在印刷、包裝、塑料、紡織各個(gè)領(lǐng)域，都有針對(duì)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(jī)械的纖維加捻、經(jīng)編等多種場(chǎng)景，都存在著較多的卷筒料的處理。
圖1-卷材處理的場(chǎng)景
在卷料處理中常見(jiàn)的問(wèn)題如圖2所示：
1).加速過(guò)程：對(duì)于卷料而言，在其升降速期間，加速度使得機(jī)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(huì)影響材料輸送的品質(zhì)-也會(huì)影響后續(xù)的加工品質(zhì)。
2).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(duì)于印刷、包裝加工是基礎(chǔ)保障。
3).未知的卷徑：持續(xù)變化的卷徑估算精度決定了速度同步精度，進(jìn)而影響張力控制的精度。
4).變慣量系統(tǒng)：隨著料卷的直徑變化，整個(gè)材料的物理重量也在發(fā)生變化，這使得傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量跟著發(fā)生變化。
5).不均勻纏繞：材料進(jìn)入生產(chǎn)前的卷材并不能穩(wěn)定且均勻的被收卷，造成內(nèi)陷或蝴蝶型缺陷。
6).死區(qū)時(shí)間：對(duì)于不同材料的死區(qū)時(shí)間必須得到有效補(bǔ)償；
7).材料打滑：在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的打滑，也會(huì)影響放卷/收料的穩(wěn)定性；
材料本身的參數(shù)變化、噪音信號(hào)、色標(biāo)檢測(cè)、過(guò)程同步等等，都會(huì)影響整個(gè)材料的卷取控制，進(jìn)而影響工藝品質(zhì)與效率。
圖2-在卷取控制中常見(jiàn)的問(wèn)題
貝加萊mappWebHandling專門(mén)針對(duì)這些材料的卷取控制而開(kāi)發(fā)的模塊，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(shí)積累而開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)機(jī)器的控制中，因?yàn)槌朔啪砗褪站恚残枰牧系牟糜∷ⅰ⒑娓伞⒉们械冗M(jìn)行協(xié)作。如圖3所示，從機(jī)器的設(shè)計(jì)視角，機(jī)器由多個(gè)最小的機(jī)電單元、工藝處理軟件、狀態(tài)驅(qū)動(dòng)下的協(xié)作構(gòu)成。最小機(jī)電單元如放卷軸由軸芯和材料形成的卷構(gòu)成，連接減速器、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器構(gòu)成最小的機(jī)電單元，而機(jī)器則是在放卷、牽引、印刷、裁切、烘干、收卷多個(gè)機(jī)電單元構(gòu)成。這些單元經(jīng)由運(yùn)動(dòng)控制的狀態(tài)、控制的狀態(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(shí)現(xiàn)高速的穩(wěn)定運(yùn)行。
圖3-模塊劃分與群組處理
材料在整個(gè)機(jī)器的不同區(qū)域他們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(guò)程則需要實(shí)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(jì)，mappWebHandling則由卷徑計(jì)算、張力控制、速度控制等構(gòu)成，并與色標(biāo)檢測(cè)、套色、裁切等協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)
如圖5所示，一個(gè)典型的場(chǎng)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(gè)張力區(qū)，在區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的張力控制同時(shí)，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(jī)電控制模式
卷材處理的場(chǎng)景是多樣性的，例如像卷筒印刷機(jī)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(gè)放卷多個(gè)收卷、紙張模切有放卷加裁切無(wú)收卷…因此，在現(xiàn)實(shí)的機(jī)器控制中，其存在多種機(jī)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(duì)各種場(chǎng)景，如驅(qū)動(dòng)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(cè)，通過(guò)擺輥位置/角度檢測(cè)的擺輥定位控制。適應(yīng)各種張力控制的場(chǎng)景，如卷對(duì)卷（R2R）、多卷復(fù)合、流延收卷、分切等多種卷料的機(jī)械結(jié)構(gòu)和處理模式。
材料處理工藝
對(duì)于卷材的卷徑計(jì)算，mapp模塊中有針對(duì)卷徑的計(jì)算及LQ濾波-這樣可以讓卷徑更為平滑，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行處理。另外，通過(guò)扭矩前饋也可以提高高速收放卷的響應(yīng)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(fù)載變化，系統(tǒng)具有自適應(yīng)的速度控制能力。如圖7
圖7-多種材料張力模式
色標(biāo)檢測(cè)與處理
在一些材料的處理中，也包括了色標(biāo)檢測(cè)信號(hào)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(biāo)中的放卷/射標(biāo)中，都會(huì)牽扯到色標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)與裁切處理。
圖8-色標(biāo)檢測(cè)直接進(jìn)入ACOPOS P3的觸發(fā)信號(hào)輸入端
如圖8，貝加萊的ACOPOS P3的Trigger信號(hào)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(dòng)器內(nèi)進(jìn)行同步計(jì)算，這種在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的直接同步計(jì)算，會(huì)大幅提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這與大部分市面上驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)接到PLC的I/O上，并由PLC循環(huán)來(lái)進(jìn)行同步的模式，更高的響應(yīng)能力，這會(huì)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(biāo)配合外，在材料處理中，還有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要被考慮：
1 干擾信號(hào)濾波處理
對(duì)于材料控制模型中，如圖所示-對(duì)于材料的控制閉環(huán)而言，其信號(hào)的干擾會(huì)影響控制的調(diào)節(jié)效果，不利于調(diào)節(jié)穩(wěn)定，因?yàn)镻ID調(diào)節(jié)通常會(huì)帶來(lái)超調(diào)，而采用輸入端的卡爾曼濾波會(huì)降低這些不必要的信號(hào)擾動(dòng)，進(jìn)而使得系統(tǒng)更為穩(wěn)定。
圖9-干擾信號(hào)濾波處理
另外，由于磨損帶來(lái)的模型與現(xiàn)實(shí)的偏差，也可以通過(guò)信號(hào)的采樣處理來(lái)彌補(bǔ)。
2 斷料檢測(cè)與處理
材料的斷裂會(huì)對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程帶來(lái)較大的影響，甚至?xí)斐稍O(shè)備的損壞，因此，必須能夠及時(shí)檢測(cè)到這種斷裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。如圖10。
圖10-材料斷裂檢測(cè)
通過(guò)擺輥、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的異常，斷裂是可以被識(shí)別的—這樣就可以在控制過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的處理-例如，同步的減速或停機(jī)處理。
3 收料張力錐度處理
對(duì)于卷料的各層來(lái)說(shuō)，隨著越向軸心的壓力則會(huì)越大，其表面壓力為0，這種壓力差會(huì)導(dǎo)致材料的打滑，這個(gè)會(huì)對(duì)放卷和收卷都會(huì)造成不穩(wěn)定。如圖11所示。
圖11-材料的打滑處理
在收卷過(guò)程控制中，隨著卷徑的變化，可以通過(guò)張力的降低來(lái)獲得更為柔順的材料收卷。
總結(jié)
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(duì)各種卷取模式、傳感器采樣、工藝場(chǎng)景進(jìn)行了建模而開(kāi)發(fā)的。具有高度的功能適應(yīng)性，易于調(diào)試。
2).品質(zhì)控制：
針對(duì)印刷、塑料材料、包裝等場(chǎng)景，有效的提高了材料傳輸?shù)姆€(wěn)定與精準(zhǔn)，確保工藝質(zhì)量的穩(wěn)定。
圖12-mappWebHandling模塊的優(yōu)點(diǎn)
3).平滑與高效的機(jī)器運(yùn)行：
在材料換卷、工藝參數(shù)調(diào)整后，運(yùn)動(dòng)控制的軟硬件系統(tǒng)同樣保證高速下的平滑切換。
4).集成仿真：
通過(guò)對(duì)材料處理的機(jī)械、控制進(jìn)行建模，能夠通過(guò)第三方軟件或內(nèi)置的自動(dòng)化仿真工具進(jìn)行工藝、邏輯的仿真運(yùn)行，虛擬測(cè)試。