卷的好，才能更高品質
發布時間：2024-12-31 作者：貝加萊
在印刷、包裝、塑料、紡織各個領域，都有針對卷料的處理，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、經編等多種場景，都存在著較多的卷筒料的處理。
圖1-卷材處理的場景
在卷料處理中常見的問題如圖2所示：
1).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生彈性形變以及負載慣量產生的阻力，均會影響材料輸送的品質-也會影響后續的加工品質。
2).軸同步：所有軸的精確速度同步是材料張力穩定的關鍵，而張力穩定對于印刷、包裝加工是基礎保障。
3).未知的卷徑：持續變化的卷徑估算精度決定了速度同步精度，進而影響張力控制的精度。
4).變慣量系統：隨著料卷的直徑變化，整個材料的物理重量也在發生變化，這使得傳動系統的負載慣量跟著發生變化。
5).不均勻纏繞：材料進入生產前的卷材并不能穩定且均勻的被收卷，造成內陷或蝴蝶型缺陷。
6).死區時間：對于不同材料的死區時間必須得到有效補償；
7).材料打滑：在運動過程中的打滑，也會影響放卷/收料的穩定性；
材料本身的參數變化、噪音信號、色標檢測、過程同步等等，都會影響整個材料的卷取控制，進而影響工藝品質與效率。
圖2-在卷取控制中常見的問題
貝加萊mappWebHandling專門針對這些材料的卷取控制而開發的模塊，基于貝加萊在印刷、包裝、塑料、紡織等工業裝備領域的豐富知識積累而開發的標準化模塊。
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，也需要材料的裁印刷、烘干、裁切等進行協作。如圖3所示，從機器的設計視角，機器由多個最小的機電單元、工藝處理軟件、狀態驅動下的協作構成。最小機電單元如放卷軸由軸芯和材料形成的卷構成，連接減速器、伺服電機、驅動器、傳感器構成最小的機電單元，而機器則是在放卷、牽引、印刷、裁切、烘干、收卷多個機電單元構成。這些單元經由運動控制的狀態、控制的狀態進行協作，經由控制器進行統一的通信、調度，以實現高速的穩定運行。
圖3-模塊劃分與群組處理
材料在整個機器的不同區域他們分別處于不同的控制狀態，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速度和位置同步關系，以及裁切中的電子凸輪關系…因此，材料的處理必須根據這些變化而進行模塊化設計，mappWebHandling則由卷徑計算、張力控制、速度控制等構成，并與色標檢測、套色、裁切等協作，共同實現機器的整體控制。如圖4所示。
圖4-局部與整體的規劃設計
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，在區域內實現穩定的張力控制同時，也要考慮多區域之間的影響，進行解耦控制。
圖5-張力機電控制模式
卷材處理的場景是多樣性的，例如像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，在現實的機器控制中，其存在多種機械模式、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，mapp模塊針對各種場景，如驅動內電流控制的扭矩控制模式，以及采用張力傳感器的閉環檢測，通過擺輥位置/角度檢測的擺輥定位控制。適應各種張力控制的場景，如卷對卷（R2R）、多卷復合、流延收卷、分切等多種卷料的機械結構和處理模式。
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，由驅動系統進行處理。另外，通過扭矩前饋也可以提高高速收放卷的響應能力—更快的處理在升降速情況下的同步性。隨著卷徑變化，負載變化，系統具有自適應的速度控制能力。如圖7
圖7-多種材料張力模式
色標檢測與處理
在一些材料的處理中，也包括了色標檢測信號的處理，除了印刷需要套色，在包裝的熱封、裁切，紙張的裁單張/模切、包裝的貼標中的放卷/射標中，都會牽扯到色標信號的檢測與裁切處理。
圖8-色標檢測直接進入ACOPOS P3的觸發信號輸入端
如圖8，貝加萊的ACOPOS P3的Trigger信號輸入端可以直接接入數字量的色標傳感器，并直接在驅動器內進行同步計算，這種在驅動器內的直接同步計算，會大幅提高系統的響應速度。這與大部分市面上驅動器將信號接到PLC的I/O上，并由PLC循環來進行同步的模式，更高的響應能力，這會確保高速和高精度的裁切能力。
材料工藝處理
除了整體控制、張力模式控制、色標配合外，在材料處理中，還有幾個關鍵點需要被考慮：
1 干擾信號濾波處理
對于材料控制模型中，如圖所示-對于材料的控制閉環而言，其信號的干擾會影響控制的調節效果，不利于調節穩定，因為PID調節通常會帶來超調，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，進而使得系統更為穩定。
圖9-干擾信號濾波處理
另外，由于磨損帶來的模型與現實的偏差，也可以通過信號的采樣處理來彌補。
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，甚至會造成設備的損壞，因此，必須能夠及時檢測到這種斷裂的潛在風險。如圖10。
圖10-材料斷裂檢測
通過擺輥、電機轉矩的異常，斷裂是可以被識別的—這樣就可以在控制過程中進行相應的處理-例如，同步的減速或停機處理。
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，這種壓力差會導致材料的打滑，這個會對放卷和收卷都會造成不穩定。如圖11所示。
圖11-材料的打滑處理
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。
總結
1).易于調試：
采用高內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、工藝場景進行了建模而開發的。具有高度的功能適應性，易于調試。
2).品質控制：
針對印刷、塑料材料、包裝等場景，有效的提高了材料傳輸的穩定與精準，確保工藝質量的穩定。
圖12-mappWebHandling模塊的優點
3).平滑與高效的機器運行：
在材料換卷、工藝參數調整后，運動控制的軟硬件系統同樣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、控制進行建模，能夠通過第三方軟件或內置的自動化仿真工具進行工藝、邏輯的仿真運行，虛擬測試。