開始時(shí)，由計(jì)算模擬量基準(zhǔn)值進(jìn)行數(shù)字量加減1得到。

3 切紙機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)工業(yè)需求，所需切紙機(jī)的參數(shù)如下。

（1）車速范圍：80～180 m/min；

（2）紙幅寬度：最寬紙幅2400 mm；

（3）切紙長(zhǎng)度范圍：790～1092 mm；

（4）傳動(dòng)比：送紙輥傳動(dòng)比為5.30，切紙輥傳動(dòng)比為3.46；

（5）輥徑半徑：送紙輥半徑為241 mm，切紙輥半徑為272 mm；

（6）切紙誤差要求：±1 mm。

4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 參數(shù)設(shè)置與調(diào)試

在開機(jī)前，需要在KEIL 中通過(guò)查看變量對(duì)切紙機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

在參數(shù)設(shè)置完成后，對(duì)控制裝置進(jìn)行調(diào)試。在不需要PID 參數(shù)情況下，送紙輥電機(jī)以50 r/min 速度運(yùn)行，通過(guò)控制器計(jì)算切紙輥基準(zhǔn)值，送到切紙輥驅(qū)動(dòng)器中以86.31 r/min的速度來(lái)驅(qū)動(dòng)切紙輥電機(jī)；在調(diào)試時(shí)應(yīng)先啟動(dòng)切紙輥驅(qū)動(dòng)器，此時(shí)切紙輥電機(jī)的速度為0；再啟動(dòng)送紙輥?zhàn)冾l器，送紙輥速度由送紙輥?zhàn)冾l器上的操作面板設(shè)置。

表1 參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter settings

4.2 程序設(shè)計(jì)

送紙輥的控制流程如圖5 所示。送紙輥電機(jī)的速度控制通過(guò)PLC控制送紙輥?zhàn)冾l器完成。在程序編寫時(shí)，送紙輥程序通過(guò)STEP7 完成。由于沒有速度反饋，PLC通過(guò)自身的開關(guān)量輸出模塊來(lái)控制變頻器的啟停和加減速。

由上文可知，切紙輥能否穩(wěn)定跟隨送紙輥運(yùn)動(dòng)在控制系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，所以切紙輥電機(jī)速度的給定值尤為重要；而切紙輥速度的基準(zhǔn)值由送紙輥速度計(jì)算得到，因此對(duì)送紙輥速度采用M&T法測(cè)算。圖6為切紙輥控制流程圖。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)接線及調(diào)試如圖7 所示。調(diào)試好后，對(duì)PID值進(jìn)行確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不斷試湊[6]，最終確定Kp=0.06，Ki=8，Kd=0.01。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，對(duì)程序運(yùn)行中的重要變量進(jìn)行觀察，通過(guò)ABB 變頻器控制面板把送紙輥轉(zhuǎn)速提至500 r/min 時(shí)，采用M&T 法測(cè)速和進(jìn)行最大最小值濾波，收集送紙輥速度值，繪制波形圖，如圖8 所示；收集切紙輥速度值，繪制波形圖，如圖9 所示。從圖8 和圖9 中可以看出，送紙輥速度在速度采集方法改變時(shí)，雖然存在一定誤差，但誤差較小，這可使切紙輥速度更準(zhǔn)確地跟隨送紙輥速度，從而提高切紙精度。在切紙長(zhǎng)度設(shè)定為1092 mm 時(shí)，送紙輥轉(zhuǎn)速為500 r/min，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)節(jié)PID，切紙輥轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在489 r/min，通過(guò)控制器采集到切紙長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，繪制波形圖，如圖10 所示。從圖10 中可以看出，最終切紙精度基本穩(wěn)定在±1 mm。

圖5 送紙輥控制流程圖Fig.5 Control flow chart of paper feed roller

圖6 切紙輥控制流程圖Fig.6 Flow chart of paper cutting roller control

5 結(jié)論

本文首先對(duì)切紙機(jī)的工作原理、控制過(guò)程進(jìn)行了分析；采用M&T 法測(cè)速和最大最小值濾波法來(lái)測(cè)算送紙輥速度，從而降低采集誤差；再通過(guò)對(duì)切紙輥速度進(jìn)行微調(diào)以提高切紙精度；同時(shí)對(duì)相關(guān)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，證明采用本方法切紙精度可達(dá)到±1 mm。

圖8 送紙輥速度圖Fig.8 The speed of feed roller

圖9 切紙輥速度圖Fig.9 The speed of cutting roller

圖10 實(shí)際切紙長(zhǎng)度圖Fig.10 Actual length cut