零速接纸机控制系统设计(附件)【字数：8258】
速接纸机作为印刷机的一种配套辅机，在过去的二十多年里得到快速发展，已广泛应用于商业报纸、烟盒包装、瓦楞纸印刷等行业。印刷机速度和精度的不断提高，对接纸机的控制系统提出更高的要求，张力控制是其控制的重点和难点，本文以在开发的零速接纸机为对象，开展对接纸机张力控制系统的研究。文章首先综述接纸技术和张力控制技术研究现状，并介绍一款接纸机的机械部件、工艺流程和系统组成作为控制系统的应用背景。按工况划分对接纸机需要张力调节的三个工作阶段（开卷阶段、储纸阶段、接纸阶段）分别制定控制策略。基于气动伺服位置控制理论，并根据其在不同阶段的运动特性，分别进行了线性化处理。综合以上张力模型和速度模型，即建立三个阶段的张力控 制系统。根据建立的张力系统的特性，文章分别设计了PID、前馈-反馈复合、自适应模糊PID张力控制器，通过现场调试和仿真测试的比较，得出模型可取的结论。文章最后介绍了控制系统软件的模块化的设计思路，操作界面的设计方法以及 SIMOTION D435 系统的调试经验。
目录
一、引言 1
（一）研究背景 1
（二）接纸技术 1
（三）张力控制 1
（四）研究目的和意义 1
二、零速接纸机功能组成与分析 3
（一）机械结构组成分析 3
（二）工艺分析 3
三、控制系统组成及分析 5
（一）SIMOTION D435及其调试软件 5
（二）整机控制系统 7
四、张力控制策略 7
（一）张力控制目的 7
（二）张力控制策略 8
五、控制系统软件设计和调试 8
（一）步进指令的数据编程系统功能模块化 8
（二）模块化系统软件框架 9
（三）人机界面的设计 10
（四）控制系统调试 12
总结 13
参考文献 14
致谢 15
一、引言
（一）研究背景
包装印刷作为一种美化和宣传商品的技术广泛地应用于日常生活用品的生产，且随着人们生活水平的提高而不断地进行技术的更新。在过去的三十年里，我国的包装印刷业发生了翻天覆地的革新：从传 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
统的铅活字排版印刷发展到现在胶印、凹印、凸印、柔印多种印刷技术并存[1]，并且出现了单张纸多色印刷机、卷筒纸多色印刷机、商业卷筒纸印刷机、不干胶间歇印刷机和卫星式柔性版印刷机多种印刷机型，其中尤以商业卷筒纸印刷机市场化发展最好，技术含量高 [2]。
接纸机在过去的二十年快速地发展，已广泛应用于商业报纸印刷、烟盒包装印刷、瓦楞纸印刷等行业。卷筒纸印刷机速度和精度的不断提高，对接纸机控制系统提出了更高的要求，如何提高接纸机在高速运动下张力控制的精度和稳定性，是制造商和研究学者们关注的焦点。
（二）接纸技术
在纸接收处理中，根据速度的变化，可以分为了两种接纸方式，一种是机器的速度恒定，完成接纸过程；另一种是机器速度降低到规定的接纸速度，等到接纸完成后，在将机器速度提高到正常的速度。
根据接纸的判定方法，纸的接收时间可分为肉眼检查时间、固定直径和固定长度。根据印刷经验，确定接纸的开始时间，视觉时间的拾取是操作人员预设直径，原材料的直径减少，纸张接收过程自动开始。固定长度的拾取意味着操作员提前设定了料带长度。如果印刷长度达到设定值，接纸就会自动开始。在视觉检查中接纸容易受到个人因素的影响。现在广泛使用固定长度和固定长度的方法。
（三）张力控制
在卷绕系统加工时，为使产品质量稳定，通常让卷料保持一定的张力。但张力大小必须适中，张力过大，易引起卷料的变形、甚至断裂；张力过小，则易使卷料过松而引起皱 褶、跑偏甚至发生堵塞等严重问题。因此，在冶金、造纸、印刷等典型卷绕加工系统中，一般采用恒张力控制。
对于控制模型，一般的张力控制模型是动态张力控制，开放环的半自动张力控制和闭环的完全自动张力控制，对手动控制张力的分析主要反映在手卷和放卷过程中，工作时线圈的直径达到一定程度时，为了实现控制目的，手动电源装置要调整，开放环的半自动张力调节在滚筒上安装开关，测量卷轴的速度，以卷轴直径和速度的初始值为基础，控制卷轴的张力。
（四）研究目的和意义
笔者了解到我国目前的零速接纸装备还处在全进口的状态。国内在这方面的研发还处在起步阶段。所以纵观我国的印刷行业整体的发展，都是束手无策。不能像有些行业一样能达到世界领先水平。所以从大的方面来说，研制具有自主开发的零速接纸装备是我国目前的主要任务。我们要开发属于自己的设备和技术，冲破国外的技术壁垒。从小的方面来说，一个公司或者研究院要研发属于自己的核心产品。而伴随包装印刷业环保、低碳的发展趋势，零速接纸也将有广阔的市场前景。未来3到10年的重点研发方向是高速不停机对版接纸及二次印刷装置、高速不停机预速搭接与拼接装置，也即关键配套辅机的研发。
二、零速接纸机功能组成与分析
（一）机械结构组成分析
图21所示为零速接纸机的机械结构组成，图22所示为接纸机主要执行元件组成。由图知，接纸机在结构上可分为三个部分，由底层到顶层分别有：放卷机构（含两个工位）、接纸机构、储纸机构，每个机构有其相应的功能以及执行器件和检测器件。下面介绍每个机构的组成和作用：
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图 21 零速自动接纸机的机械结构组成 图 22 零速自动接纸机的主要执行元件组成
放卷机构
放卷机构通过丝杆驱动料轴所在的工作台，用于调节料卷水平方向位置。升降电机用于装卸料卷时调节料轴垂直方向位置。相应的检测元件有张力传感器和纠偏传感器。为防止纠偏电机和升降电机超越导轨行程，上下左右极限位置各安装有一个行程开关。
接纸机构
接纸机构用于实现接纸时的压纸、挺纸、定纸、贴胶、裁纸等一系列动作，其执行元件由分布在接纸台两侧的小行程气缸组成，气缸大致呈对称分布，并由相应的电磁阀控制。
为了避免气缸相互之间发生干涉，在相应的极限位置布置了磁性开关。只有检测到上一工艺流程的气缸工作到位时，系统才能允许下一流程的气缸执行动作。为了方便裁纸，特别设计了负压腔，负压腔通过真空泵产生真空将纸张牢牢吸住，从而保证裁纸时，边沿对齐平整。
储纸机构
储纸机构由固定在一侧的固定辊及可左右水平移动的移动架组成，通过控制移动架左 右移动便可实现储料放料。储纸机构用于储纸的辊筒共18根，因此可储存的料带是18层。其执行元件是两个同步的双作用气缸（下称储纸气缸），由压力比例阀和普通电磁阀控制。
（二）工艺分析
表21所示的零速接纸机的主要技术参数，从表中可以知道：设备的卷轴的直径在1200mm左右。卷筒纸的宽度在650mm左右。在这样的情况下产生的张力能够达到60KG左右。且张力的波动范围仅仅在0.3kg左右，波动范围不大且在正常的范围之中。根据以上参数生产的速度是180m/min。生产的速度较快，能够达到产能要求。图23所示的是零速接纸机的工作过程。从图中的流程图可以看出：整个程序工程主要包括四个阶段，分别是初始化阶段、开卷阶段、储纸阶段和接纸阶段。初始化阶段的主要工作是人工的完成料卷的安装工作，并对设备的各项参数进行初始化。开卷阶段的工作主要是：让上一步骤的料卷转动起来，并在运转的过程中保持张力的恒定状态。同时还要防止转动的过程中料卷的偏差等。最后是要对料卷的直径进行测量，为下一步的工作做好准备。储纸阶段的主要工作是：当机器运转良好的情况下，保证卷轴的张力，同时也要防止转动的过程中料卷的偏差等，最后是要对料卷的直径进行测量。接纸阶段的主要工作是：要保证整个料卷在从设备上移除的过程中保证料卷张力和料卷位置的恒定。然后再放入下一个料卷，充分以上的工作状态。此时为一个周期，当放入新料卷的过程为下一个工作周期。
目录
一、引言 1
（一）研究背景 1
（二）接纸技术 1
（三）张力控制 1
（四）研究目的和意义 1
二、零速接纸机功能组成与分析 3
（一）机械结构组成分析 3
（二）工艺分析 3
三、控制系统组成及分析 5
（一）SIMOTION D435及其调试软件 5
（二）整机控制系统 7
四、张力控制策略 7
（一）张力控制目的 7
（二）张力控制策略 8
五、控制系统软件设计和调试 8
（一）步进指令的数据编程系统功能模块化 8
（二）模块化系统软件框架 9
（三）人机界面的设计 10
（四）控制系统调试 12
总结 13
参考文献 14
致谢 15
一、引言
（一）研究背景
包装印刷作为一种美化和宣传商品的技术广泛地应用于日常生活用品的生产，且随着人们生活水平的提高而不断地进行技术的更新。在过去的三十年里，我国的包装印刷业发生了翻天覆地的革新：从传 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
统的铅活字排版印刷发展到现在胶印、凹印、凸印、柔印多种印刷技术并存[1]，并且出现了单张纸多色印刷机、卷筒纸多色印刷机、商业卷筒纸印刷机、不干胶间歇印刷机和卫星式柔性版印刷机多种印刷机型，其中尤以商业卷筒纸印刷机市场化发展最好，技术含量高 [2]。
接纸机在过去的二十年快速地发展，已广泛应用于商业报纸印刷、烟盒包装印刷、瓦楞纸印刷等行业。卷筒纸印刷机速度和精度的不断提高，对接纸机控制系统提出了更高的要求，如何提高接纸机在高速运动下张力控制的精度和稳定性，是制造商和研究学者们关注的焦点。
（二）接纸技术
在纸接收处理中，根据速度的变化，可以分为了两种接纸方式，一种是机器的速度恒定，完成接纸过程；另一种是机器速度降低到规定的接纸速度，等到接纸完成后，在将机器速度提高到正常的速度。
根据接纸的判定方法，纸的接收时间可分为肉眼检查时间、固定直径和固定长度。根据印刷经验，确定接纸的开始时间，视觉时间的拾取是操作人员预设直径，原材料的直径减少，纸张接收过程自动开始。固定长度的拾取意味着操作员提前设定了料带长度。如果印刷长度达到设定值，接纸就会自动开始。在视觉检查中接纸容易受到个人因素的影响。现在广泛使用固定长度和固定长度的方法。
（三）张力控制
在卷绕系统加工时，为使产品质量稳定，通常让卷料保持一定的张力。但张力大小必须适中，张力过大，易引起卷料的变形、甚至断裂；张力过小，则易使卷料过松而引起皱 褶、跑偏甚至发生堵塞等严重问题。因此，在冶金、造纸、印刷等典型卷绕加工系统中，一般采用恒张力控制。
对于控制模型，一般的张力控制模型是动态张力控制，开放环的半自动张力控制和闭环的完全自动张力控制，对手动控制张力的分析主要反映在手卷和放卷过程中，工作时线圈的直径达到一定程度时，为了实现控制目的，手动电源装置要调整，开放环的半自动张力调节在滚筒上安装开关，测量卷轴的速度，以卷轴直径和速度的初始值为基础，控制卷轴的张力。
（四）研究目的和意义
笔者了解到我国目前的零速接纸装备还处在全进口的状态。国内在这方面的研发还处在起步阶段。所以纵观我国的印刷行业整体的发展，都是束手无策。不能像有些行业一样能达到世界领先水平。所以从大的方面来说，研制具有自主开发的零速接纸装备是我国目前的主要任务。我们要开发属于自己的设备和技术，冲破国外的技术壁垒。从小的方面来说，一个公司或者研究院要研发属于自己的核心产品。而伴随包装印刷业环保、低碳的发展趋势，零速接纸也将有广阔的市场前景。未来3到10年的重点研发方向是高速不停机对版接纸及二次印刷装置、高速不停机预速搭接与拼接装置，也即关键配套辅机的研发。
二、零速接纸机功能组成与分析
（一）机械结构组成分析
图21所示为零速接纸机的机械结构组成，图22所示为接纸机主要执行元件组成。由图知，接纸机在结构上可分为三个部分，由底层到顶层分别有：放卷机构（含两个工位）、接纸机构、储纸机构，每个机构有其相应的功能以及执行器件和检测器件。下面介绍每个机构的组成和作用：
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图 21 零速自动接纸机的机械结构组成 图 22 零速自动接纸机的主要执行元件组成
放卷机构
放卷机构通过丝杆驱动料轴所在的工作台，用于调节料卷水平方向位置。升降电机用于装卸料卷时调节料轴垂直方向位置。相应的检测元件有张力传感器和纠偏传感器。为防止纠偏电机和升降电机超越导轨行程，上下左右极限位置各安装有一个行程开关。
接纸机构
接纸机构用于实现接纸时的压纸、挺纸、定纸、贴胶、裁纸等一系列动作，其执行元件由分布在接纸台两侧的小行程气缸组成，气缸大致呈对称分布，并由相应的电磁阀控制。
为了避免气缸相互之间发生干涉，在相应的极限位置布置了磁性开关。只有检测到上一工艺流程的气缸工作到位时，系统才能允许下一流程的气缸执行动作。为了方便裁纸，特别设计了负压腔，负压腔通过真空泵产生真空将纸张牢牢吸住，从而保证裁纸时，边沿对齐平整。
储纸机构
储纸机构由固定在一侧的固定辊及可左右水平移动的移动架组成，通过控制移动架左 右移动便可实现储料放料。储纸机构用于储纸的辊筒共18根，因此可储存的料带是18层。其执行元件是两个同步的双作用气缸（下称储纸气缸），由压力比例阀和普通电磁阀控制。
（二）工艺分析
表21所示的零速接纸机的主要技术参数，从表中可以知道：设备的卷轴的直径在1200mm左右。卷筒纸的宽度在650mm左右。在这样的情况下产生的张力能够达到60KG左右。且张力的波动范围仅仅在0.3kg左右，波动范围不大且在正常的范围之中。根据以上参数生产的速度是180m/min。生产的速度较快，能够达到产能要求。图23所示的是零速接纸机的工作过程。从图中的流程图可以看出：整个程序工程主要包括四个阶段，分别是初始化阶段、开卷阶段、储纸阶段和接纸阶段。初始化阶段的主要工作是人工的完成料卷的安装工作，并对设备的各项参数进行初始化。开卷阶段的工作主要是：让上一步骤的料卷转动起来，并在运转的过程中保持张力的恒定状态。同时还要防止转动的过程中料卷的偏差等。最后是要对料卷的直径进行测量，为下一步的工作做好准备。储纸阶段的主要工作是：当机器运转良好的情况下，保证卷轴的张力，同时也要防止转动的过程中料卷的偏差等，最后是要对料卷的直径进行测量。接纸阶段的主要工作是：要保证整个料卷在从设备上移除的过程中保证料卷张力和料卷位置的恒定。然后再放入下一个料卷，充分以上的工作状态。此时为一个周期，当放入新料卷的过程为下一个工作周期。
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