黃春赟 劉謙 雷耀文 農(nóng)赟 李季

【摘? 要】ZB416型包裝機(jī)組是中國(guó)自主研發(fā)的新一代高速卷煙包裝機(jī)組，ZB416型高速包裝機(jī)通過(guò)一套自動(dòng)供紙裝置，將成卷的鋁箔紙展開(kāi)后輸送給ZB416型包裝機(jī)。論文對(duì)自動(dòng)供紙裝置余量控制及算法原理進(jìn)行探析，同時(shí)，引入一種更加精準(zhǔn)便捷的脈沖直徑計(jì)算邏輯與大家探討研究。

【Abstract】ZB416 packaging unit is a new generation of high-speed cigarette packaging unit independently developed by China. ZB416 high-speed packer uses a set of automatic paper feeding device to unfold the roll of aluminum foil and transport it to ZB416 packer. The paper analyzes the margin control and algorithm principle of automatic paper feeding device， and at the same time， introduces a more accurate and convenient pulse diameter calculation logic to discuss with everyone.

【關(guān)鍵詞】鋁箔紙;ZB416;自動(dòng)換卷;卷形材料;直徑計(jì)算

【Keywords】aluminum foil paper; ZB416; automatic roll changing; roll material; diameter calculation

【中圖分類號(hào)】TS43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）06-0189-02

1 ZB416型包裝機(jī)鋁箔紙余量與換卷裝置的原理及控制邏輯

1.1 自動(dòng)供紙裝置結(jié)構(gòu)組成及功能

ZB416型包裝機(jī)自動(dòng)供紙裝置主要由自動(dòng)裝紙、自動(dòng)換卷、自動(dòng)拼接3個(gè)部分組成，通過(guò)Ether CAT總線將子站信號(hào)與主電柜倍福PLC進(jìn)行邏輯電信號(hào)的控制[1]。自動(dòng)換卷部分通過(guò)1個(gè)旋轉(zhuǎn)盤架進(jìn)行鋁箔紙輔料的自動(dòng)供給，旋轉(zhuǎn)盤架設(shè)計(jì)一備一用2個(gè)夾紙器形成2個(gè)工位。旋轉(zhuǎn)盤低工位主要配合自動(dòng)裝紙部分進(jìn)行新卷鋁箔紙的安裝和在用鋁箔紙備用切換，高工位為在用工位。工作位置的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，根據(jù)在用工位直徑永遠(yuǎn)小于備用工位直徑的原則，當(dāng)備用工位卷紙被切換使用后，達(dá)到預(yù)設(shè)條件，2個(gè)工位相互切換，以達(dá)到循環(huán)裝載新鋁箔紙卷的目的。

1.2 余量與換卷裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

在旋轉(zhuǎn)盤后方共有2個(gè)檢測(cè)鐵片用于余量判斷和轉(zhuǎn)換條件判斷，系統(tǒng)中未做固定工位的識(shí)別設(shè)計(jì)，即旋轉(zhuǎn)盤在任意工位功能相同、動(dòng)作相同。旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)由機(jī)座后方的1個(gè)電機(jī)控制;轉(zhuǎn)盤2個(gè)夾紙器的旋轉(zhuǎn)由松卷電機(jī)拖動(dòng)，由1個(gè)電磁剎車控制松卷張緊程度。每個(gè)工位的機(jī)械結(jié)構(gòu)完全相同，通過(guò)1個(gè)側(cè)壓?jiǎn)蜗驈椈蓴[桿反饋鋁箔紙直徑，單向彈簧擺桿（1）在裝置面背部與1個(gè)檢測(cè)鐵片（5、6）形成等角度旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，即鋁箔紙直徑大-擺桿開(kāi)度大-檢測(cè)鐵片開(kāi)度大的原理;當(dāng)檢測(cè)鐵片（5、6）旋轉(zhuǎn)開(kāi)度變小至觸發(fā)固定在機(jī)座上的換紙余量接近開(kāi)關(guān)，PLC系統(tǒng)通過(guò)余量接近開(kāi)關(guān)反饋的模擬量信號(hào)判斷鋁箔紙余量狀態(tài)（見(jiàn)圖1）。這種設(shè)計(jì)雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)巧妙，能高效實(shí)現(xiàn)有限位置的2卷鋁箔紙快速在線切換，但易發(fā)生余量控制不精準(zhǔn)的情況。在自動(dòng)換卷裝置夾紙器擺桿旋轉(zhuǎn)軸后方，設(shè)計(jì)了1個(gè)側(cè)坡面臺(tái)階。隨著擺桿跟隨鋁箔紙直徑變化，實(shí)現(xiàn)一顆平頭釘隨著余量擺桿開(kāi)度形成軸向運(yùn)動(dòng)變化（見(jiàn)圖2）。平頭釘與機(jī)座的線性接近開(kāi)關(guān)成對(duì)應(yīng)控制關(guān)系，線性接近開(kāi)關(guān)將軸向距離的變換轉(zhuǎn)換為0～10V的電信號(hào)傳遞給PLC。一是在備用工位被使用時(shí)，通過(guò)這個(gè)模擬量的反饋值，判斷當(dāng)前紙卷使用的余量，當(dāng)反饋電壓等于X（V）時(shí)，立即觸發(fā)工位互換，使得低工位夾紙器處于一個(gè)空置待料狀態(tài);二是通過(guò)這個(gè)模擬量的反饋，來(lái)判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)盤是否旋轉(zhuǎn)到位，且?jiàn)A紙器裝載狀態(tài)是否為空。該種方式設(shè)計(jì)較為巧妙，但在同一轉(zhuǎn)盤上的2個(gè)紙夾器建議使用特殊設(shè)計(jì)的工裝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)位置調(diào)整，使2個(gè)夾紙器平頭釘在2個(gè)工作位置反饋距離一致，否則需要在線裝配反復(fù)調(diào)整。

1.3 程序邏輯及人機(jī)界面控制

余量控制使用了物理式的檢測(cè)鐵片（5、6），為彌補(bǔ)機(jī)械調(diào)整上的誤差，人機(jī)界面設(shè)計(jì)了一個(gè)補(bǔ)充控制邏輯：當(dāng)觸發(fā)換紙信號(hào)開(kāi)關(guān)時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行0～1000包作為一個(gè)允差范圍調(diào)整參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)余量控制的微調(diào)。換卷控制使用的軸向運(yùn)動(dòng)平頭釘在備用位置工作時(shí)發(fā)生作用，在人機(jī)界面上設(shè)置模擬量傳感器反饋電壓X（V）來(lái)進(jìn)行物理?xiàng)l件的補(bǔ)償微調(diào)。因傳感器存在性能差異和漂移問(wèn)題，可以通過(guò)人機(jī)界面的實(shí)時(shí)反饋值，作為調(diào)整參數(shù)及調(diào)整檢測(cè)的判斷依據(jù)。

1.4 建立標(biāo)準(zhǔn)裝配調(diào)整方法和快速調(diào)節(jié)工裝的設(shè)計(jì)思考

為減少自動(dòng)換卷部分工作異常，建議設(shè)定和使用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整方法及標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整工裝來(lái)對(duì)該部分進(jìn)行快速維修和日常校準(zhǔn)。工裝的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，根據(jù)夾紙器固定法蘭的螺絲孔及安裝在旋轉(zhuǎn)盤架的深入空間幾何特點(diǎn)，制作一個(gè)外部的緊固裝置。該裝置針對(duì)檢測(cè)鐵片（5、6）和軸向運(yùn)動(dòng)平頭釘2個(gè)關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)有固定的參照物結(jié)構(gòu)，即通過(guò)參照物結(jié)構(gòu)可以統(tǒng)一調(diào)整安裝在工裝上的夾紙器檢測(cè)鐵片（5、6）旋轉(zhuǎn)開(kāi)度;通過(guò)參照物結(jié)構(gòu)可以頂至某個(gè)參照體使軸向運(yùn)動(dòng)平頭釘伸出的長(zhǎng)度為一個(gè)相對(duì)固定的尺寸。通過(guò)工裝的設(shè)計(jì)及使用，規(guī)定了檢測(cè)鐵片（5、6）的旋轉(zhuǎn)開(kāi)度和軸向運(yùn)動(dòng)平頭釘伸出的長(zhǎng)度，當(dāng)夾紙器出現(xiàn)故障和異常時(shí)，將夾紙器套入工裝后即可調(diào)整成標(biāo)準(zhǔn)角度及標(biāo)準(zhǔn)伸長(zhǎng)距離。當(dāng)生產(chǎn)使用者有多臺(tái)該類設(shè)備時(shí)，套用該工裝可以節(jié)約調(diào)整的觀察工時(shí)及調(diào)整拆裝工時(shí)，極大提升生產(chǎn)效率。在配合調(diào)整工裝使用的同時(shí)，需要根據(jù)模擬量傳感器自身質(zhì)量特性進(jìn)行一個(gè)配合調(diào)整。例如，針對(duì)某批次、某品牌，在同等距離的檢測(cè)范圍內(nèi)，反饋電壓差值大于0.5V時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制不精準(zhǔn)的情況。此時(shí)，將夾紙器套入工裝調(diào)整完畢后，裝入旋轉(zhuǎn)盤架。根據(jù)此時(shí)空置狀態(tài)下的反饋電壓設(shè)定成標(biāo)準(zhǔn)電壓Z（V），將傳感器軸向移動(dòng)后滿足標(biāo)準(zhǔn)電壓作為調(diào)整基準(zhǔn)，即可統(tǒng)一調(diào)整方法及統(tǒng)一設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化目的。

2 一種穩(wěn)定高效的脈沖控制算法

物理式余量與切換控制雖然簡(jiǎn)單可靠，但在控制上美中不足。如通過(guò)脈沖齒盤方式來(lái)計(jì)算卷形材料直徑，可將余量精確成常用的計(jì)量單位或不受機(jī)械調(diào)整影響的一個(gè)穩(wěn)定參量進(jìn)行控制，可提高控制精準(zhǔn)度。

2.1 脈沖式直徑控制算法概述

在瞬時(shí)速度相對(duì)恒定的情況下，通過(guò)機(jī)電轉(zhuǎn)換的方式使卷形材料松卷過(guò)程轉(zhuǎn)換成周期電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的頻率可以計(jì)算出鋁箔紙卷的旋轉(zhuǎn)速度。紙卷材料可簡(jiǎn)化為等直徑旋轉(zhuǎn)，松卷速度方向?yàn)榫硇尾牧系那邢蚓€速度，該速度在計(jì)算卷形材料的理想瞬時(shí)狀態(tài)下為恒定值。即卷形材料在松卷過(guò)程中，通過(guò)類似編碼盤結(jié)構(gòu)發(fā)出的周期脈沖與卷形材料直徑存在固定的正比例關(guān)系。一般理解為松卷速度恒定的狀態(tài)下，直徑越小，脈沖頻率越大。因此，通過(guò)這種無(wú)接觸、免調(diào)整的機(jī)電轉(zhuǎn)換方式，計(jì)算松卷材料的瞬時(shí)直徑而不需要依賴機(jī)械結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁箔紙的余量與換卷功能。

2.2 實(shí)際運(yùn)用實(shí)驗(yàn)

2.2.1 單包脈沖速比的簡(jiǎn)單模型

以ZB416為例，與夾紙器同步的傳動(dòng)軸承上安裝1個(gè)直徑為10cm、占空比等分的12齒脈沖齒盤，由此得出單包車速脈沖數(shù)量：?jiǎn)伟囁倜}沖數(shù)量=瞬時(shí)齒盤脈沖數(shù)量÷瞬時(shí)帶料生產(chǎn)實(shí)際車速（包/min）齒盤脈沖頻率會(huì)隨著卷形材料余量的減少而反比例增加，在每包煙使用的鋁箔紙長(zhǎng)度固定的條件下，形成一個(gè)固定比例關(guān)系。當(dāng)帶料運(yùn)行瞬時(shí)時(shí)刻，單包車速脈沖頻率僅與卷形材料剩余直徑有關(guān)，即單包車速脈沖數(shù)量不受車速變化影響，而脈沖頻率反映鋁箔紙剩余量。當(dāng)使用這個(gè)參量控制時(shí)，僅在程序上判斷脈沖數(shù)量大小關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)余量精準(zhǔn)衡量控制。卷形材料松卷與一個(gè)旋轉(zhuǎn)脈沖齒盤做機(jī)械同步，脈沖齒盤配合高速脈沖開(kāi)關(guān)，松卷過(guò)程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度通過(guò)脈沖齒盤轉(zhuǎn)換成脈沖，脈沖頻率與卷形材料剩余量為反比例關(guān)系。

2.2.2 將頻率轉(zhuǎn)換為實(shí)際直徑的量化模型

鋁箔紙松卷所產(chǎn)生的脈沖頻率和鋁箔紙當(dāng)前旋轉(zhuǎn)直徑有固定比例關(guān)系。通過(guò)查閱相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際論證我們發(fā)現(xiàn)鋁箔紙直徑與車速、鋁箔紙直徑與脈沖齒盤輸送的脈沖頻率有以下關(guān)系：假設(shè)鋁箔紙每轉(zhuǎn)一圈的頻率為F，則周期為T=1/F;半徑（r）=線速度（s）/角速度（w）;線速度（s）=鋁箔紙長(zhǎng)度（l）*車速（u）（車速單位為：包/s）;角速度（w）=2π/T;鋁箔紙當(dāng)前旋轉(zhuǎn)半徑R=l×u×T/2π。

由以上公式可以簡(jiǎn)單快捷地得到帶料運(yùn)行狀態(tài)下當(dāng)前鋁箔紙的直徑。

2.3 程序邏輯及人機(jī)界面控制

使用脈沖頻率—直徑的模型，可在人機(jī)界面中設(shè)定當(dāng)前脈沖數(shù)的顯示、換紙脈沖頻率設(shè)定、換盤脈沖頻率設(shè)定這3個(gè)參量。脈沖數(shù)的顯示用于監(jiān)視當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài);換紙脈沖頻率設(shè)定越大，使用剩余量越小;換盤脈沖頻率設(shè)定越大，工位切換時(shí)直徑越小。因PLC反饋及通信等原因，可以將速度顯示反饋靜態(tài)之后0.5s同時(shí)保留5位有效數(shù)字顯示，可便于設(shè)備操作者的觀察及調(diào)整。

使用將頻率轉(zhuǎn)換為實(shí)際直徑的量化模型，可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證文中公式是否正確的前提條件下，根據(jù)PLC軟件及PLC應(yīng)用特點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)公式轉(zhuǎn)換成人機(jī)界面的1個(gè)參數(shù)。操作者僅需用尺子測(cè)量具體剩余量，對(duì)應(yīng)參數(shù)的參數(shù)設(shè)置后即可簡(jiǎn)單直觀地實(shí)現(xiàn)原有的余量控制和轉(zhuǎn)換控制。

【參考文獻(xiàn)】

【1】《煙機(jī)設(shè)備修理工包裝專業(yè)知識(shí)》編寫組.煙機(jī)設(shè)備修理工包裝專業(yè)知識(shí)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2013.