基于TRIO运动控制器的瓦楞纸板横切机控制系统设计

1、基于TRIO运动控制器的瓦楞纸板横切机控制系统设计郭建锋 王满利 王成硕（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000）摘要: 本论文在分析瓦楞纸板横切机生产工艺的基础上，提出了以TRIO运动控制器+欧姆龙伺服驱动器的交流伺服控制方案，并采用上下刀辊“直驱”结构形式。根据切刀的运动规律，研究其轨迹跟踪控制算法，利用TRIO运动控制器的电子凸轮功能，实现了横切机速度同步跟踪和定长剪切功能。实验表明，此控制系统能有效提高横切机的响应速度、剪切精度，并可适用于更高速的瓦楞纸板生产线。关键词 ：横切机；运动控制器；电子凸轮中图分类号：TP273 文献标识码：AThe design of

2、 corrugated cardboard crosscut machine control system on basis of TRIO motion controllerGuo Jianfeng Wang Manli Wang Chengshuo（School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China）Abstract: The AC servo control scheme with TRIO motion controller and

3、 OMRON servo controller was given on the basis of the corrugated cardboard production technology analyse. The transmission structure of direction driving upper and lower knife rolls was adopted. According to cutter motion law, the algorithm for controlling its motion track was discussed . The synchr

4、onous tracking and fixed-length cutting of crosscut machine were come true by electronic cam function of TRIO motion controller. The cutting precision and response speed of crosscut machine control system were enhanced effectively in accordance with experiment. The control system could be suitable f

5、or more speed corrugated cardboard crosscut machine also.Keyword: crosscut machine；motion controller；electronic cam 1 引言横切机作为瓦楞纸板生产线末端的关键设备，其性能对成型纸板的品质、损耗和生产效率起着至关重要的作用，也是整个生产线中电气控制最为复杂的一个环节，因此，要提高成型纸板的质量，势必要提高瓦楞纸板横切机的控制系统的性能。但目前国内瓦楞纸板横切机的发展水平仍不高，难以满足市场对瓦楞纸板生产线提出的向高质、高速、高档、高效、宽幅发展的要求。横切机的技术更新成为整个生产线

6、性能提高的必然要求。本文以TRIO运动控制器为核心，搭建横切机的交流伺服控制系统，采用运动控制器+伺服驱动器+触摸屏的结构形式，以适用于中速纸板生产线的横切机为研究对象，以剪切纸板的高精度（误差小于±1mm）、高速度、宽幅值、高效率、高可靠性为控制目标，以精确定位和快速响应的同步速度跟踪为控制核心，以节能降耗为基本原则，设计一套高性能的瓦楞纸板横切机控制系统。2 横切机工艺要求横切机，俗称“飞剪”，其主要任务是对生产线上产出的无限长纸板进行定长剪切。系统工作时，瓦楞纸在横切机上下刀辊之间的间隙穿过，切刀电机根据所设定的剪切长度、瓦楞纸的进给速度，指定刀辊的运动规律，对进给瓦楞纸板实施

7、定长剪切1。在剪切过程中，要求切刀在到达剪切位置时，切刀线速度的水平分量必须和生产线上纸板的进给速度严格同步。如果切刀速度大于纸板进给速度，将会造成纸板撕裂；如果切刀速度小于纸板进给速度，又会造成纸板起皱。因此剪切必须满足切刀对纸板速度的同步跟踪。同时，当切刀剪切纸板的一瞬间，走过切刀的纸板长度刚好等于设定的长度，误差要求小于±1mm。3 横切机控制系统组成系统采用英国Trio Motion Technology公司的MC206运动控制器为控制核心，以多级低速交流永磁同步伺服电机作为驱动刀辊的动力源，以欧姆龙伺服驱动器作为伺服电机的功率驱动装置，以触摸屏作为人机界面，实现订单管理、参

8、数设置、系统运行状态显示、故障报警等功能。系统结构框图如图1所示。传统横切机采用伺服电机驱动上下刀辊中的一个，另一刀辊通过齿轮传动机构实现上下刀辊的同步相向运动，这种结构的控制系统相对简单，只需要对一个电机进行控制，但其机械结构因为有齿轮传动机构而变得复杂，提高了故障率，增大了维修量，同时，随着齿轮的机械磨损，会降低系统的剪切精度，降低成品纸板的质量。为了克服以上缺陷，本论文采用“直驱”传动2，采用两套多级低速伺服电机分别直接驱动上下刀辊，利用MC206运动控制器高性能的同步跟踪功能，实现上下刀辊同步相向转动，满足精确对刀要求。这样就能有效消除齿轮间隙所造成的误差，不仅能获得更高的剪切精度，而

9、且能使系统达到更高的机械速度。图1 系统结构框图Fig1 system structure diagram运动控制器MC206轴0、轴1接口的模拟量输出分别作为上、下刀辊伺服驱动器速度控制的输入信号，利用TRIO运动控制器的同步跟踪功能，实现轴0和轴1的同步运动，保证上下刀片的精确对刀；轴4作为进给纸板测速轮上编码器的输入轴，用于检测瓦楞纸板的进给速度和长度，为切刀同步运动提供一个编码器输入。驱动上下刀辊伺服电机上的编码器用于检测切刀旋转速度及转角，将其连接到运动控制器的编码器输入接口上，构成速度、位置闭环，对运动执行情况作出判断和调整。切刀信号及其外部控制信号连接到运动控制器开关量输入接口上

10、，作为判断切刀的切断点和原点信号及系统的其他逻辑控制信号。触摸屏与MC206通过RS232接口基于MODBUS协议进行通讯，完成系统参数设置和控制系统工作状态及故障上传显示。MC206与触摸屏之间的信息交互通过变量地址映射的方式实现，不同的变量映射不同的地址。4 控制原理与算法4.1 控制原理切刀在一个剪切周期内，可将其运动轨迹划分为同步区和补偿区，如图2所示，ABC为同步区，CZA为补偿区。当切刀进入同步区后，切刀线速度的水平分量和纸板生产线送纸速度相等，即，当切刀刀刃到达轨迹的最下端剪切点B点的时候，纸板输送速度和切刀的速度完全相同，切断纸板。然后切刀从C点退出同步区，进入补偿区。是同步角

11、，根据剪切纸板的厚度不同，同步角也不相同。在一个剪切周期内，切刀的运动规律根据设定的切纸长度L和轮刀圆周长P的关系不同而不同。具体可分为以下五种情况：图2 切刀数学模型图 Fig2 crosscut math model diagram L<P,即剪切长度小于轮刀周长。切刀运动规律：同步速加速减速同步速（如图3(a)中的a曲线）。 L=P，即剪切长度等于轮刀周长。此时在整个周期内，切刀始终以纸板进给速度做匀速运动。（如图3(a)中的b曲线） P<L<2P，即剪切长度大于轮刀周长而小于轮刀周长的2倍。切刀运动规律：同步速减速加速同步速。（如图3(a)中的c曲线） L=2P,即剪

12、切长度等于轮刀周长的2倍。切刀运动规律：同步速减速零加速同步速。（如图3(a)中的d曲线） L>2P，即剪切长度大于轮刀周长的2倍。切刀运动规律：同步速减速停止加速同步速。（如图3(b)） (a) (b)图3 切刀运动状态图Fig3 crosscut movement state diagram4.2 控制算法横切机切刀控制算法的实质是根据用户所需的纸板剪切长度L和纸板进给速度来控制剪切周期内切刀的运动变化规律。剪切长度和纸板进给速度都可以通过测速轮上的编码器产生的脉冲计算得到，因此控制算法的实质也就是根据测速编码器产生的脉冲量来控制一个剪切周期内切刀角位移的运动变化3。下面以L>

13、2P情况为例，讨论一个剪切周期内，切刀角位移的运动情况。设剪切长度为L，实际走纸长度为，纸板进给速度为，切刀运动速度为，切刀的加速度为，刀辊直径为D，同步角为，测速轮半径为，编码器的脉冲数为，脉冲当量为。若增量式编码器的分辨率为，则，。从图e可以得知：，则同时，得出： ，其中，由此得出： 考虑一个完整的剪切周期，得出：因为 ，所以 ，得出：因此得知，切刀在180°转角处等到的时间下面按照时间分区间讨论：(1) 当，即，即时，则所以，(2) 当时，即,即时，经推导，可得： (3) 当时，即时，即切刀静止。(4) 当时，即时，经推导，可得： (5) 当时，即,即时，经推导，可得：5 控制

14、系统软件设计TRIO运动控制器的程序是通过Motion Perfection软件来开发的，采用TRIO BASIC语言进行编写。将程序编写好后下载到MC206内即可脱机运行。本系统切刀的运行轨迹利用MC206的电子凸轮功能来实现，把纸板进给测速轮上的编码器作为主轴信号，切刀刀辊电机作为从轴。根据实时采集的测速轮上编码器的脉冲数，从轴将根据存储在MC206中的控制算法（凸轮参数表），获取响应的切刀角位移，从而使切刀跟随主轴执行运动。TRIO BASIC语言变量类型有三种：指定变量、表格变量VR()和表格缓存TABLE区变量。指定变量是局部变量，仅在定义它的任务范围内有效。VR()变量是可被多个任

15、务共享的变量，是全局变量。本程序用于存储切刀参数和横切机运行时各种状态参数，包括：切刀直径D、剪切长度L、同步角、测速轮半径、编码器分辨率、测速编码器及反馈编码器脉冲数等等。TABLE区用来存储CAM/CAMBOX指令曲线，本程序中用于存储指定切刀运动规律的控制算法。利用TABLE指令，根据控制算法得到切刀转角的数据存储表；利用CAM指令，根据TABLE表，得到切刀的运动轨迹。程序流程图如图4所示4。(a) 系统主程序流程图 (b) 剪切子程序流程图图4 程序流程图Fig4 program flow chart利用MOVELINK指令实现上下刀辊同步相向运动5，以保证精确对刀要求。6 结语本论

16、文在分析瓦楞纸板横切机控制工艺的基础上，提出了以TRIO MC206为核心控制器的交流伺服控制方案，并采用上下刀辊“直驱”结构形式，根据在剪切过程中刀辊的运动规律设计了控制算法，并采用TRIO BASIC 语言编制程序，利用运动控制器的电子凸轮功能规划切刀的运动轨迹，实现横切机同步速度跟踪和定长剪切功能，利用MOVELINK指令实现上下刀辊同步相向运动，在Motion Perfect 2 软件环境中对TRIO 运动控制器进行软件调试。通过实验表明，本系统设计充分发挥了TRIO 运动控制器的精确定位和同步功能，使得横切机控制精度提高，响应速度加快，适用于更高速的瓦楞纸板生产线，真正实现了与生产线融为一体，同时，采用技术成熟的运动控制器，只需要根据工艺要求，开发相应的控制系统程序即可，大大缩短了系统开发周期。参考文献1 杨晓邦. 瓦楞纸板横切机飞剪伺服控制器的研究. 硕士学位论文. 焦作：河南理工大学.2009-05.2 李德清，范宗权.瓦线横切机电脑控制系统的优化发展J.出口商品包装.2007，(11)：71-73.3 康存锋.高速瓦楞纸板横切机控制系统的研究J.机械科学与技术.2003，(22)：25-27.4 洪良根.