貝加萊mappWebHandling是專門針對材料卷取控制而開發(fā)的模塊，也是基于貝加萊在印刷、包裝、塑料、紡織等工業(yè)裝備領(lǐng)域的豐富知識積累而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，針對印刷、塑料材料、包裝等生產(chǎn)場景，有效地提高了材料傳輸?shù)姆€(wěn)定性與精準(zhǔn)性，確保了工藝質(zhì)量的高品質(zhì)。

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司

　　在印刷、包裝、塑料、紡織等多個領(lǐng)域，都涉及到針對卷料的處理，包括印刷中紙張/薄膜的收放料;塑料薄膜的擠出、吹膜、分切;包裝的卷材放卷、裁切;紡織機械的纖維加捻、經(jīng)編等多種生產(chǎn)場景，都存在著較多的卷筒料的處理工藝(圖1)。

　　圖1 卷材處理的場景

　　在卷料處理工藝中常見的問題，如圖2所示：

　　l 加速過程：對于卷料而言，在其升降速期間，加速度使得機械部件產(chǎn)生彈性形變以及負(fù)載慣量產(chǎn)生的阻力，均會影響材料輸送的品質(zhì)，也會影響后續(xù)的加工品質(zhì);

　　l 軸同步：所有軸的精確速度同步是材料張力穩(wěn)定的關(guān)鍵，而張力穩(wěn)定對于印刷、包裝加工是基礎(chǔ)保障;

　　l 未知的卷徑：持續(xù)變化的卷徑估算精度決定了速度的同步精度，進(jìn)而影響到張力控制的精度;

　　l 變慣量系統(tǒng)：隨著料卷的直徑變化，整個材料的物理重量也在發(fā)生變化，這使得傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量會跟著發(fā)生變化;

　　l 不均勻纏繞：材料進(jìn)入生產(chǎn)前的卷材并不能穩(wěn)定且均勻地被收卷，造成內(nèi)陷或蝴蝶型缺陷;

　　l 死區(qū)時間：對于不同材料的死區(qū)時間必須得到有效補償;

　　l 材料打滑：在運動過程中的打滑，也會影響放卷/收料的穩(wěn)定性;另外，材料本身的參數(shù)變化、噪音信號、色標(biāo)檢測、過程同步等等，都會影響整個材料的卷取控制，進(jìn)而影響到工藝品質(zhì)與效率。

　　圖2 在卷取控制中常見的問題

　　貝加萊mappWebHandling是專門針對這些材料的卷取控制而開發(fā)的模塊，也是基于貝加萊在印刷、包裝、塑料、紡織等工業(yè)裝備領(lǐng)域的豐富知識積累而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化模塊。

　　1 卷料控制的整體思想

　　在卷料的處理中，必須將其納入到整個機器的控制中，因為除了放卷和收卷，也需要對材料的裁印刷、烘干、裁切等工藝進(jìn)行協(xié)作。如圖3所示，從機器的設(shè)計視角，機器由多個最小的機電單元、工藝處理軟件、狀態(tài)驅(qū)動下的協(xié)作所構(gòu)成。最小機電單元如放卷軸由軸芯和材料形成的卷所構(gòu)成，連接減速器、伺服電機、驅(qū)動器、傳感器，組成最小的機電單元，而機器則是在放卷、牽引、印刷、裁切、烘干、收卷中由多個機電單元所構(gòu)成。這些單元通過運動控制的狀態(tài)、控制系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行協(xié)作，經(jīng)由控制器進(jìn)行統(tǒng)一的通信、調(diào)度，以實現(xiàn)高速的穩(wěn)定運行。

　　圖3 模塊劃分與群組處理

　　材料在整個機器的不同區(qū)域中分別處于不同的控制狀態(tài)，放卷卷徑在不斷變小、而收卷則在變大，而輸送過程則需要實現(xiàn)速度和位置同步關(guān)系，以及裁切中的電子凸輪關(guān)系……因此，材料的處理必須根據(jù)這些變化而進(jìn)行模塊化設(shè)計，貝加萊mappWebHandling則由卷徑計算、張力控制、速度控制等構(gòu)成，并與色標(biāo)檢測、套色、裁切等工藝協(xié)作，共同實現(xiàn)機器的整體控制，如圖4所示。

　　圖4 局部與整體的規(guī)劃設(shè)計

　　如圖5所示，一個典型的場景就是印刷控制，包括放卷、牽引、輸送、收卷。通常被劃分為多個張力區(qū)，在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的張力控制的同時，也要考慮多區(qū)域之間的影響，進(jìn)行解耦控制。

　　圖5 張力機電控制模式

　　卷材處理的場景通常是多樣性的，例如：卷筒印刷機屬于放卷-收卷模式;鋰電圓柱電池屬于多種材料放卷-單一收卷;分切屬于單個放卷-多個收卷;紙張模切有放卷-加裁切-無收卷……因此，在現(xiàn)實的機器控制中，也存在著多種機械模式和采樣模式的卷料控制需求。

　　圖6 支持多種張力控制模式

　　如圖6所示，mapp模塊針對各種場景，如驅(qū)動內(nèi)電流控制的扭矩控制模式，以及采用張力傳感器的閉環(huán)檢測，通過擺輥位置/角度檢測的擺輥定位控制，適應(yīng)各種張力控制的場景使用要求，如卷對卷(R2R)、多卷復(fù)合、流延收卷、分切等多種卷料的機械結(jié)構(gòu)和處理模式。

　　2 材料處理工藝

　　對于卷材的卷徑計算，mapp模塊中有針對卷徑的計算及LQ濾波——這樣可以讓卷徑更為平滑，由驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行處理。另外，通過扭矩前饋也可以提高高速收放卷的響應(yīng)能力——更快地處理在升降速情況下的同步性。隨著卷徑變化、負(fù)載變化，系統(tǒng)具有自適應(yīng)的速度控制能力，如圖7所示。

　　圖7 多種材料張力模式

　　3 色標(biāo)檢測與處理

　　在一些材料的處理中，也包括了色標(biāo)檢測信號的處理，除了印刷需要套色，在包裝的熱封、裁切;紙張的裁單張/模切;包裝貼標(biāo)中的放卷/射標(biāo)等應(yīng)用場景中，都會牽涉到色標(biāo)信號的檢測與裁切處理。

　　圖8 色標(biāo)檢測直接進(jìn)入ACOPOS P3的觸發(fā)信號輸入端

　　如圖8所示，貝加萊ACOPOS P3的Trigger信號輸入端可以直接接入數(shù)字量的色標(biāo)傳感器，并直接在驅(qū)動器內(nèi)進(jìn)行同步計算，這種在驅(qū)動器內(nèi)的直接同步計算，會大幅提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這與大部分市面上驅(qū)動器將信號接到PLC的I/O上，并由PLC循環(huán)來進(jìn)行同步的模式相比，具有更高的響應(yīng)能力，也能夠確保高速和高精度的裁切能力。

　　4 材料工藝處理

　　除了整體控制、張力模式控制、色標(biāo)配合之外，在材料處理中，還需要考慮以下幾個關(guān)鍵點：

　　(1)干擾信號濾波處理

　　在材料控制模型中，如圖9所示，對于材料的控制閉環(huán)而言，其信號的干擾會影響控制的調(diào)節(jié)效果，不利于調(diào)節(jié)穩(wěn)定，因為PID調(diào)節(jié)通常會帶來超調(diào)，而采用輸入端的卡爾曼濾波會降低這些不必要的信號擾動，進(jìn)而使得系統(tǒng)更為穩(wěn)定。

　　另外，由于磨損帶來的模型與現(xiàn)實的偏差，也可以通過信號的采樣處理來彌補。

　　圖9 干擾信號濾波處理

　　(2)斷料檢測與處理

　　材料的斷裂會對整個工藝過程帶來較大的影響，甚至?xí)斐稍O(shè)備的損壞，因此，必須能夠及時檢測到這種斷裂的潛在風(fēng)險，如圖10所示。

　　通過擺輥、電機轉(zhuǎn)矩的異常，斷裂是可以被識別的——這樣就可以在控制過程中進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如，同步的減速或停機處理。

　　圖10 材料斷裂檢測

　　(3)收料張力錐度處理

　　對于卷料的各層來說，隨著越向軸心的壓力則會越大，其表面壓力為0，這種壓力差會導(dǎo)致材料的打滑，這對于放卷和收卷都會造成不穩(wěn)定性，如圖11所示。

　　在收卷過程控制中，隨著卷徑的變化，可以通過張力的降低來獲得更為柔順的材料收卷。

　　圖11材料的打滑處理

　　5 總結(jié)

　　綜上所述，貝加萊mappWebHandling模塊的優(yōu)點包括：

　　(1)易于調(diào)試

　　采用高內(nèi)聚低耦合的模塊化思想，mappWebHandling能夠針對各種卷取模式、傳感器采樣方式、工藝場景等進(jìn)行建模、開發(fā)，具有高度的功能適應(yīng)性，易于調(diào)試。

　　(2)品質(zhì)控制

　　針對印刷、塑料材料、包裝等生產(chǎn)場景，有效地提高了材料傳輸?shù)姆€(wěn)定性與精準(zhǔn)性，確保了工藝質(zhì)量的高品質(zhì)。

　　圖12 mappWebHandling模塊的優(yōu)點

　　(3)平滑與高效的機器運行

　　在材料換卷、工藝參數(shù)調(diào)整后，運動控制的軟硬件系統(tǒng)同樣能夠保證高速下的平滑切換。

　　(4)集成仿真

　　通過對材料處理的機械、控制進(jìn)行建模，能夠通過第三方軟件或內(nèi)置的自動化仿真工具，進(jìn)行工藝、邏輯的仿真運行以及虛擬測試。