三菱伺服電機應用案例：華南某企業對其紙尿褲生產線升級改造
1、 環境背景
隨著科學技術進步和人民生活水平提高,市場對嬰兒紙尿褲的需求不斷增加,使之出現求大于供的局面。正是由于出現了這樣的商機,一些過去采用機械傳動式嬰兒紙尿褲生產線機的設備制造廠改機械傳動為伺服控制系統以提高設備的生產效率;還有一些過去生產餐巾紙,護墊的設備制造商紛紛投資制造嬰兒紙尿褲生產線機.華南一家機械設備制造商就屬于后者。
嬰兒紙尿褲產品分為: 大碼、中碼、小碼,其長度從385mm到550mm不等。設計速度為200m/min,生產節拍為400pcs/min,裝機容量為260kw,精度為±1mm。該機的傳動和控制系統采用三菱的變頻器、伺服放大器和Q02HPLC、Q173CPU及Q172CPU運動控制器。
2.1主要工藝過程
嬰兒紙尿褲生產線機主要設備由以下組成: 8套開卷裝置、 8臺復合輥和壓輥、6臺切刀輥及折疊和疊碼裝置.其工藝流程如圖1所示。
按照具體功能劃分它們是:
一 開卷裝置
① 導流無紡布開卷
② 衛生紙開卷
③ 彈性腰帶開卷
④ 底膜開卷
⑤ 前膠貼開卷
⑥ 面料無紡布開卷
⑦ 復合貼開卷
⑧ 擋墻無紡布開卷
二 刀具總成
① 棉芯切刀
② 彈性腰切刀
③ 前膠貼切刀
④ 復合貼切刀
⑤ 成型邊切刀
⑥ 成型終切刀
三 復合輥和壓輥
① 棉芯壓紋輥
② 三星壓合輥 1
③ 三星壓合輥 2
④ 三星壓輥牽引
⑤ 導流無紡布、衛生紙、棉芯復合輥
⑥ 面料無紡布、彈性腰復合輥
⑦ 前膠貼、底膜復合輥
⑧ 左右復合貼復合輥
開卷裝置將生產紙尿褲需要的各種材料依序輸送至主加工線, 切刀輥則按產品的規格剪切成各種形狀尺寸,經復合輥和壓輥及最終切斷刀完成嬰兒紙尿褲產品加工.最后經折疊、疊碼包裝入袋
。
2.2 硬件組成
系統開卷裝置的傳動設備采用三菱FR-540E變頻器; 切刀輥、復合輥和壓牽輥、輸送輥等設備采用三菱J2S-B伺服大器.基礎自動化采用Q02HPLC、Q173和Q172CPU運動控制器組成的多CPU系統.人機界面采用三菱GOT985完成參數設置、系統監控、啟動、停止等.其硬件配置如圖2所示.
Q02CPU控制17軸變頻器,Q173CPU控制生產加工30軸伺服電機,Q172CPU控制包裝設備5軸伺服電機.
按工藝要求35軸伺服電機和17軸變頻異步電機必須同步。16臺開卷裝置獨立傳動,兩臺為一組恒張力自動換接料;6套切刀輥相位要嚴格一致;8套復合輥和壓合/牽輥及輸送輥等線速度完全相同;包裝設備位置控制和開卷裝置張力控制節拍匹配;才能確保產品的一致性、重復性及精度。該設備集相位控制、速度控制、位置控制、張力控制為一體。
2.3 Q—Motion
Q173和Q172是繼A系列運動控制器的更新換代產品。Q173可控制32軸;Q172可控制8軸,程序執行周期（SV22 4軸）僅為0.88ms,是以往的1/4。 Q173和Q172CPU單元具有運動控制和事件處理的64位RISC處理器,能高速度完成高精度計算和大量數據通訊。具有多軸插補、速度控制、凸輪定形、軌跡控制等多樣運動控制功能。SSCNT伺服總線傳輸速度為5.6Mbps,發送周期0.88ms,確保同步精度和速度/位置的控制精度。Q173和Q172兼容MELSEC-Q系列PLC-CPU,進行高速順序程序的處理 。Q02HCPU是多CPU系統的主控CPU。
系統軟件:
傳輸裝配軟件SV13:提供:線性插補（1-4軸）、圓弧插補、螺旋插補、等速度控制、固定距離進給、速度控制、速度切換控制、速度-位置切換等功能,適于電子元件裝配、裝料機/卸料機、食品包裝、X-Y工作臺、傳送機器、噴涂機、焊接機、注塑機、貼片機等。
自動機器軟件SV22:在SV13功能的基礎上增加了:多軸同步控制、凸輪控制、繪圖控制、電子軸、電子離合器等功能.適合于印刷機、制紙機、食品加工機、精紡機、紡織機械等。
凸輪軟件CAMP:制作凸輪運行曲線或自由曲線,實施軌跡控制及相位控制.
同步編碼器功能,實現多軸同步控制和相位自動控制。
數字示波器功能,實現力矩、速度、位置等電機信息的實時監控。
3、 應用軟件設計
Q—Motion提供實模式和虛模式兩種控制模式.程序設計使用Motion SFC（Sequential
Function Chart）語言和支持機械的語言進行可視化編程。 Motion SFC是以流程圖的形式進行描述,按照機械動作步驟編寫,容易制作工序控制的程序。支持機械的語言是通過軟件模塊實現主軸、齒輪、離合器、凸輪等硬件動作,自由地把這些模塊組合起來,即完成虛模式下的機械語言的程序設計。實現復雜的同步控制、軌跡控制及協調控制
。
紙尿褲生產線機的系統連鎖功能,調節功能,設備啟動停止控制等使用Motion SFC編程; 同步控制, 系統較正,復合輥壓合/牽輥線速度控制、切刀輥相位控制等使用支持機械的語言編程; 開卷裝置張力控制由Q02HCPU用梯形圖編程。
3.1 同步控制
紙尿褲加工生產線同步通過控制程序如圖3所示.
圖三同步控制虛模式程序
由一臺虛擬伺服電機經一虛擬主軸通過齒輪、離合器、變速機差速齒輪/變速機,驅動滾筒或凸輪 。滾筒代表復合輥或壓合/牽輥或輸送輥, 凸輪代表切刀輥。30個離合器由一個位軟元件控制,所以當這臺虛擬伺服電機以某一轉速啟動,即通過虛擬主軸將脈沖數和脈沖頻率傳遞給切刀輥、復合輥、壓合/牽輥、輸送輥使它們按設計好的速度同步運行。（由于版面限制只復制了14軸伺服）
3.2 系統較正
3.2.1原點回歸
為滿足機械設計需要Q—Motion設計了多種方式:
① 近點DOG方式原點回歸
② 計數方式原點回歸
③ 數據設置方式原點回歸
④ 停止器方式原點回歸
⑤ 限位開關混合型原點回歸
原點回歸,即機械系統和電氣系統較正.是相位控制、位置控制關鍵,選擇恰當的原點回歸方式才能保證系統控制精度 。
該套系統采用數據設置方式原點回歸 。使用JOG功能手動將控制對象移至期望點,然后啟動原點回歸 。包裝設備的位置系統使用絕對位置編碼器,所以雖操作繁瑣但機器一次性調好即可
。
3.2.2系統調整
當紙尿褲加工生產線所有軸從靜止狀態啟動到額定轉速狀態或從一個穩態（速度）到另一個穩態（速度）的過渡過程,即動態速度曲線不一致, 切刀輥之間會出現錯位; 復合輥、壓合/牽輥之間出現堆料或打滑現象。所以調整各伺服軸的增益和積分參數不僅響應快而且要過渡過程曲線完全一致
。
3.3 復合輥、壓合/牽輥線速度控制
3.3.1輥徑偏差補償
復合輥、壓合/牽輥、輸送輥共24根 。 由于輥徑的機械加工存在正負公差,盡管使用的輥都在允許的公差范圍內,但計算各軸圓周,其各軸周長的差使得各軸以同一轉速旋轉時線速度不一致,不能滿足控制精度的要求,必須對其糾偏。
Q—Motion提供三種偏差糾正方法:
① 固定參數設置
② 變速機控制
③ 差速齒輪
固定參數設置法是用游標卡尺或其它測量器具直接測量輥徑,并計算出周長,修正后設定電子齒輪,使各輥線速度相等。
變速機控制和差速齒輪法既可離線設置也可在線調節 。連接變速機到滾筒支路,把變速機的變速比設為變量,通過調節各輥的變速比值,使其達到線速度相等。 連接差速齒輪到滾筒支路,在差速齒輪側加入輔助虛擬伺服電機使輥筒的速度得到修正 。
本系統采用變速機控制法.
設要求線速度相同的24軸輥徑由小到大依次為:
Φ1,Φ2,Φ3 ???????????????????????????????????????????? Φ24
在虛模式分別加入變速機,其對應的變速比依次為:
Κ1,Κ2,Κ3?????????????????????????????????Κ24
其中: Κ1=10000; Κn=（Φ1/Φn）＊10000 （n = 2～24）
3.3.2 微張力控制
復合輥、壓合/牽輥傳動對象是生產紙尿褲的各種材料,只有使其在加工過程不打滑和堆料才能讓材料勻速傳送,從而保證產品精度.。為此采用微張力控制,即在連輥之間加入微小速度差ΔⅤ,以使加工材料繃直既不堆料也不打滑 。
設: 沿材料加工前進方向復合輥、壓合/牽輥依次為:
φ1,φ2,φ3????????????????????????????????? φ24
對應各輥線速度依次為:
V1,V2,V3????????????????????????????????? V24
其中: Vn - Vn+1 = ΔV （ΔV< Vn＊1‰ ～2.5‰）
3.4 切刀輥相位控制
6個切刀輥設計為往復式自由凸輪模式.一個周期為此360°與切刀輥一轉相對應.其凸輪曲線如圖4所示 。
3.4.1階躍負載速度補償
切刀輥屬階躍負載.當切刀輥轉至切刀位時負載突然躍變,電機速度也會被瞬間跌落如圖5所示 。
由于每個切刀輥的負荷率不同,所以每個切刀輥轉至切刀位時速度跌落的幅值和回調的時間也都不同 。由此會引起切刀輥間相位錯位,所以必須進行補償。其補償的方法如圖6所示,按圖6給定速度曲線,設置凸輪曲線,將抵消由于負載躍變產生的速度波動 。當然電機功率選得過大使負荷率較小或系統轉動慣量設計大些, 階躍負載產生的速度波動也會減小或減少到精度允許的范圍內 。
3.4.2 隨機擾動調節功能
電網的電壓波動電磁場干擾以及加工材料不均勻都會使運動過程的切刀輥產生隨機擾動,使個別機架的切刀輥相位產生錯位。系統設計了如圖7所示調節功能,可手動或自動糾正錯位。V32為30個軸的同步驅動虛擬伺服電機,V1為1軸的輔助驅動虛擬伺服電機作用是糾偏
。
圖七 輔助軸糾偏系統
4、 結論
三菱運動控制器是集通訊、位置、速度、張力控制為一體的自動控制平臺.簡單、易懂、直觀、可視性強的編程方法,適合于各種層次的自動化專業人員在短時間內掌握并應用;豐富的控制功能、高分辨率系統、快速響應滿足各類機械設備生產工藝要求。
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