伺服驱动系统在电脑横切机上的应用

一、 引言

随着包装行业的迅猛发展，瓦楞纸板生产线的生产效率逐年提高，主要体现在瓦楞纸板生产线后端的电脑横切机速度的大幅提高。电脑横切机的控制部分需满足精准的裁切长度的同时还要满足很高的裁切速度。其难点在于纸板处于高速运动状态，切刀的动态控制需极高的运算速度和极高的跟踪性能。变频器的控制无法达到高的裁切速度（40M/min—80M/min），裁切误差也随速度的提高而越来越大，PLC对脉冲的反馈速度也无法满足裁切精度的要求。运动控制卡加进口伺服系统的控制方式是完全可以满足精度和速度的双向要求，速度可达到200M/min—300M/min，还是有价格昂贵，供货时间长等不足之处。本文着重介绍的将运动控制卡集成在伺服驱动器之内的BWS品牌伺服驱动器在横切系统中的应用。



图1：电脑螺旋刀横切机控制简图

二、 系统组成

下图为电脑螺旋刀横切机控制简图。此系统实现旋转式同步动态裁切，上下两组裁切轮刀同时被伺服马达带动，各依箭头所示方向相对旋转。轮刀之上的刀刃必须作精密的调整，当上轮刀之刀刃旋转至正下方时，下刀刃恰好转至正上方，才能执行正确的裁切。每次裁切刀轮旋转一圈，便自动将材料切断一次；马达只要在相同方向连续运转，轮刀便能连续裁切。

系统组成及其功能介绍：

1、旋转式同步飞剪控制驱动系统（BWS-BBR）：

接受PLC及HMI输入的运转命令及长度设定

侦测量测轮编码器传回之脉冲，得知进料速度及进料长度。

控制伺服马达之运转速度及同步定位动作

2、人机界面（HMI）：

接受设定资料及显示运转状态

3、PLC：

处理基本之接口、互锁、连动信号

4、永磁同步伺服马达 或 感应式伺服马达：

将马达动力传送至上下裁切刀轮

5、轮刀：

上下镜射、各带刀刃的一组回转机构

6、送料检测编码器：

直接紧密的接触待切材料，靠材料之横移而带动编码器产生脉冲信号

三、工作原理

电脑横切机切纸板时，切刀运行的速度曲线因裁切长度的不同而不同，大体分三种情况：裁切长度大于两倍切刀圆周长、裁切长度大于切刀圆周长且小于两倍切刀圆周长、裁切长度小于切刀圆周长。

第一种情况：裁切长度大于两倍切刀圆周长


图2: 裁切长度大于两倍切刀圆周长的运转曲线[page]

如果裁切长度大于两倍切刀圆周长，运行速度曲线如图2所示；整个裁切循环从第一个裁切点开始到第二个裁切点结束，重点分段说明如下：

1. BWS-BBR控制系统随时监控进料长度与进料速度并控制伺服马达带动裁切刀轮，掌握正确的裁刀速度曲线。

2. 从第一个裁切点开始 (裁刀方位角等于180度)，当时仍然在同步区域内，因此裁刀速度必须与进料速度维持同步运转。

3. 当裁切刀」离开同步区域后，裁刀速度曲线经过控制系统精确的计算、控制，在降低到零速的同时，裁刀方位角也必须刚好等于0度。

4. 当进料长度累计到适当长度时，裁切刀轮开始朝进料速度目标加速；而且裁刀速度曲线经过控制系统精确的计算、控制，务求在裁刀速度上升到与进料速度同步的同时，裁切刀轮也恰好进入同步区域。

6. 进入同步区域之后，裁刀速度必须随时与进料速度维持同步运转，直到第二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。


图3: 裁切长度大于切刀圆周长且小于两倍切刀圆周长的运转曲线

如果裁切长度大于切刀圆周长且小于两倍切刀圆周长，则运行速度曲线如图3所示。基本运行速度曲线类似图2。差异如下：

1. 在整个裁切循环中，当裁切刀轮离开同步区域后，裁刀速度虽然也会下降，但不会降速至零速停止，不存在零速区域。

2. 经过BWS-BBR控制系统精确的计算、控制，在裁刀速度降低到一定值之后，立刻开始再加速；务求在裁刀速度上升到与进料速度同步的同时，裁切刀轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到第二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。

3. 裁切长度越趋近切刀圆周长，则速度下降越少；当裁切长度等于切刀圆周长时，裁刀速度在整个裁切循环中都维持与进料速度完全同步


图4: 裁切长度小于切刀圆周长的运转曲线

如果裁切长度小于切刀圆周长，则运行速度曲线如图4所示；基本运行速度曲线类似图3。差异如下：

1. 在整个裁切循环中，当裁切刀轮离开同步区域后，裁刀速度不降速，反而开始加速。

2. 经过BWS-BBR控制系统精确的计算、控制，在裁刀速度上升到一定值之后，立刻开始减速；务求在裁刀速度下降到与进料速度同步的同时，裁切刀轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到第二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。

3. 裁切长度越小，则裁刀速度上升越高，将造成马达剧烈的加减速。[page]

四、器件选型的注意事项

BWS-BBR轮切系统基本架构中所需的主要组件是：

1. 同步伺服或感应伺服电机

必须依据系统扭力的需要，包括伺服电机、机械系统自身的惯量、效率、摩擦损耗等因素来选定适当的形式及功率。

一般选择电机时需注意：

1）低惯量惯量愈低愈好，否则会损耗许多扭力去克服自身的惯量。

2）适当的额定转速及减速比

选定电机规格时应配合减速机构一起考虑，最佳的匹配是当电机运行于最高转速时， 即是机台切刀的最高合理运转速度（考虑机械的承受力，及实际应用上的要求）。尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，更是要考虑适当的减速比及电机的转速配置。因为一般的异步电机的扭力输出效率最大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；所以若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就必须改变减速比，使电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。

3） 若能采用标准伺服电机则将比使用一般感应式异步电机有更好的效果。

2. BWS-BBR驱动器

必须依据系统可能的最大扭力需要和选定的伺服电机最大额定电流来选定。驱动器必须有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。

3. 主线速度测量编码器

依据精度要求及机械参数来选定。编码器的选定规格需注意：

1）工作电压5V

2）输出部分是线驱动（Line Drive），差动式信号，增量型。

3）有A，/A，B，/B的信号。

4） 配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。

若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，如果减速比是1，其测量精度是400/1024*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则必须提高编码器精度，或增加减速比，以提高单位长度中的脉波输出量。

4. 人机界面

可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。

5. 切点近接开关

切点近接开关信号的精确度直接影响裁切的精度。切点信号必须能有精确的重复性和稳定性，其重点在于能确保在高速运转中，精确的重复标示出切刀切断时的角度位置；信号输出的延迟时间、感应位置的误差量，都会造成控制上的误差。

选择的考虑点：

1）工作电压24V。

2）输出信号电压24V。

3）切断信号必须是脉冲式的信号。

4）输出迟延时间愈小愈好。

如果延迟时间小于3usec，表示最大可能的误差在进料线速度为100米/分时为：

100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm

5）感应位置的重复性愈精准愈好。

6）感应角度愈窄愈好。

7）若要更高的精度，则必须采用编码器的Z点信号取代一般的近接型开关。

五、结束语

上述电脑螺旋刀横切系统切纸速度可达200M/min切纸速度控制在0.5MM.。全自动高速螺旋刀横切系统高效率、高精度、高可靠性；可选择定长横切、色标跟踪横切，可自动换单、选择换单。大大提高了生产效率。