【引言】
我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，而包裝工業(yè)也隨著工業(yè)品的制造而迅猛發(fā)展。目前中國(guó)生產(chǎn)的瓦楞紙包裝制品、復(fù)合軟包裝、金屬桶、集裝箱、塑料編織袋等主要產(chǎn)量已居世界前列。中國(guó)包裝工業(yè)已經(jīng)基本形成了一個(gè)以紙、塑料、金屬、玻璃、印刷、機(jī)械為主要構(gòu)成，擁有一定現(xiàn)代化技術(shù)裝備、門類比較齊全的工業(yè)體系。
在包裝工業(yè)中，瓦楞紙的應(yīng)用非常廣泛，幾乎所有的輕工業(yè)產(chǎn)品都會(huì)用到瓦楞紙板箱進(jìn)行包裝，比如食品、飲料、煙草、電子產(chǎn)品及電器等。而橫切機(jī)是瓦楞紙板生產(chǎn)線末端的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，也是制造包裝盒之前的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，橫切機(jī)的性能是影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。同時(shí)，橫切機(jī)也是瓦楞紙板生產(chǎn)線中自動(dòng)化程度較高的環(huán)節(jié)之一。
【行業(yè)背景】
出于對(duì)車速、廢品率和換單靈活性的要求，目前電腦橫切機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的推廣。根據(jù)控制系統(tǒng)的不同，電腦橫切機(jī)有兩大類：
• 第一類是采用單片機(jī)和普通變頻器進(jìn)行控制。在單片機(jī)中進(jìn)行位置閉環(huán)，然后將速度指令發(fā)送給變頻器，從而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與紙板的進(jìn)給進(jìn)行跟隨。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，但由于單片機(jī)對(duì)位置閉環(huán)控制的掃描周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致高速下的速度給定精度較低；同時(shí)普通變頻器的跟隨特性較差，無(wú)法完全跟隨給定，從而進(jìn)一步帶來(lái)誤差。
• 第二類是采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。位置閉環(huán)直接由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制。毫秒甚至是微秒級(jí)的運(yùn)算周期可以保證高精度的位置給定；同時(shí)伺服系統(tǒng)出色的跟隨特性也能夠保證更高的精度。
將在本文中介紹的橫切方案，即是采用西門子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)器的第二類方案。
【機(jī)械結(jié)構(gòu)】
目前的瓦楞紙生產(chǎn)線中，橫切部分一般稱為橫切機(jī)臺(tái)。通常，橫切機(jī)臺(tái)只有一個(gè)刀輥馬達(dá)，而沒(méi)有主動(dòng)進(jìn)給部分。即使有進(jìn)給馬達(dá)，也不會(huì)采用伺服驅(qū)動(dòng)，而是采用普通變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，瓦楞紙板的進(jìn)給量需要由測(cè)量輥檢測(cè)后傳送給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)同步或電子凸輪功能控制刀輥驅(qū)動(dòng)器。
【系統(tǒng)配置】
下圖為采用西門子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)Simotion D410 及伺服驅(qū)動(dòng)器Sinamics S120的系統(tǒng)配置圖。
配置圖中共包含以下組件：
• 上位控制工控機(jī)作為人機(jī)界面，接收用戶的給定與設(shè)置，同時(shí)管理訂單，并與整線控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊；
• Simotion D410是西門子公司最新的單軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，與上位工控機(jī)之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)（D410 PN型）進(jìn)行通訊：接收設(shè)置與訂單，并且實(shí)時(shí)將機(jī)器的狀態(tài)，如車速、電機(jī)電流、電機(jī)溫度等信息傳送給工控機(jī)進(jìn)行處理或顯示；
• 伺服驅(qū)動(dòng)器Sinamics S120接收Simotion D410發(fā)出的位置指令，并且以125微秒為周期進(jìn)行刀輥位置采樣，并進(jìn)行位置閉環(huán)控制（當(dāng)激活了動(dòng)態(tài)伺服控制功能DSC時(shí)），驅(qū)動(dòng)刀輥馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)；
• 外部編碼器安裝在測(cè)量輥上，用于檢測(cè)瓦楞紙板的進(jìn)給量，作為電子凸輪的主軸位置值；
• 當(dāng)需要對(duì)瓦楞紙進(jìn)行色標(biāo)跟隨橫切時(shí)，可以將色標(biāo)傳感器連接到Simotion D上的快速輸入點(diǎn)上。而Simotion D可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)色標(biāo)補(bǔ)償功能。
【性能指標(biāo)及亮點(diǎn)】
根據(jù)機(jī)械部分及電機(jī)功率的不同，目前配備該方案的橫切機(jī)可以達(dá)到下面的性能指標(biāo)：
• 幅寬：1400 mm ~ 3300 mm
• 車速：120 m/min ~ 350 m/min
• 裁切長(zhǎng)度：300 mm ~ ∞
• 裁切精度：±1 mm
而該解決方案具有的性能亮點(diǎn)包括：
• 電子凸輪裁切；
• 五次多項(xiàng)式凸輪曲線，降低對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊；
• 裁切時(shí)刀輥與材料同步，同步超速可調(diào)；
• 切長(zhǎng)不停機(jī)更改，并且立即生效；
• 根據(jù)需要可以進(jìn)行色標(biāo)跟蹤裁切。
