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英威騰運動控制產品在縱切機上的應用
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摘要:縱切機是一種將瓦楞紙帶、鋼帶等面幅較寬,收卷成型的卷筒型半成品按照設定的寬度裁切成客戶需要的寬度的設備,其重點工藝包括排刀、橫切、換單、計量等。其中排刀工藝最復雜,也是縱切系統的控制核心所在。英威騰根據縱切機現場工藝,提供了HMI+IVC3PLC+DA200伺服驅動器+GD20變頻器的控制方案。本文基于縱切機的控制工藝,詳述英威騰在江陰市某刷包裝機械制造有限公司縱切機設備上的電氣系統解決方案。

關鍵詞:縱切機  系統解決方案   DA200   排刀工藝

一、引言

縱切機是將瓦楞紙帶、鋼帶等面幅較寬的帶材,裁切成設定寬度的條狀帶材,再通過橫切工位,將條狀帶材裁切成設定長度的片材。為提高設備的適應性,一般會通過多刀選刀來完成多段裁切對少段裁切的覆蓋。橫切部分通過飛剪裁切,對縱切帶材進行定長裁剪,橫切工藝需要保證速度飽和下的保護補償。此外還有配方訂單,自動換單,手動插單等工藝要求。

二、縱切機的基本控制要求

項目客戶是江陰某刷包裝設備制造商,客戶的核心控制要求是縱切排刀,定長橫切和自動訂單排產,即通過排刀和橫切工藝,最終將卷筒型帶材切割成設定寬度和長度的片材產品,并通過上位機配方排產,訂單結束后自動切換下一訂單實現自動訂單排產,實現全自動生產。

縱切部分:為了兼容不同幅寬的裁切需求,縱切機機械寬度會設計的盡量寬;帶材裁切的數量也不一樣,為了兼容不同數量的裁切需求,需要配置盡量多的裁刀。本現場機架寬度2400mm,配置7把裁刀。因機械位置不可跳躍,且裁刀也有一定的寬度(約60mm左右),配置更多的裁刀意味著更多的定位干涉。排刀控制工藝的難點就是通過非下刀位置找位讓刀保證設定裁切的位置,進而解決因定位干涉導致的撞刀或撞壁問題。

橫切部分:運行中橫切刀自動與送料速度進行速度跟隨,調節橫切速度,保證不同送料速度,不同裁切寬度下橫切刀旋轉一圈送料行走的直線長度正好為設定切長。此時需要通過不同切長和線速度自動調整切刀跟隨的齒輪比。另外還需做極端情況下的抗切刀速度飽和、低速限幅保護、加減速同步補償……等等。

自動排單:使用多組配方功能,配方包括多組幅寬設置,每組訂單數量,裁切長度等參數,自動換單模式下,實時記錄每單數量和總數量,當當前訂單完成后自動切換至下一訂單,排刀按照下一訂單自動定位至新的縱切位置,裁刀根據下一訂單切長調整橫切頻率,實現全自動換單操作。

三、縱切機排刀控制原理及拓撲

3.1 選型配置

根據排刀系統的控制要求,關鍵物料配置清單如下:

編號

名稱

型號

數量

品牌

備注

1

觸摸屏

VK100-N0CXQ

1

INVT

人機界面

2

可編程控制器

IVC3-1616MAT

1

INVT

PLC

3

排刀伺服

SV-DA200-0R7-2-C0

7

INVT

伺服驅動器

4

排刀電機

SV-MM06-0R7B-2-1A0

7

INVT

伺服電機

5

甩刀變頻器

GD20-2R2G-4

1

INVT

 

6

送料變頻器

GD20-2R2G-4

1

INVT

 

7

升降變頻器

GD20-004G-4

1

INVT

 

系統方案簡圖如下:

3.2 系統方案簡述

本方案由顯示部分為10英寸觸摸屏??刂坪诵臑橛⑼vIVC3系列PLC,PLC和觸摸屏之間通過以太網通訊進行數據交互,7臺DA200高性能伺服驅動器控制7把排刀的走位,伺服驅動器和PLC之間通過CANopen通訊進行數據交互。傳送和橫切部分使用變頻器,變頻器和PLC之間通過485通訊進行數據交互。各傳動部分詳細的作用如下:

編號

名稱

控制說明

1

VK100觸摸屏

用于顯示與數值輸入,人機交互的窗口,所有的數據顯示與參數設定在觸摸屏上完成,觸摸屏和PLC通過以太網通訊進行數據交互

2

IVC3系列PLC

數據控制處理與信息傳送的核心,所有的控制邏輯與數據計算有PLC完成,并與外部通過通訊實現數據交互

3

DA200伺服(排刀)

PLC根據當前各段設定裁切寬度和當前伺服驅動器位置計算接下來各排刀需要走位的位置,并通過CANopen通訊將定位位置和速度傳送給伺服驅動器,伺服驅動器接收到定位命令后走位至通訊設定位置并零速保持,實現排刀定位

4

傳送變頻器

PLC根據當前觸摸屏設定的線速度和機械傳動比計算傳送變頻運行頻率,并通過485通訊將設定頻率寫入傳送變頻器,傳送變頻器驅動傳送電機,實現主傳動速度調節

5

橫切變頻器

PLC根據當前線速度和橫切寬度計算橫切變頻運行頻率,并通過485通訊將設定頻率寫入橫切變頻器,橫切變頻器驅動橫切電機,實現橫切長度調節

6

升降變頻器

接受傳送變頻器給定的頻率,并根據AB面實際位置疊加一個調節頻率做升降調節

四、縱切機關鍵工藝實現

縱切機最關鍵的工藝是縱切排刀選刀和飛剪裁切:

縱切選刀:現場配置7臺DA200伺服驅動器驅動7臺切刀,每臺切刀裝配一個原點開關,回原時依次找各自的原點尋原。系統走絕對位置定位,機械安裝導致原點位置有偏差,需要做原點位置偏移即可解決此問題。

七臺切刀最多實現6剖7幅裁切,需要能夠兼容2~6剖裁切。當設定裁切剖數低于6剖時,需要部分裁刀讓刀,讓刀的目的是當前刀位與目標刀位沖突時,當前刀位能夠正確走位讓出目標位置,避免撞刀。裁切刀數越少,需要讓刀的刀位越多,需要考慮讓刀換刀的可能性也越多。

 選刀讓刀部分比較復雜,需要做一系列的邏輯處理,大致的實現思路是:選擇有效設定幅寬,計算設定刀位脈沖,初定排刀刀位,未排刀工位無耦合找刀,讓刀位居中排刀,伺服重新排序,最后通過CANopen總線發送各伺服走位位置,確定下刀位,定位完成后下刀,進行裁切。

 備注:考慮到成本和工藝,現場使用的是CANopen總線定位,系統還可兼容Ethercat、Profinet等高速總線方案。

飛剪裁切:飛剪裁切是裁刀每轉一圈裁切一段,裁切出來的寬度需要與設定寬度完全一致,即裁刀旋轉一圈,紙張傳送的長度剛好為設定切長。因送紙設置的線速度隨時可能變化,線速度變化后裁切速度也需要跟隨比例變化;切長變化后,同等線速度下裁切跟隨速度也會變化,需要根據切長實時計算裁切跟隨齒輪比;切長較短時裁切速度更快,極易出現裁切速度更早進入調速飽和區,此時需要主機做抗裁切速度飽和處理;運行中加減速從機跟隨有信號滯后,易導致從機速度跟隨性不佳,需要加速段做加速度補償,減速度做減速度補償;裁切變頻使用開環矢量調速,低速段穩速精度不夠,需做低速限幅,避免低速裁切。

五、現場圖片

現場電控柜

現場設備

六、調試關鍵點說明

1、回原絕對零點軟校準:現場使用的是2500線增量式編碼器,因此每次上電必須先回原點。7臺伺服依次對應7個原點開關,因現場需要走絕對位置定位,因此回原點后必須給每一個原點做絕對初值的處理,否則相當于相對定位,增加程序開發的復雜程度。我們在回原完成前只需設置伺服驅動器原點機械位置對應的脈沖量,回原后將原點位置設置為此位置即可,易用性強,簡單方便。

2、回原效率:因現場使用的是增量式編碼器方案,每次上電都需要回零,效率至關重要。市場上普通伺服的常規性能是依次回原,使用前一臺伺服的回零完成信號觸發第二臺伺服回零,回零路程較長,效率較低。本系統采用DA200 CANopen總線同步觸發通訊模式,響應速度快,通訊速度高,伺服之間響應時間差極小,無縫快速回原,回原完畢后直接關聯同速分刀,回原和分刀效率顯著提升。

注1:綜合成本與工藝,客戶選用了2500線增量式編碼器方案,系統也可兼容23位多圈絕對值編碼器的方案,定位精度更高,調試更加便利。

3、排刀多刀找位耦合問題:當剖數較少,需要有多組排刀需要找位時,如果所有補刀位置的伺服都按照補位邏輯同時找位,因補刀伺服的位置在不斷變化,會導致找位數據耦合。為避免此情況,可按照既定的找位順序,依次補刀找位,完成后位置標定,然后觸發下一臺補刀找位,下一臺伺服找位時除不與下刀位置沖突外,還不能與已找到補刀位置的伺服位置沖突……以此類推,直至7臺伺服都找到合適的停刀位置。

4、虛擬停刀位置的使用:排刀讓刀情況多種多樣,要保證一次找準補刀位置并將補刀位置居中分布到位,基本不可能??梢韵冉o各補刀伺服找到一個不會撞刀和撞壁的停刀位置,即為虛擬停刀位置。虛擬停刀位置比較容易解決,每次加或減固定刀寬的位置,并與左右極限位置、已定排刀位置做差值比較,符合預定條件即可。找到了虛擬停刀位置后再做刀位排序、找下刀伺服編號、居中分刀等操作,即可完成工藝要求。

5、分刀定位效率:排刀系統分刀要求快速準確,因左右排刀時基本都是空載運行,負載大小取決于加減速時間和負載慣量。經過現場調試,可輕松實現1.5S內找刀并定位完成,上位機實測快速找位時扭矩波形穩定可控。

七、結束語

英威騰縱切機電氣系統解決方案使用優化的排刀飛剪橫切等程序算法,采用CANopen高速工業總線通訊,完美的實現了快速回原、高效定位、精準排刀、安全保護等關鍵性能,系統回原功能更強大,定位更準確,布線更美觀,性能更穩定。

英威騰在縱切機上極具創造力的系統解決方案,以優秀的性能和高性價比,幫助廠家提升加工效率和品質,減少營運成本,增強了設備廠家的競爭力,同時也體現了英威騰強大的系統集成能力,具有極強的市場推廣價值和行業引領作用。

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