【正文】 ? ?mm LLmL ?? ????? （ 26） 由于 △ mm， △ LL,由式 25，式 26 可以推出： 2m L nL nLL m im iV? ? ?? ? ? ? （ 27） 由此可以得出，切紙機(jī)精度與切紙機(jī)工作速度 V、切長 L、減速比 i 及傳動(dòng)精度有關(guān)系，減速比越大越有利于提高切紙精度。另外，一般切紙機(jī)工作在 最小切長上的時(shí)間都比較短，可以充分利用調(diào)速系統(tǒng)可以超過額定轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，適當(dāng)選擇減速比。 切紙機(jī)的傳動(dòng)控制特性分析 送紙輥與切刀之間的控制 設(shè) D 為 送紙輥的直徑， i i2分別為送紙輥、切紙刀的減速比， n n2分別為送紙輥、切紙刀的電機(jī)轉(zhuǎn)速， 由 式 2式 23 可以得到： 12n LnV D Lmii?? ? ? ? 102nk k Ln?? （ 10 2ik iD??為常數(shù)） （ 28） 由式 28 可以看出，送紙輥、切紙刀之間是速度比例控制方式，改變速度比例系數(shù)就可以改變切紙長度。根據(jù)式 28 可以得出 kL??? （ 29） 切紙絕對(duì)誤差 L? 不變，傳動(dòng)系統(tǒng)的速度比例控制精度是在切長 L 為最小值時(shí)要求最高，若 △ L =,L=1300mm， 則切紙機(jī)控制要求要達(dá)到 ﹪ 。所以控制要求、比例控制精度高于造紙機(jī)。 傳送帶的控制特性 由 2切刀切好的紙頁落在 1傳送帶上，為了保證紙頁不碰撞、重疊，紙頁之間應(yīng)該有一定的間距，也就是說 1傳送帶線速度應(yīng)該高于紙頁速度。 2傳送帶連接接紙臺(tái)，切好的紙張?jiān)诮蛹埮_(tái)上形成紙垛。為了保證紙垛的良好形態(tài)，紙張速度要適中速度變化小，所以要求 2傳送帶在車速低時(shí)速度大于車速，當(dāng)速度高時(shí)要求速度低，紙頁就會(huì)重疊打結(jié)。 (1) 1傳送帶控制特性 設(shè)切紙機(jī)工作速度為 1V ， 1傳送帶工作速度為 2V ，紙頁在傳送帶上的間距為 X，陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)說明書） 8 根據(jù)式 23 可以得出 1V Lm? 2 ()V L X m?? 2211nV LXn V L??? （ 210） 由此可以得出， 1傳送帶與切紙速度之間是速度比例控制方式，根據(jù)式 210 可以精確計(jì)算 控制紙頁在傳送帶上的間距。一般間距控制范圍在 10%～ 20%之間。 (2) 2傳送帶線控制特性 設(shè)切紙機(jī)工作速度為 V1， 2傳送帶工作速度為 V3，紙頁在傳送帶上的間距或打結(jié)重疊間距為 X，根據(jù)式 23 可以得出 1V Lm? 3 ()V L X m?? 3311nV LXn V L??? （ 211） 由此可以得出，傳送帶與切紙速度之間是速度比例控制方式，根據(jù)式 2 211可以精確計(jì)算控制紙頁在 傳送帶上的間距。一般間距控制范圍在 10%～ 30%之間。 其它傳動(dòng)點(diǎn)控制特性 弧形輥主要用來舒展紙頁，使其平整，所以要求速度略高于紙頁速度，是速差控制?？v切刀起切割作用，要求與紙頁相對(duì)速度恒定，保證切紙的一致良好效果 [7]。 變頻傳動(dòng)和伺服傳動(dòng)方案對(duì)比 從傳動(dòng)產(chǎn)品的角度看，切紙機(jī)傳動(dòng)可以采用變頻傳動(dòng)控制或交流伺服控制，交流伺服控制的成本大大高于交流變頻傳動(dòng)，下面就對(duì)這兩種方案進(jìn)行分析。 變頻調(diào)速方案分析 目前，市場(chǎng)上一般高性能的矢量變頻器說明書上都標(biāo)有編碼器閉環(huán)穩(wěn)態(tài)精度為%，編碼器閉環(huán)動(dòng)態(tài)精度為 %。變頻器通訊數(shù)字給定精度一般為 10000 對(duì)應(yīng) 50Hz，所以給定精度為 。 如四極電機(jī)的額定同步轉(zhuǎn)速為 1500，穩(wěn)態(tài)精度為 %，則在任意頻率絕對(duì)誤差為 轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)精度絕對(duì)誤差為 轉(zhuǎn)，如果給定為 轉(zhuǎn)，則穩(wěn)態(tài)精度相對(duì)誤差為 10%，動(dòng)態(tài)精度相對(duì)誤差為 100%。 切紙機(jī)交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 9 切紙機(jī)精度與送紙輥傳動(dòng)精度、切紙刀傳動(dòng)精度都有關(guān)系。由式 27可以看出，切紙精度與切紙長度 L、切刀傳動(dòng)絕對(duì)誤差成正比，與工作速度 V成反比。 所以只要其能夠滿足大切長低速度要求，則高速時(shí)一定可以滿足要求。下面以3150/120 切紙機(jī)為例進(jìn)行分析。切紙機(jī)參數(shù)：凈紙寬度 3150mm，設(shè)計(jì)車速 120m/min，最大工作車速 120m/min，切紙長度 530mm～ 1380mm，送紙輥直徑為 400mm，送紙輥減速度比為 16，切刀減速比為 12，切紙精度 177。 。我們分析工作速度為 30m/min，切長為 1300mm 工作點(diǎn)。 變頻傳動(dòng)方案的切紙精度分析 （ 1）切刀變頻傳動(dòng)對(duì)切紙精度的分析： 由式 27 可以得出穩(wěn)態(tài)精度為 2 20 0 .1 5 1 3 0 0 0 .7 0 41 2 3 0 1 0 0 0nLL iV? ?? ? ? ???mm 動(dòng)態(tài)精度為 2 20 1 .5 1 3 0 0 7 .0 41 2 3 0 1 0 0 0nLL iV? ?? ? ? ???mm 所以， 穩(wěn)態(tài) 精度、動(dòng)態(tài)精度都不滿足切紙精度的要求。 （ 2）送紙輥?zhàn)冾l傳動(dòng)對(duì)切紙精度的分析： 由式 23 得 V VLL mV??? ? ? （ 212） 由式 2式 212 得 nLL n?? ?? （ 213） 工作速度為 30m/min，切長為 1300mm時(shí)穩(wěn)態(tài)精度為： 004 4 0 . 0 1 % 1 3 0 0 0 . 5 2nLnLL nn ??? ? ? ? ? ? ? ?mm 動(dòng)態(tài)精度為： 004 4 0 . 1 % 1 3 0 0 5 . 2nLnLL nn ??? ? ? ? ? ? ? ?mm 由上面的分析可以得出結(jié)論，送紙輥、切紙刀都采用變頻控制的方案不能滿足切紙精度的要求。需要注意的是，送紙輥精度的分析是在單純變頻控制時(shí)的精度分析。如果在送紙輥到切紙刀另加位置閉環(huán)，則該結(jié)論不成 立。 伺服方案分析 交流伺服電機(jī)一般都采用高分辨率的編碼器（ 13 位、 16 位、 17 位），提高了位置陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)說明書） 10 控制精度，交流伺服一般 控制精度 都可以達(dá)到八千分之一轉(zhuǎn)以上（ 13 位編碼器），其給定可以采用脈沖給定方式，給定脈沖頻率一般為 0～ 450kHz，外部給定精度為2/1000000，而且交流伺服內(nèi)部還有倍頻功能、可以進(jìn)一步提高精度。所以在切紙機(jī)控制中完全可以忽略給定與控制精度對(duì)切紙精度的影響 [8]。 方案確定 通過以上分析可以得出，采用變頻傳動(dòng)控制的技術(shù)方案不能滿足切紙機(jī)控制的要求，應(yīng)該采用交流伺服傳動(dòng)的技術(shù)方案。 切紙機(jī)交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 11 3 切紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)方案 分析 傳動(dòng)方案分析 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 切紙機(jī)基本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。切紙機(jī)的傳動(dòng)形式是分布控制 ,集中管理的形式 ,分兩級(jí)進(jìn)行 控制 。 第一級(jí)是伺服控制單元對(duì)伺服電機(jī)的控制和變頻器對(duì)交流電機(jī)的控制 ,在伺服控制單元對(duì)伺服電機(jī)的控制中 ,采用閉環(huán)控制 , 變頻控制 采用 PID 閉環(huán) 控制 ； 第二控制級(jí)是 PLC 對(duì)伺服單元和變頻器進(jìn)行控制 ,主要對(duì)它們的速度設(shè)定和調(diào)節(jié)，即在 PLC 內(nèi)完成邏輯運(yùn)算和模擬運(yùn)算后 ,把信號(hào)送到單個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)控制器 ， PLC 同時(shí)接收伺服單元 和變頻器 的工作狀態(tài)和報(bào)警等信號(hào)。 PLC 與變頻器之間采用 RS485 通訊方式 。 P L CR S 4 8 5O P弧 形 輥縱 切刀1 傳 送帶2 傳 送帶1 送 紙輥1 切 紙刀2 送 紙輥2 切 紙刀圖 31 切紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 切紙機(jī)傳動(dòng)由弧形輥、 縱切刀、傳送帶、送紙輥和切刀 （橫切） 組成，弧形輥主要作用是舒展紙頁，防止起皺，所以其速度與紙 頁 同步或略快；縱切刀一般需要比紙速快 倍左右；傳送帶主要是帶動(dòng)切好的成品紙頁，形成紙垛。 弧形輥 、 傳送帶 、 縱切刀控制要求比較低 ， 可以采用變頻傳動(dòng)控制方式，與主傳動(dòng)形成速度鏈?zhǔn)降乃俨羁刂疲湍軌驖M足要求。 切紙機(jī)的送紙輥與切刀之間的控制實(shí)際上是高精度的速比控制，我們只需要控制切長在誤差范圍之內(nèi)就可以了。而不是像印刷機(jī)中需要精確位置控制。所以送紙輥和切紙刀的控制可以有兩種控制方案：一種是送紙輥采用變頻傳動(dòng)，切紙刀采用 伺服傳動(dòng)，這種技術(shù)方案成本比較低，主要是充分利用交流伺服的功能，但是有許多公司伺服控制器陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)說明書） 12 并不支持；另外一種是送紙輥、切紙刀均采用伺服傳動(dòng)。 本次設(shè)計(jì)采用的是 送紙輥、切紙刀均采用伺服傳動(dòng) 。 OP 是系統(tǒng)的 操作臺(tái) ， 操作臺(tái)上設(shè)置觸摸屏， 控制人員可以通過它來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)時(shí) 調(diào)節(jié) ，通過它控制人員可以和控制系統(tǒng)很容易的進(jìn)行交流。它和 PLC 之間是通過 9 針通訊線進(jìn)行連接通訊的。 （ 1）主控配置 切紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)共有 8 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)。 其中弧形輥、縱切刀、 1傳送帶和 2傳送帶都采用變頻傳動(dòng) PID 控制方式； 1切刀和 2切刀、 1送紙輥和 2送紙輥采用伺服控制。 所以 PLC 配置必須滿足這些數(shù)據(jù)通訊的需求。 PLC 對(duì)伺服單元和變頻器進(jìn)行控制 ,主要對(duì)它們的速度設(shè)定 和校準(zhǔn) ，即在 PLC 內(nèi)完成邏輯運(yùn)算和模擬運(yùn)算后 ,把信號(hào)送到單個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)控制器 ， PLC 同時(shí)接收伺服單元的工作狀態(tài) 反饋 。 PLC 高速脈沖輸出，對(duì)伺服進(jìn)行給定，伺服單元選擇位置模式來控制傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， PLC 與變頻器之間采用RS485 通訊方式 ，組成以觸摸屏為操作終端的高速數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 （ 2）系統(tǒng)操作與控制 系統(tǒng)的控制采用 PLC 全數(shù)字速度鏈控制，在每一個(gè)操作臺(tái)觸摸屏上都設(shè)有 對(duì)應(yīng) 傳動(dòng)點(diǎn) 的：切長設(shè)定、切長校準(zhǔn)、速度增加、速度減少、爬行 /運(yùn)行等操作按鈕， ，由 PLC對(duì)這些操作信號(hào)進(jìn)行處理，并把各傳動(dòng)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的變頻器和伺服單元去執(zhí)行 ,可以對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。 具體控制功能如下： 1）起動(dòng) /停止：用于控制本分部電機(jī)的起?？刂?。 2）單動(dòng) /聯(lián)動(dòng)：對(duì)于要求負(fù)荷分配各傳動(dòng)點(diǎn)的單動(dòng) /聯(lián)動(dòng)控制。 3）緊急停車：緊急停車功能。當(dāng)切紙紙機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)意外事故，威脅到設(shè)備安全及人身安全時(shí)才可使用。 4）切長設(shè)定： 通過控制面板設(shè)定切長值 。 5）切長校準(zhǔn)：當(dāng)實(shí)際切紙長度與設(shè)定切長出現(xiàn)偏差時(shí)， PLC通過速度鏈調(diào)整送紙輥和切紙輥的速比，從而改變切紙長度。 （ 3）故障顯示等 在變頻器進(jìn)線配電流互感器指示進(jìn)線電流，在操作臺(tái)上配直流電壓表指示變頻器輸出電流。這兩者是不同的，不能互換。另外，在操作臺(tái)觸摸屏上還顯示每一傳動(dòng)點(diǎn)的車速及工作電流，并具有運(yùn)行、故障指示。這樣就使現(xiàn)場(chǎng)布線和調(diào)試大大簡化，可靠性也因此提高 [9]。 設(shè)備選型 在切紙機(jī)控制中 ， 切紙機(jī)的送紙輥與切刀之間的控制實(shí)際上是高精度的速比控制 ，切紙機(jī)交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13 對(duì)交流伺服采用位置指令作為給定輸入 ， 控制給定信號(hào)的頻率就可以控制電機(jī)的速度。所以 PLC 要選擇采用具有高速脈沖頻率輸出的 PLC，最好選擇專門用于伺服定位控制的 PLC，如永宏 FBS44MN。 變頻器選擇性能較好的 ABB ACS800，伺服單元使用性價(jià)比較好的安川系列伺服控制器。 切紙機(jī)的速度鏈設(shè)計(jì) 在 切紙機(jī) 分布式傳動(dòng)中，由于各相鄰傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度應(yīng)保持一定的比例，且在車速調(diào)整過程中，應(yīng)滿足只影響本級(jí)和本級(jí)以后的各傳動(dòng)點(diǎn)，而不影響前面各傳動(dòng)的速度，這樣每 個(gè) 傳動(dòng)點(diǎn)在前一級(jí)的基礎(chǔ) 上可以調(diào)整并把速度信號(hào)傳送給下一級(jí)形成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，即為速度鏈。 切紙機(jī)傳動(dòng)控制過程中伺服單元給定采用脈波控制方式， PLC 利用RS485 總線與變頻器完成切紙機(jī)速度鏈控制。傳動(dòng)控制中心則是 PLC，速度鏈控制由PLC 內(nèi)部軟件來實(shí)現(xiàn)。 速度鏈設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)精度要求： 速度鏈要求有一定的精度，也就是設(shè)定運(yùn)行速度的給定精度。根據(jù)切紙機(jī)傳動(dòng)控制要求和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般傳動(dòng)控制速度鏈精度應(yīng)在 ～ %，與紙頁的伸縮率有 關(guān)。 （ 2）速度鏈結(jié)構(gòu)： 速度鏈結(jié)構(gòu)要求可以形成分支子鏈，切紙機(jī)速度鏈結(jié)構(gòu)是以主鏈為主的多分支結(jié)構(gòu)。 （ 3）速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，用于完成傳遞功能。 PLC 內(nèi)部有非常精確的傳動(dòng)變比，我們?cè)O(shè)計(jì)為精度為 %。相位環(huán)的調(diào)節(jié)附加在速度環(huán)控制之上，因此可以保證傳動(dòng)控制精度。 首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各傳動(dòng)點(diǎn)的受控節(jié)點(diǎn)編號(hào)。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由其上一傳動(dòng)點(diǎn)確定其在速度鏈中的位置，填位置寄存器數(shù)值。 該傳 動(dòng)點(diǎn)速度給變頻器和伺服單元后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，對(duì)該經(jīng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完；再查下一寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，處