改造博斯特烫金机，跳步辊3根变4根，改后速度精度双达标
时间：2022-01-20 来源：
随着烟包行业的发展，烟包印刷工艺越来越精细化、复杂化，其中，烫印工艺能极大地提升包装产品的美观度。多重烫印、压凹凸烫印、实地烫印等各类工艺不断发展，这对烫金机提出了更高的性能要求。而受设计及技术限制，大多数烫金机难以满足所有新产品的工艺需求。
我公司成型部生产线配置博斯特BMA烫金机，在采购时均选用内置3根烫印跳步轴机型，而部分产品的烫印工艺需要同时使用4根以上（如3根全息烫和1根压凹凸烫跳步轴），导致该设备无法满足一次性完成烫印生产需求，严重制约了产能安排。因此，在博斯特BMA烫金机现有3根跳步轴的基础上，通过对原烫印轴中的1根实施切分的方式，增加1根跳步轴，开发一种基于主从追随的多轴同步控制系统。
根据对原系统、原电气图纸的分析，并结合设备理清系统网络结构、硬件组成、设计原理，以及新功能需求的相关信息。
表1为需要交互的IO信息。
表1 需要交互的IO信息
表2为硬件安装信息。
表2 硬件安装信息
(1)新增跳步轴控制原理
新增的烫印跳步轴需要通过独立伺服电机驱动，满足整体套印精度的运动性能要求。通过构建电机动态模型，分析原装跳步轴伺服电机的非线性耦合特性，利用负载观测器、误差估算与加装跳步轴的线性耦合特性，以及主从追随控制理论、粗差分析和积分滑模控制等方式，提高新增跳步辊的整体负载均衡和同步跟随响应的实时性、准确性。在项目研发及实施过程中，通过优化跳步轴控制参数，设计出一种基于主从追随的多轴同步控制系统。
(2) 触摸屏参数设置
触摸屏参数设置如图1，包括光标标长、输入色标标定位置及偏差、跳步选择、铝箔参数。
图1 触摸屏参数设置
(3)新增硬件
①增补1个跳步辊伺服电机和驱动器，选西门子S120伺服系统。
②增加IO模块与原系统PLC进行信号交换（替换原来部分）。
③新增西门子运动控制器D作为烫印部分控制器。
④新增触摸屏进行参数设置。
⑤新增小控制柜板。
改造方框图如图2所示。
图2 改造方框图
(4)机械传动结构设计
原跳步系统共有A、B、C（以下简称C轴为“主轴”）3根跳步轴，分别由独立伺服电机驱动，通过同步皮带实施控制。为实现增加跳步轴功能（增加跳步轴以下简称“从轴”），先对原C轴从中部切分，分为两段，中间部分加入挡圈，两根轴分别独立控制。原C轴分为了主轴和从轴，如图3所示。
图3 原C轴分为了主轴和从轴
默认主轴和从轴外辊半径满足R主=R从，伺服电机角速度一致，光标最大位置偏差量设定为1mm。
(5) 独立控制模块结构分类
独立控制系统的主要结构包括控制单元、执行单元、检测单元几个部分。
触摸屏模块、输入输出模块、通信模块与PLC模块相连。PLC模块，接收各类信号反馈信息，经信息处理后输出指令给执行单元。触摸屏模块SIMATIC HMI TP1200，用于显示各类实时数据，人工输入指令。输入输出模块ET200SP，用于将PLC模块的指令转化为电压信号。通信模块，用于独立驱动系统与主体设备交换运行信息。运动控制器SIMOTION，用于控制伺服电机的运行控制，实现机械运动精准的位置、速度以及转矩的控制。烫印软件控制系统，实现烫印工序跳步步骤的程序化控制。
纠偏传感器，调整铝箔左右位置，防止跑偏。伺服电机M，带动跳步辊执行烫印工作。伺服驱动器S120，驱动伺服电机，用于高精度定位系统。固态继电器，用于电子元件的隔离与继电切换功能。
全息电眼SENSOR，检测铝箔状态，反馈材料信息（如起始点）至PLC。速度运算控制模块，主要为电子齿轮，检测主体设备驱动电机实时速度，反馈给控制系统。主轴编码器读取设备主驱动轴速度信号，通过通信模块反馈模拟量信号给PLC，经过PLC处理后，经输入输出模块输出电压信号到运动控制器，运动控制器按预录程序控制伺服驱动器，驱动伺服电机动作，控制跳步辊带动铝箔按需求生产。
全息电眼寻找全息电化铝光标信号作为与主产设备铝箔烫印位置同步的位置起始点，跳步辊运行过程中，全息电眼实时检测色标偏差并进行报警提示，反馈位置信号给输入输出模块，转化为电压信号给PLC，实时保障独立驱动烫金铝箔的烫印点与主产设备同步。
项目组自2019年末成立，设备动力部联合生产部、成型部对项目的具体内容按项目组预定的目标和期量逐步推进，过程如下。
①根据前期系统信息交互需求分析，完成独立驱动跳步辊模糊控制系统整体开发，建立主产设备与独立驱动烫印系统的IO通讯，形成闭环控制，减少对主控制系统信息反馈。
②完成控制系统主体硬件如编码器、PLC、触摸屏等部件安装，控制回路铺设，完成主轴、从轴跳步辊制作安装。
③全息光标信号选型。原博斯特烫金设备全息光标传感器采用思科D-79183传感器，其对光标的反馈信号为2.88VDC直流信号，输入电路板后，通过程序逻辑放大。
独立驱动控制系统采用西门子S120型PLC，只能接受24-30VDC直流信号。项目组首先采用固态放大器等效放大电压值，在套准过程中固态继电器无法满足生产需求（光标固态继电器通断响应速度无法满足光标切换要求）。之后项目组采用TAKEXF70-R传感器，试验过程中该传感器对光标距离要求较高（传感器有效距离2～4mm），现有设备内部空间狭窄，无法满足。
最终经过项目组反复对比选型，LEUZEKRT18BM传感器可以满足控制系统输入信号要求（光标检测输出值25VDC，检测距离8～20mm，传感光源入射角广域0°～±25°）。
④全息光标套准同步实现。由于原设备进纸检测光电信号已做保护无法读取，加装辅助光电检测纸料送达信号。为读取设备主电机角信息，增加主电机编码器，反馈机器角度到运动控制器。在研发过程中发现，主电机角度与齿轮盘角度存在减速比，比值无法读取，并且存在累计误差，导致独立驱动跳步轴辊无法与原跳步辊同步。因此变更初步设计，将机器角度读取点改为烫印齿轮盘部，加装检测编码器，开发一种主从追随的多轴同步控制系统。
⑤加装轴电化铝收箔。独立驱动跳步辊不直接控制主体设备的电化铝收箔架，不独立收集印后电化铝，与原A轴、B轴、C辊中任意一根跳步辊共同收集铝箔。
⑥独立跳步辊跳步启动时间、加速度、停止时间控制。根据主体设备实时速度，设置等比线性比率，通过机械方式连接主轴与从轴，松开从轴始能，从轴编码器只测读主轴在不同速度下圆周运动的线速度。通过从轴编码器读取设备运行状态曲线，绘制线性同步关系，作为从轴的运动曲线设定值。
以下选取测定过程中的几个典型值，简单模拟两根轴之间同步性能，构建同步系统仿真模型过程。
首先对主轴及从轴单步跳步予以模拟，假定跳步程序设置跳步轴为匀跳三小步，每次一格，每格长度75mm。
①通过设备点动，将主轴初始位置点动到设备0°，将从轴与主轴通过抱箍刚性连接，松开从轴电机，转动主轴，利用从轴编码器读取主轴运动曲线，得出3个设备生产速度值下的曲线测定值。下面分别测得主轴在设备生产速度为1800S/h、2650S/h、3600S/h时，跳步一个周期中，主轴的运动曲线。
第一组：当V生=1800S/h时，测得V主=245mm/s，如图4所示。
第二组：当V生=2650S/h时，测得V主=255mm/s，如图5所示。
第三组：当V生=3600S/h时，测得V主=290mm/s，如图6所示。
图4 当V生=1800S/h时 ，测得V主=245mm/s
图5 当V生=2650S/h时，测得V主=255mm/s
图6 当V生=3600S/h时，测得V主=290mm/s
②分析编码器参数以及负载特定变化下同步系统的稳定性和调节能力。
③对从轴位置实施标定，根据相对同步定义，设定在主轴初始位置为0°时，从轴当前位置定义为0°。
④设定从轴在设备生产速度为3100S/h时，跳步辊匀跳三小步，每次一格，每格长度75mm的运动曲线，如图7所示。
图7 从轴的设定运动曲线
⑤设定参数后运行从轴，测得从轴在设备生产速度为3100S/h下运行时，跳步一个周期中，从轴的运动曲线，如图8所示。
图8 从轴的运动曲线
在设备实际运行过程中，主轴、从轴系统参数和外部负载基本一致，从轴惯量与主轴默认相等，根据同步系统主轴从轴误差对比调整，在动态调节过程中，从轴追随主轴误差最大达到0.25mm。
⑥急停信号触发：遇到卡纸停机等异常状态时，读取主电机离合器停车信号，保障电化铝处于紧绷状态，张力稳定。
⑦烫金全息跳步轴控制程序流程如下。
a.设备启动后，纸张由输纸区经过送纸飞达吸附，传输机构送入合压烫印区。进入之前，预检测电压检测到纸张到达信号，全息烫印控制系统启动并读取主轴状态。
b.主轴按初始设定拉动电化铝一段距离，防止电化铝二次烫印造成重烫风险。
c.当电化铝拉动到预设定的长度左右后，全息光标传感器对该位置的电化铝光标执行寻标过程，直到找到光标的边沿，全息传感器送出经放大的直流电压信号到运动控制器。
d.纸张进入合压区后，设备合压，完成电化铝全息部分转移。
e.完成预先设置的几短几长的跳步参数。
f.全息烫金控制系统保护机制。在运行过程中，如果发生从轴电化铝铝箔横向偏移超过1mm以上（如电化铝倾斜、错位，以及纸张横向定位故障）、纵向光标连续有N个 （N为HMI设定个数）以上未能读取到光标信号（而同时间段主轴光标传感器反馈有光标信号），则属于烫印工艺中的漏烫质量事故，成为重大质量风险。
为了防止在高速生产中出现漏烫现象，需要增加从轴电化铝横向纠偏传感器、纵向光标传感器，当生产中实时检测结构不满足设定值时，立即反馈停机信号到主设备控制系统，主电机抱闸并紧急停机。
通过建立基于主从追随控制的多轴同步控制系统力学模型，分析编码器同步读取、负载变化干扰等因素对同步控制系统的影响，采用西门子多轴运动控制器开发全息烫印多轴同步控制系统。SIMOTION系统提供了多轴同步运动工艺模块，并设计了丢失光标的保护机制，实现了增加跳步轴后烫金设备的高速多轴生产功能。经过技术改造后的设备，达到了项目立项目的，交付后，运行高效、可靠。其控制方式可以推广到其他铝箔印刷、薄膜印刷、双臂油缸等大型复杂机电设备控制系统，极具推广价值。
项目调试完成后，已试生产过两个批次兰州小盒产品。根据产品信息收集及试用反馈，使用新系统后，设备运行平稳，生产效率高，匹配新跳步轴后生产速度可达6000S/h，全息烫印精度达到±0.10mm，且新系统人机界面友好，操作方便，不会增加生产人员的劳动量。
作者：湖南福瑞印刷有限公司 田 迪
