1、 环境背景
　　随着科(kē)學(xué)技术进步和人民(mín)生活水平提高,市场对婴儿纸尿裤的需求不断增加,使之出现求大于供的局面。正是由于出现了这样的商(shāng)机,一些过去采用(yòng)机械传动式婴儿纸尿裤生产線(xiàn)机的设备制造厂改机械传动為(wèi)伺服控制系统以提高设备的生产效率;还有(yǒu)一些过去生产餐巾纸,护垫的设备制造商(shāng)纷纷投资制造婴儿纸尿裤生产線(xiàn)机.华南一家机械设备制造商(shāng)就属于后者。
　　婴儿纸尿裤产品分(fēn)為(wèi): 大码、中码、小(xiǎo)码,其長(cháng)度从385mm到550mm不等。设计速度為(wèi)200m/min,生产节拍為(wèi)400pcs/min,装机容量為(wèi)260kw,精度為(wèi)±1mm。该机的传动和控制系统采用(yòng)三菱的变频器、伺服放大器和Q02HPLC、Q173CPU及Q172CPU运动控制器。

　　按照具體(tǐ)功能(néng)划分(fēn)它们是:
一 开卷装置
① 导流无纺布开卷
② 卫生纸开卷
③ 弹性腰带开卷
④ 底膜开卷
⑤ 前胶贴开卷
⑥ 面料无纺布开卷
⑦ 复合贴开卷
⑧ 挡墙无纺布开卷

二 刀(dāo)具总成
① 棉芯切刀(dāo)
② 弹性腰切刀(dāo)
③ 前胶贴切刀(dāo)
④ 复合贴切刀(dāo)
⑤ 成型边切刀(dāo)
⑥ 成型终切刀(dāo)

三 复合辊和压辊
① 棉芯压纹辊
② 三星压合辊 1
③ 三星压合辊 2
④ 三星压辊牵引
⑤ 导流无纺布、卫生纸、棉芯复合辊
⑥ 面料无纺布、弹性腰复合辊
⑦ 前胶贴、底膜复合辊
⑧ 左右复合贴复合辊
　　开卷装置将生产纸尿裤需要的各种材料依序输送至主加工線(xiàn), 切刀(dāo)辊则按产品的规格剪切成各种形状尺寸,经复合辊和压辊及最终切断刀(dāo)完成婴儿纸尿裤产品加工.最后经折叠、叠码包装入袋 。

2.2 硬件组成
　　系统开卷装置的传动设备采用(yòng)三菱FR-540E变频器; 切刀(dāo)辊、复合辊和压牵辊、输送辊等设备采用(yòng)三菱J2S-B伺服大器.基础自动化采用(yòng)Q02HPLC、Q173和Q172CPU运动控制器组成的多(duō)CPU系统.人机界面采用(yòng)三菱GOT985完成参数设置、系统监控、启动、停止等.其硬件配置如图2所示.
　　Q02CPU控制17轴变频器,Q173CPU控制生产加工30轴伺服電(diàn)机,Q172CPU控制包装设备5轴伺服電(diàn)机.
　　按工艺要求35轴伺服電(diàn)机和17轴变频异步電(diàn)机必须同步。16台开卷装置独立传动,两台為(wèi)一组恒张力自动换接料;6套切刀(dāo)辊相位要严格一致;8套复合辊和压合/牵辊及输送辊等線(xiàn)速度完全相同;包装设备位置控制和开卷装置张力控制节拍匹配;才能(néng)确保产品的一致性、重复性及精度。该设备集相位控制、速度控制、位置控制、张力控制為(wèi)一體(tǐ)。

2.3 Q—Motion
　　Q173和Q172是继A系列运动控制器的更新(xīn)换代产品。Q173可(kě)控制32轴;Q172可(kě)控制8轴,程序执行周期（SV22 4轴）仅為(wèi)0.88ms,是以往的1/4。 Q173和Q172CPU单元具有(yǒu)运动控制和事件处理(lǐ)的64位RISC处理(lǐ)器,能(néng)高速度完成高精度计算和大量数据通讯。具有(yǒu)多(duō)轴插补、速度控制、凸轮定形、轨迹控制等多(duō)样运动控制功能(néng)。SSCNT伺服总線(xiàn)传输速度為(wèi)5.6Mbps,发送周期0.88ms,确保同步精度和速度/位置的控制精度。Q173和Q172兼容MELSEC-Q系列PLC-CPU,进行高速顺序程序的处理(lǐ) 。Q02HCPU是多(duō)CPU系统的主控CPU。
　　系统软件:
　　传输装配软件SV13:提供:線(xiàn)性插补（1-4轴）、圆弧插补、螺旋插补、等速度控制、固定距离进给、速度控制、速度切换控制、速度-位置切换等功能(néng),适于電(diàn)子元件装配、装料机/卸料机、食品包装、X-Y工作台、传送机器、喷涂机、焊接机、注塑机、贴片机等。
　　自动机器软件SV22:在SV13功能(néng)的基础上增加了:多(duō)轴同步控制、凸轮控制、绘图控制、電(diàn)子轴、電(diàn)子离合器等功能(néng).适合于印刷机、制纸机、食品加工机、精纺机、纺织机械等。
　　凸轮软件CAMP:制作凸轮运行曲線(xiàn)或自由曲線(xiàn),实施轨迹控制及相位控制.
　　同步编码器功能(néng),实现多(duō)轴同步控制和相位自动控制。
　　数字示波器功能(néng),实现力矩、速度、位置等電(diàn)机信息的实时监控。

3、 应用(yòng)软件设计
　　Q—Motion提供实模式和虚模式两种控制模式.程序设计使用(yòng)Motion SFC（Sequential Function Chart）语言和支持机械的语言进行可(kě)视化编程。 Motion SFC是以流程图的形式进行描述,按照机械动作步骤编写,容易制作工序控制的程序。支持机械的语言是通过软件模块实现主轴、齿轮、离合器、凸轮等硬件动作,自由地把这些模块组合起来,即完成虚模式下的机械语言的程序设计。实现复杂的同步控制、轨迹控制及协调控制 。
　　纸尿裤生产線(xiàn)机的系统连锁功能(néng),调节功能(néng),设备启动停止控制等使用(yòng)Motion SFC编程; 同步控制, 系统较正,复合辊压合/牵辊線(xiàn)速度控制、切刀(dāo)辊相位控制等使用(yòng)支持机械的语言编程; 开卷装置张力控制由Q02HCPU用(yòng)梯形图编程。

3.1 同步控制
　　纸尿裤加工生产線(xiàn)同步通过控制程序如图3所示.

图三同步控制虚模式程序

　　由一台虚拟伺服電(diàn)机经一虚拟主轴通过齿轮、离合器、变速机差速齿轮/变速机,驱动滚筒或凸轮 。滚筒代表复合辊或压合/牵辊或输送辊, 凸轮代表切刀(dāo)辊。30个离合器由一个位软元件控制,所以当这台虚拟伺服電(diàn)机以某一转速启动,即通过虚拟主轴将脉冲数和脉冲频率传递给切刀(dāo)辊、复合辊、压合/牵辊、输送辊使它们按设计好的速度同步运行。（由于版面限制只复制了14轴伺服）

3.2 系统较正
3.2.1原点回归
　　為(wèi)满足机械设计需要Q—Motion设计了多(duō)种方式:
① 近点DOG方式原点回归
② 计数方式原点回归
③ 数据设置方式原点回归
④ 停止器方式原点回归
⑤ 限位开关混合型原点回归
　　原点回归,即机械系统和電(diàn)气系统较正.是相位控制、位置控制关键,选择恰当的原点回归方式才能(néng)保证系统控制精度 。
　　该套系统采用(yòng)数据设置方式原点回归 。使用(yòng)JOG功能(néng)手动将控制对象移至期望点,然后启动原点回归 。包装设备的位置系统使用(yòng)绝对位置编码器,所以虽操作繁琐但机器一次性调好即可(kě) 。

3.2.2系统调整
　　当纸尿裤加工生产線(xiàn)所有(yǒu)轴从静止状态启动到额定转速状态或从一个稳态（速度）到另一个稳态（速度）的过渡过程,即动态速度曲線(xiàn)不一致, 切刀(dāo)辊之间会出现错位; 复合辊、压合/牵辊之间出现堆料或打滑现象。所以调整各伺服轴的增益和积分(fēn)参数不仅响应快而且要过渡过程曲線(xiàn)完全一致 。

3.3 复合辊、压合/牵辊線(xiàn)速度控制
3.3.1辊径偏差补偿
　　复合辊、压合/牵辊、输送辊共24根 。 由于辊径的机械加工存在正负公差,尽管使用(yòng)的辊都在允许的公差范围内,但计算各轴圆周,其各轴周長(cháng)的差使得各轴以同一转速旋转时線(xiàn)速度不一致,不能(néng)满足控制精度的要求,必须对其纠偏。
　　Q—Motion提供三种偏差纠正方法:
① 固定参数设置
② 变速机控制
③ 差速齿轮
　　固定参数设置法是用(yòng)游标卡尺或其它测量器具直接测量辊径,并计算出周長(cháng),修正后设定電(diàn)子齿轮,使各辊線(xiàn)速度相等。
　　变速机控制和差速齿轮法既可(kě)离線(xiàn)设置也可(kě)在線(xiàn)调节 。连接变速机到滚筒支路,把变速机的变速比设為(wèi)变量,通过调节各辊的变速比值,使其达到線(xiàn)速度相等。 连接差速齿轮到滚筒支路,在差速齿轮侧加入辅助虚拟伺服電(diàn)机使辊筒的速度得到修正 。
　　本系统采用(yòng)变速机控制法.
　　设要求線(xiàn)速度相同的24轴辊径由小(xiǎo)到大依次為(wèi):
　　　　Φ1,Φ2,Φ3 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• Φ24
　　在虚模式分(fēn)别加入变速机,其对应的变速比依次為(wèi):
　　　　Κ1,Κ2,Κ3•••••••••••••••••••••••••••••••••Κ24
　　其中: Κ1=10000; Κn=（Φ1/Φn）＊10000 （n = 2～24）

3.3.2 微张力控制
　　复合辊、压合/牵辊传动对象是生产纸尿裤的各种材料,只有(yǒu)使其在加工过程不打滑和堆料才能(néng)让材料匀速传送,从而保证产品精度.。為(wèi)此采用(yòng)微张力控制,即在连辊之间加入微小(xiǎo)速度差ΔⅤ,以使加工材料绷直既不堆料也不打滑 。
　　设: 沿材料加工前进方向复合辊、压合/牵辊依次為(wèi):
　　　　φ1,φ2,φ3••••••••••••••••••••••••••••••••• φ24
　　对应各辊線(xiàn)速度依次為(wèi):
　　　　V1,V2,V3••••••••••••••••••••••••••••••••• V24
　　其中: Vn - Vn+1 = ΔV （ΔV< Vn＊1‰ ～2.5‰）

3.4 切刀(dāo)辊相位控制
　　6个切刀(dāo)辊设计為(wèi)往复式自由凸轮模式.一个周期為(wèi)此360°与切刀(dāo)辊一转相对应.其凸轮曲線(xiàn)如图4所示 。

3.4.1阶跃负载速度补偿
　　切刀(dāo)辊属阶跃负载.当切刀(dāo)辊转至切刀(dāo)位时负载突然跃变,電(diàn)机速度也会被瞬间跌落如图5所示 。

　　由于每个切刀(dāo)辊的负荷率不同,所以每个切刀(dāo)辊转至切刀(dāo)位时速度跌落的幅值和回调的时间也都不同 。由此会引起切刀(dāo)辊间相位错位,所以必须进行补偿。其补偿的方法如图6所示,按图6给定速度曲線(xiàn),设置凸轮曲線(xiàn),将抵消由于负载跃变产生的速度波动 。当然電(diàn)机功率选得过大使负荷率较小(xiǎo)或系统转动慣量设计大些, 阶跃负载产生的速度波动也会减小(xiǎo)或减少到精度允许的范围内 。

3.4.2 随机扰动调节功能(néng)
　　電(diàn)网的電(diàn)压波动電(diàn)磁场干扰以及加工材料不均匀都会使运动过程的切刀(dāo)辊产生随机扰动,使个别机架的切刀(dāo)辊相位产生错位。系统设计了如图7所示调节功能(néng),可(kě)手动或自动纠正错位。V32為(wèi)30个轴的同步驱动虚拟伺服電(diàn)机,V1為(wèi)1轴的辅助驱动虚拟伺服電(diàn)机作用(yòng)是纠偏 。

图七 辅助轴纠偏系统

4、 结论
　　三菱运动控制器是集通讯、位置、速度、张力控制為(wèi)一體(tǐ)的自动控制平台.简单、易懂、直观、可(kě)视性强的编程方法,适合于各种层次的自动化专业人员在短时间内掌握并应用(yòng);丰富的控制功能(néng)、高分(fēn)辨率系统、快速响应满足各类机械设备生产工艺要求。

     深圳市海蓝机電(diàn)设备有(yǒu)限公司（www.szhailan.com）销售和批发：三菱变频器、三菱plc、三菱触摸屏、三菱伺服電(diàn)机等工控自动化产品.電(diàn)话：400-8819130  0755-88356296（10線(xiàn)） 大客户：13823726967 吴经理(lǐ)
     本文(wén)原创自：深圳海蓝机電(diàn)设备有(yǒu)限公司，如果你对三菱伺服電(diàn)机应用(yòng)案例感兴趣请阅读我们的文(wén)章：/article/112.html