（机械设计及理论专业论文）高速卷筒绝缘纸折切机的控制系统设计.pdf

高速卷筒绝缘纸折切机的控制系统设计 摘要 应西安西玛电机股份有限公司的要求，为其电机专用卷筒绝缘纸试制一 台集折痕与切断二重功能的高速折切机。现行的折痕与切断工艺在国内各电 机厂基本处于全手工状态，这种工艺步骤已经不适于大批量的生产任务。经 多方查阅资料并进行实地调研，根据市场上现有的折痕机与切纸机两种机械 的结构特点并在认真研究了绝缘纸的性能特征后，基于德国某电机厂员工自 行设计的一套简陋折切机系统，自行研制和开发基于p l c 和交流变频调速 技术的折切机械，完成折痕与切纸流水线作业的工艺要求及速度要求 控制系统作为折切机的关键部分，是本文研究的重点所在。采用可编程 控制技术取代传统的继电器或单片机控制，具备成本低，维修方便，可靠性 高，扩展空间大等优点。在对三台交流异步电机的速度控制方案选择中，与 变极调速、改变转差率调速等调速技术相比，变频调速具有极大的优越性， 整个调速系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、 操作过程简单、通用性强，极大的提高了机器的性能。本系统中将充分体现 可编程控制技术和变频调速技术的强大功能以及他们在系统中的灵活应用。 本文内容包括系统的总体方案设计、硬件设计、控制算法的实现以及软 件设计。首先阐述了折切机的现状和发展趋势以及变频调速技术的发展和在 控制系统中的应用；然后从折切机的机械结构研究入手，介绍了折切机的工 作原理以及其结构特征对控制系统的要求；在四种控制方案中选定控制方案 并进行方案论证，确定采用基于可编程控制和交流变频调试技术的同步控制 方案来保证连续的高速切纸，采用p i d 控制算法进行多电机的同步控制来 满足纸张精度要求。接着重点论述了控制系统的硬件构成、软件设计以及他 们的特点嘲。硬件设计包括对p l c 、变频器、光电旋转编码器及触摸屏等重 要元器件的原理、选型、接线、通讯设置及其在系统中所起到的作用的介绍； 软件设计包括p l c 程序设计及触摸屏程序设计。p l c 程序设计采用模块化 设计，模块一为通过采集张力传感器输入的张力信号模拟量与内置的张力预 定值进行p i d 反馈计算来保持纸带恒定张力的程序编写伪；模块二为对编码 器发送的送纸电机及切刀电机转速信号进行高速脉冲计数并进行数据处理 来实现纸张定长控制的程序设计。模块三为通过采集光电传感器输入的报警 信号来进行断纸及完纸检测的程序编写；模块四为可编程控制器与触摸屏之 间的通讯程序设计。触摸屏程序设计在控制系统中是必不可少的部分，整个 触摸屏程序采用树型结构，由主画面和参数设置及运行状态监视等相应子画 面组成。在每个画面中均可通过功能键切换到其它画面。协助主控制系统完 成折痕与切纸流水线作业的工艺要求及速度要求。最后对系统进行了模拟调 试，达到了预期的效果。 关键词：折切机，p l c ，触摸屏，变频器，自动控制 i i c o n t r o ls y s t e md e s i g nf o r i n s u l a t i n gp a p e rc y l i n d e r f o l d i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t b a s e do nx i m am o t o rc o l t d sr e q u e s t ，t h ea u t h o rd e s i g n sah i g hs p e e d f o l d i n ga n dc u t t i n gm a c h i n ef o ri t ss p e c i a le l e c t r i c a lm o t o ri n s u l a t i n gp a p e r c y l i n d e r a tp r e s e n tt h ef o l d i n ga n dc u t t i n gt e c h n o l o g yi nd o m e s t i cm o t o rf a c t o r y i sb a s i c a l l yi nf u l l m a n u a ls t a t u s ，w h i c hh a sb e e nu n s u i t a b l ef o rl a r g eq u a n t i t i e s p r o d u c t i o n b yt h em u l t i a c c e s si n f o r m a t i o na n dp r a c t i c a lr e s e a r c ha n da c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x i s t i n gm a r k e tf o l d i n ga n dp a p e r - c u t t e r m a c h i n ea n dt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fi n s u l a t i n gp a p e r , b a s e do no n e s i m p l es y s t e mm a d eb yt h ee m p l o y e e so fag e r m a nm o t o rf a c t o r y , t h ea u t h o r d e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e sah i g hs p e e di n s u l a t i n gp a p e rc y l i n d e rf o l d i n ga n d c u t t i n gm a c h i n ew h i c hi sb a s e do np l c a n da c f r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g y i t c a nc o m p l e t et h e p i p e l i n i n gp r o d u c t i o nt om e e tt h ef o l d i n ga n dc u t t i n g t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sa n ds p e e dr e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o l s y s t e mw h i c hi s t h ek e y p a r to ft h ef o l d i n ga n dc u t t i n g m a c h i n ei st h ef o c u so ft h i sp a p e r t h ea u t h o ra d o p t st h ep r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) i n s t e a do ft h e t r a d i t i o n a l r e l a y c o n t r o l s y s t e m a n dt h e s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m a si th a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e sw i t hl o w c o s t , e a s ym a i n t e n a n c e ，h i g hr e l i a b il i t ya n dg r e a te x p a n s i o no fs p a c e d u r i n gt h e s p e e dc o n t r o lo ft h et h r e ea ca s y n c h r o n o u sm o t o r s ，t h ea u t h o rs e l e c t st h ea c f r e q u e n c yg o v e m i n gt e c h n i q u e ，w h i c hh a su n b o u n d e da d v a n t a g e sc o m p a r e dt o t h et r a d i t i o n a l p o l e c h a n g i n gs p e e dg o v e r n i n g a n d s l i p - c h a n g i n gs p e e d g o v e r n i n g t h ef r e q u e n c yg o v e r n i n gs y s t e mh a st h ea d v a n t a g e sw i t hs m a l ls i z e ， l i g h tw e i g h t ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，p e r f e c tp r o t e c t i o nf u n c t i o n s ，s a f er e l i a b i l i t y , s i m p l eo p e r a t i o na n dh i g hu n i v e r s a l i t y , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o ft h em a c h i n e p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rp l ca n dt h ea cf r e q u e n c y g o v e r n i n gt e c h n i q u ew i l lf u l l yr e f l e c tt h e i re n h a n c e df e a t u r e sa n df u n c t i o n a l i t y a sw e l la st h e i rf l e x i b i l i t ya p p l i c a t i o ni nt h es y s t e m 1 t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h eo v e r a l lp r o g r a md e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，c o n t r o l a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n f i r s to fa l l ，t h ea u t h o rp r e s e n t s t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ef o l d i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e b a s e do nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ef o l d i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e ，t h ea u t h o r i n t r o d u c e st h ec o n t r o l l i n gr e q u i r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h em a c h i n e sw o r k i n g p r i n c i p l ea n di t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ；a n dt h e ns e l e c tt h ec o n t r o lp r o g r a m w h i c hi st o c a r r y o u t s y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n gp r o g r a m b a s e do nt h e p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o la n da cf r e q u e n c yg o v e r n i n gt e c h n o l o g y t oe n s u r ea c o n t i n u o u sh i g h - s p e e dc u t t i n ga n dt ou s ep i dc o n t r o la l g o r i t h m st om e e tt h e c u t t i n gp r e c i s i o n t h ep a p e rf o c u s e so nt h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，s o f t w a r ed e s i g na s w e l la st h e i rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h e i n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l e s ，t y p e s e l e c t i o n ，w i r i n g ，c o m m u n i c a t i o ns e t t i n g s a n dt h er o l eo ft h e mi nt h es y s t e mf o rt h ei m p o r t a n td e v i c e ss u c ha sp l c c o n t r o l l e r , i n v e r t e r , p h o t o e l e c t r i cr o t a r ye n c o d e r sa n dt o u c h s c r e e na n de t c s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sp l cp r o g r a md e s i g n i n ga n dt o u c hp a n e lp r o g r a m d e s i g n i n g ：p l cp r o g r a ma d o p t sm u d u l a rd e s i g nw i t hf o u rm o d u l e s ：t h ef i r s to n e i st oa c q u i r et h ei n p u ta n a l o gs i g n a lo ft h ep a p e rt e n s i o na l o n gw i t ht h ep i d f e e d b a c kc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt ot h eb u i l t - i nt e n s i o nt om a i n t a i nac o n s t a n t p a p e rt e n s i o n ；t h es e c o n do n ei sc o u n tt h eh i g h s p e e dp u l s ef o r t h ep a p e r s e n d i n g m o t o ra n dt h ep a p e r - c u t t i n gm o t o rf r o mt h e i re n c o d e r sa n dt h e nc a h yo u tt h e d a t ap r o c e s st oa c h i e v et h eh i g h - p r e c i s i o nf i x e d l e n g t hc u t t i n gp a p e r ；t h et h i r d o n ei st oa c q u i r et h ei n p u ta l a r ms i g n a lt h r o u g ht h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o rt oc a r r y o u tt h ep a p e r - t o r na n dp a p e r - o u tt e s t i n gp r o c e d u r e s ；t h el a s tm u d u l ei s t h e c o m m u n i c a t i n gd e s i g n b e t w e e nt h ep l ca n dt o u c hp a n e la n df r e q u e n c y c o n v e r t o r t o u c hp a n e li sa ne s s e n t i a lp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ew h o l et o u c h p a n e lp r o g r a mu s e st h et r e e s t r u c t u r ew h i c hi sc o m p o s e do fa m a i ns c r e e na n d s o m es u b s i d i a r ys c r e e n ss u c ha sp a r a m e t e rs e t t i n g ss c r e e n ，o p e r a t l o ns t a t u s m o n i t o r i n gs c r e e na n de t c a n ys c r e e nc a n b ea c c e s s e dt h r o u g ht h ef u n c t i o nk e y b e t w e e ne a c ho t h e nt h et o u c hp a n e lp r o g r a ma s s i s t si nt h ec o m p l e t i o no ft h e f o l d i n g a n d c u t t i n gp r o c e s s w i t ht h em a i nc o n t r o l s y s t e m t om e e ti t s r e q u i r e m e n t sf o rp r e c i s i o na n ds p e e d f i n a l l y , t h ea u t h o rt a k e st h e s i m u l a t i o n d e b u g g i n gf o rt h i sp r o g r a m ，w h i c hh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s i v k e yw o r d s ：f o l d i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e ，p l c ，t o u c hp a n e l ，i n v e r t e r , a u t o m a t i cc o n t r o l v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 卜 日 期：上学 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：犁鱼涩l 导师签名：韭日期：垫蛐 高速卷简绝缘纸折切机的控制系统设计 1 绪论 1 1 前言 满足电机专用卷筒绝缘纸高速折切机折切速度和精度的核心在于控制系统的方案选 择。国外引进的简易的旧式折切机推进定位系统的实现是利用单片机控制，编码器的脉 冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制 动器的离合分离，刹车制动推进系统的惯性，从而实现精确定位 4 1 。但是单片机控制系 统有时会造成定位不准，切纸动作紊乱，最主要的是不能满足切纸速度和精度需要。基 于此考虑，采用基于p l c 和变频调试技术的集散式同步控制方案和采用p i d 控制算法实 现多电机的同步控制及恒张力，并利用h m i ( 人机界面h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 进行 裁切参数设定和完成现场监测i s 】。 1 2 课题的提出及研究意义 电机专用绝缘纸不同于普通纸张，它是一种复合绝缘材料，用于电机、控制用变压 器、电抗器或扼流圈等技术领域。通常由白云母纸或金云母纸配以适当的胶粘剂经烘焙 干燥后分切而成，它具有良好的机械、电器和耐热性能，在1 5 0 - 8 0 0 ( 2 广泛的温度范围内 使用适用于电机、电器绝缘以及耐温等级8 0 0 的防火电缆绝缘1 6 1 。对其进行折痕及切 断工艺不同于普通的纸板折痕机和纸板切纸机，因为此种绝缘纸韧性很大，且不容易切 断。另外电机专用绝缘纸宽度( 2 8 - - - 9 5 m m ) 远小于大型分切机所裁切的卷筒纸宽度尺 寸5 0 0 - 1 8 0 0 m m ，超出其切纸尺寸范围，因此也不能使用卷筒纸切纸机来完成裁切工艺 r l 。大型电机厂每天需进行折切的绝缘纸筒数超过数万个，这样的工作量凭手工完成， 劳动量大效率低下，且精度远远达不到要求，影响电机的总体质量和完美度。针对国内 这一方向的空白市场，引进国外技术，并进行改进与创新，设计一套基于p l c 和变频技 术的折切机控制系统，完成折痕与切纸流水线作业，实现高速高精密的电机专用卷筒绝 缘纸切纸工艺。对电机行业及其它类似行业都是有积极意义的 s l 。 1 3 折纸机及切纸机的现状分析 自动折纸机在国内厂家很多，如济南迅捷机械设备有限公司生产的z e 8 b 型号折纸 机如下图： 陕两科技大学硕士学位论文 圈l _ 1 济南迅捷机械设备有限公司z e _ g b 型号 f i g l 一1t h e f o l d i n g m a c h i n e z e 一8 b t y p e ( j i n a n x u n j i e m a c h i n e ) 其可代表折纸机行业国内的普遍水平，适用于纸张( 平板纸) 多种方式的折叠，机 器结构合理，采用大胶轮送纸，分张准确、性能稳定、操作方便、效率高，广泛应用于 产品说明书、公文信函、商务信函的丈批量折叠，适用于快速印刷中心，机关团体等。 折纸样式多种，包括对折、十字折、报表折、内三折、外三折、观音折，使用范围广泛r 适用各种不同尺寸和厚度平扳纸张的折叠。人工操作比较简单省时省力。强大工作线 速度可达7 0 m r a i n 。调整简便，送纸流畅，无级调速，轻巧高效。但其只适用用于平扳 纸张，卷简纸材料不能进行折癀 9 1 。 自动平板纸切纸机：如北京科博源工贸有限公司生产的c a - 4 3 0 型切纸机： - - p ， j 二二二二二； r 卜 t r j i 碍事驾i 图l 也北京科博源工贸有限公司c a 4 3 0 纂切纸机 f i g l - 2 t h ec u t t i n g m a c h i n e c a 。1 3 0 t y p e ( b e i j i n g k o b 曲 该机采用操杆式压纸装置，并添加多重保险的切刀，刀口直观对纸裁切，精密度极 高，采用槽式内嵌外露刀座使更换刀片更加方便，切刀刀片采用优质耐磨材料，硬度达 标，刀ll 锋利，裁切轻松。采用近身保险使使用十分方便。为更换刀条而独特设计的保 险护盒让使用更加安全、可靠。本机是裁切，精装相册的理想选择，轮轴导向后端定位， 纸边定位测量标度尺，光刀线指示，安全护罩，锁刀装置。本机操作简单，工作效率高 加快了q ：产时间，使用安全，放心l 。它适用于中小型印刷企业及文印，办公等。安全 可靠，物美价廉。本机嚣适用于印刷企业，专门复印行业，机关，公司等要处理一些切 断。是独特的单杆凸轮压纸千斤结构安伞护罩，裁切柄安全锁机结构确保操作者安全， 是裁切精装相册的理想选择。特殊的推纸器滑块设计，确保推纸嚣与材刀保持平行，高 精度导轨和蝗杠确保裁切定位轻松，公、英制裁切尺寸双重显示优质高速合金钢刀片， 高速卷筒绝缘纸折切机的控制系统设计 刀片锋利，耐用。准确的定位精细调节手轮，齿牙式设计，标配专用换刀架操作安全 可靠1 。 卷筒纸切纸机：如深圳长江机械的大型c h m 型伺服传动电脑高精密卷筒纸分切机： 图1 - 3c h m 型伺服传动电脑高精密卷筒纸分切机 f i g l - 3 c h m 孵h i g l l m u r a e y c y l i n d e r p a p e r c l a t t i i w m a c h i n e h m - 1 4 0 0 1 7 0 0 1 9 0 0 伺服传动电脑高速高精密卷筒纸分切机广泛适用于卡纸、铜版 纸、牛皮纸、文化纸、双胶纸、高光相纸、金银卡纸、铝箔纸、激光镭射纸、烟酒包装 纸等，是一种高效率、高精度、高稳定性的纸品加工设备。该机采用a c 伺服马达传动， 切纸速度快且稳定；采用德国精密切断刀，切断精度高工05 m m ；三组分条刀可供修边及对 剖输纸部：轻触式电脑界面操作，操作简便：比同类机械多配置了自动导边系统及张力控 制系统，送纸顺畅，切纸方正度精准；比同类减速箱传动机械使用寿命至少长十年。适用 纸张范围6 0 5 5 0 9 ，切断精度工o 5 m m ，最高切断速3 0 0 e r o s r a i n ，虽高切断米速3 0 0 m m i n ， 切断长度范围为4 5 0 1 4 5 0 m ，最大栈扳堆板高度13 0 0 m m 13 0 6 m m 1 6 0 0 r a m ，最大卷筒 纸纸径为1 8 0 0 m m ( 7 1 “) ，最大卷筒纸纸幅1 4 0 0 m m ( 5 5 “) 1 7 0 0 r a m 1 9 0 0 m ，机台总重 1 2 0 0 0 k 扪3 0 0 0 k g 1 4 0 0 0 k g 切纸精度高，速度快，稳定性能佳，使用寿命长。但是可同时 完成折痕与横切工艺的机械在市场上很少见，办公用品，印刷业需要的折切设各在国内 国外均已相当成熟。工业用纸困为在电气，化工领域内不被看作是生产效率影响的关键 因素而被忽略随着近年来产品的精度要求与批量生产的速度要求越来越高工业用纸 裁切设备将旋起包装行业新的发展动向m l 。 其它公司产品：波拉折切机包括波拉9 2 e 、1 15 e 、6 6 、1 3 7 0 e d 等利用人体工程 学原理设计产出的新一代机型。其共同特点是在裁切尺寸显示、裁切误差自动补偿、安 全防护方面都有撮大发展。p o l a r e 型折切机是适用于一般裁切业务的可编程式基本机型， 有1 2 8 k b 存储容量，约相当于12 万个裁切位置；而p o l a r e d 型折切机被称为最先进的 折切机，代表了折切机的发展方向。它向用户提供了多种附加功能包括清费功能，是整 个裁切生产线的中心，配备有在机外进行编程操作的编程软件，并与数据控制系统联网。 所以这些机型均为模块化设计。控制面板上的图形按钮，使人一目了然，操作简单、方 便：高分辨力彩色屏显示，各有2 9 种文字的操作信息；当裁切材科发生变化或变形时， 陕西科技大学硕士学位论文 可选用相应修正功能，纠正纸张尺寸误差；自我诊断系统对折切机所有功能进行连续 监视，如有任何错误和不正常，便立即有信号显示和文字显示，以便操作人员尽快排除 故障。p o l a re d 折切机具有高精度测量和定位系统，包括直接脉冲发生器、频率控制的 驱动马达、带万向滚珠轴承的高精度主轴及推纸器所使用的精确线性引导系统、裁切位 置定位精度达0 0 1 m m 。 折纸机现状总结：应该说国产折切机的进步很快，这是有目井共睹的。它已能满足 印刷、包装等各方面的需求，但与国外著名折切机仍有差距，主要表现在机器的性能、 稳定性、可靠性、故障频率、折切机配套设备等方面。现在国内折切机配套工业整套水 平跟不上世界科技发展的潮流，配套的电气元件、电脑、液压件、气动件等不能满足要 求。所以要真正使国产折切机的稳定性、可靠性得到根本提高，除了折切机厂家自身努 力之外，配套工业，尤其是电气元件、液压件等制造厂家必须提高其产品的稳定性、可 靠性。目前，国内只有极少数厂家如申威达公司生产折切机辅机( 包括升降车、闯纸机、 卸纸机等) 。大多数厂家只生产折切机主机，不能组成裁切生产线，而这也是我国折切机 工业与世界先进水平的一大差距。据了解，p o l a r 折切机正朝着整体裁切系统取代单机裁 切的方向发展，即将折切机与辅助设备相互组合成网络系统。这不仅可以提高裁切质量 和劳动生产率，还可以大大减轻工人的劳动强度。如果我们的折切机想占领国外尤其是 工业发达国家的市场，发展整体裁切系统是必不可少的。 切纸机现状总结：近年来，国产切纸机己形成品种、规格齐全的系列产品。上海申 威达公司的s q z k 程控切纸机是国内折切机最高水平的代表。其外观、功能、安全性、 稳定性己达到国际9 0 年代中期水平，是采用模块化设计的集电脑程序、机、电、液、气 于一体的技术密集型智能切纸机。控制系统采用1 0 4 英寸彩色显示屏电脑，软盘驱动， 可以进行裁切数据的传递或软件升级，所存裁切数据容量巨大，可以人机对话，实现双 语( 英、中) 选择；具有所需裁切尺寸的工作表及裁切线可视图示功能。采用纸堆高度 监测装置及辨刀感应装置，最大程度地减少了纸张空行程时间；采用滚珠丝杠使推纸器 定位更快、更准；在1 1 5 c m 以上尺寸机型上可选配废边清除装置，功能比较齐全。 1 4 论文研究的内容与方法 通过查阅大量关于折切机械和变频调速控制技术的文献资料，对卷筒绝缘纸折切机 控制系统的设计过程中，在保证系统的性能的同时，也考虑了产品性价比。本文的主要 研究内容和任务如下： ( 1 ) 介绍了卷筒绝缘纸折切机的整机结构 ( 2 ) 对卷筒绝缘纸折切机自动控制系统中的关键技术：送纸电机与切刀电机的速度比例 控制以及纸张的张力控制进行了讨论 4 高速卷筒绝缘纸折切机的控制系统设计 ( 3 ) 对控制方案进行了详细的硬件分配与设计，主要从提高产品性价比的观点出发，对 所需硬件设备进行选型 ( 4 ) 实现定长切纸及恒张力输纸的软件设计，包括p l c 梯形图设计及触摸屏人机界面的 程序设计 ( 5 ) 提出卷筒绝缘纸折切机控制系统的结构优化方案，对未来折切机机械控制系统的发 展方向进行了展望 陕西科技大学硕士学位论文 2 卷筒绝缘纸折切机整机结构设计 2 1 卷筒绝缘纸折切机机械结构简述 卷筒绝缘纸折切机结构按其性能分为六大部分：放纸部分、压痕部分、张力辊部分、 牵引送纸部分、裁切部分、接拍整纸部分。机构简图如下： 图2 - 1 卷筒绝缘纸折切机整机结构示意图 f i 萨- 1s t r u c t u r a ld i a g r a mf o rc y l i n d e rf o l d i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e 六大部分的机械结构及机能如下【1 3 l ： 1 ) 放纸部分：由纸架本体、纸卷纵横调整、弯曲纸张展平引导装置组成。包括：， 纸架本体部分 纸张展平引导装置 纸卷纵横调整部分 完纸检测传感器 2 ) 折痕部分：由机架部分、第一道上下压痕辊、压痕深浅调节装置、折痕折叠可调三角 铁、第二道上下压痕辊组成 机架本体部分 二道上下压痕辊 压痕深浅调节装置：上、下压痕辊通过滚动轴承安装在辊套上，辊套在上、下压痕轴 上滑动连接，通过调整其轴向位置改变压痕间距。下压痕轴与机架固结。上压痕轴两端 键连接偏心铜套组成偏心轴，偏心铜套动配合连接与机架墙板，调整偏心轴的径向位置 即可微调上下压痕辊的中心矩从而实现压痕调整【t 4 1 。 折痕折叠可调三角铁 3 ) 张力辊部分：张力辊，张力检测传感器。 4 ) 牵引送纸部分：由动力导辊和压力胶辊组成。其中压力胶辊的轴承安装于浮动滑块， 6 高速卷筒绝缘纸折切机的控制系统设计 滑块在弹力作用下将压力胶辊压向主导轴。调节弹簧预紧力即可调整输纸摩擦力。主导 轴由由变频器带动异步电机驱动。 5 ) 裁切部分：纸卷经折痕后被送至裁切部位，裁切部分是卷筒绝缘纸折切机的主要工作 部分。这部分包括：紧急停车装置、刀辊横切装置、纸边抽吸装置、纸灰吸尘装置、 纸张直角度调正装置等【1 5 】。包括： 紧急停车装置 刀辊横切装置 纸灰吸尘装置 6 ) 接拍纸整纸部分：此部分的构成包括： 自动接纸控制部分 接纸台部分、横向拍纸整纸部分 纵向拍纸整纸部分 位置规格调整装置 换纸机械手部分 2 2 卷筒绝缘纸折切机技术参数 准确了解和掌握卷筒绝缘纸折切机的设计要求，广泛调研、收集资料，实地调查研 究多家折纸及切纸机械工厂的设计制造水平和工艺状况以及分析电机厂的使用需求及其 反映的问题和建议，同时，与国外多家生产厂家进行联系和交流，对国际上目前流行的 卷筒纸折切机设备的设计制造技术进行了比较全面的分析。在此基础上，形成了自主开 发的方向，对卷筒绝缘纸折切机控制方案进行全面设计论证。本设计结合中国的基本国 情，首先满足国内市场的需要i 峋。根据西安西玛电机公司要求。设计参数确定为： 1 ) 最大纸卷直径。采用独立型纸架，每架一次装一卷纸，纸卷直径般为5 2 0 - - 1 2 0 0 m m ； 2 ) 最大切纸宽度。采用圆形切刀，刀具直径为l o o m m ，适应宽度在2 8 - - 9 5 m m 内各种规 格卷简绝缘纸的横切： 3 ) 绝缘纸厚度范围为0 2 m m - - , o 2 5 m m ； 4 ) 最高切纸克重。切纸甩刀具有一次切下4 9 m 2 切纸能力； 5 ) 切纸长度选择范围。加工纸的规格最短切长为1 2 5 m m ，最大切纸长度可达1 5 0 0 m m ； 6 ) 最大堆纸高度。切纸后的自动堆垛高度为3 0 0 - 1 5 0 0m m ； 7 ) 最高设计车速。最高设计车速2 0 0 m m i n , 1 2 0 蜘n 实际切纸车速受各种因素的制约， 如切纸操作工人的熟练程度、纸张挺度等- 刁； 7 陕两科技大学硕士学位论文 8 ) 切纸长度误差。采用变频控制使机械的切纸精度有了充分保障，切纸精度控制在土 0 5i t l r n 之内； 9 ) 送纸电机最大转速为3 0 0 r p m ； 1 0 ) 根据绝缘纸的材料分析，纸带合适的恒定张力为6 0 0 0 n m ； 1 1 ) 送纸辊的半径为1 0 0 m m ； 2 3 主要工作原理 1 ) 传动原理。卷筒绝缘纸折切机由3 台电机组成，分别是放纸电机、牵引电机、切 刀电机。牵引电机是卷筒绝缘纸折切机的牵引动力，设计采用变频器及交流异步电机完 成纸带恒张力牵引输送。在变频调速系统的作用下，卷筒绝缘纸折切机可根据用户需要 的切纸尺寸和样式来自由改变送纸车速【叼。 2 ) 控制原理。本卷筒绝缘纸折切机控制系统：采用p l c 控制系统指挥并调动整个 卷筒绝缘纸折切机系统的协调工作，具有精确定长控制、故障诊断和决策、计数、送纸 速度调整等功能。电气控制系统采用触摸屏控制技术，通过触摸方式可在屏幕上直接输 入切纸的长度，读出切纸速度，显示机械工作中的电机转速、切纸张数、运行时间等参 数，使机械的工作情况在触摸屏中一览无遗 1 9 1 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了卷筒绝缘纸折切机整机的机械结构和机械性能及控制思路。可以看 出，卷筒绝缘纸折切机是一个机械结构复杂，运行动作繁多的机电一体化产品。要保证 工作中精确的切纸长度，必须保证各部分的动作协调。因此只有了解了各个部分的特性， 才能设计出高性能的控制系统 2 0 l 。 高速卷筒绝缘纸折切机的控制系统设计 3 卷筒绝缘纸折切机的自动控制系统总体设计 卷筒绝缘纸折切机控制系统中放纸、送纸和切纸三个电机的同步控制和张力控制系 统是卷筒绝缘纸折切机工作的核心。系统采用交流变频技术，当输入一定的切纸长度时， 切纸刀和送纸滚筒保持同步运行来保证切下的纸张长度的一致性及精度要求1 2 l 】。 多年以来，直流调速系统在电气传动中占有较大的比例，尽管直流调速具有调速性 能好、启动转矩大等优点，但直流电机相对于交流电机存在着许多缺点：成本高： 整流子、电刷维护困难；难用于防爆、防腐蚀、防潮场合。所以，人们一直想用交流 调速拖动来替代直流调速拖动，特别是当前电机变频调速技术的飞速发展，提供了这种 可能。近年来，发达国家卷筒绝缘纸折切机械己由传统的直流电机的长轴传动方式向微 机控制下的变频多电机无轴同步传动方式转移嘲。国外的大型切纸生产线均采用了变频 调速多电机传动控制。由于价格昂贵，且须成套引进，同时因为技术局限和国内配件的 差异使得系统维护比较困难，所以国外设备难以在国内切纸行业中广泛采用。我国国产 卷筒绝缘纸切纸机以低、中速中小型机型为主，它必将会被大中型高速切纸机所取代， 因此对同步传动控制系统的要求会越来越高。总之，进一步研究变频器驱动异步电动机 的同步传动问题具有重大的现实意义 2 3 1 。 3 1 卷筒绝缘纸折切机自动控制系统方案选择 3 1 1p l c 与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动 作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一 些更改和扩展更是难以实行。而p l c 是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储 起来的，所以只要改变p l c 内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于 p l c 来讲，只要用p l c 配备的编程器在现场就可以完成更改。至于p l c 对外部的联系， 只有f o 点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是 依靠触点的机械动作来实现的t 卅。工作频率很低。次动作一般为数十毫秒。对于复杂 的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而p l c 是以微型计算机为基础的控制装置， 其运行速度为每个指令步数十微秒( 对于高速p l c 则是5 微秒以下) 。并且内部有严格 的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动 作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其 定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而p l c 9 陕西科技大学硕士学位论文 则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时 范围一般为0 1 秒，也有o 0 1 秒的，精度一般高于1 0 毫秒，只要根据需要由编程器送入 时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于p l c 的定时是对时基脉冲进行计数来实 现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器l 。现代的p l c 一般都具有定时器 和计数器功能。从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械 触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使 接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而p l c 则采用了无触点的电子电路来替代继 电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积 小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为 透明。p l c 一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难 继电器逻辑只能对开关量进行控制。而p l c 除了具有开关量控制功能外，有些功能较全 的p l c 还具有a d 与d a 转换装置，可以用来对模拟量进行控制【硼。 3 1 2p l c 与单片机控制系统比较 虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而 设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本 高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制大都为开关量控制，所以其长处 仍得不到发挥。单片机与p l c 的比较：在很大程度上，p l c 是专为工业控制而设计的。 因此，它具有较好的环境适应性i ：7 】。事实上，现代p l c 的核心就是单片微处理器。用单 片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕 竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然p l c 也有必不可少的软件开发过程，但两者 所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而p l c 用专用的指令系统来 编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。单片 机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受c p u 、内存容量及i o 接口的 限制；软件上主要受限于与c p u 类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的 应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都比较差渊。 3 1 3