宋曉亮，張 偉，許 卓

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

鋁箔分切機(jī)是鋁箔加工中的精整設(shè)備，在“精整”裝備的全球化發(fā)展中，可喻為高端高精的現(xiàn)代化裝備。鋁板經(jīng)過(guò)冷軋機(jī)、鋁箔粗軋機(jī)、鋁箔精軋機(jī)的軋制，形成雙層0.03～0.006mm的鋁箔。通過(guò)鋁箔分切機(jī)把雙層的鋁箔分開(kāi)，同時(shí)按照不同的商業(yè)要求把1000～1850mm寬的鋁箔分切成不同寬度的鋁箔若干條，并按恒張力方式卷成鋁卷。由于鋁箔分切機(jī)是鋁箔生產(chǎn)重要的后部工序，對(duì)鋁箔的質(zhì)量和成品率有著重要的影響，所以鋁箔分切機(jī)是現(xiàn)代鋁加工企業(yè)必須和關(guān)鍵技術(shù)裝備。

1 設(shè)備組成

立式鋁箔分切機(jī)由開(kāi)卷機(jī)、導(dǎo)輥、上下卷取機(jī)、拔軸系統(tǒng)、超聲波焊接機(jī)、氣液系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。

圖1是立式鋁箔分切機(jī)設(shè)備的側(cè)面簡(jiǎn)視圖，圖中開(kāi)卷機(jī)為對(duì)錐式，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)卷機(jī)在機(jī)列中完成帶材的開(kāi)卷和對(duì)中，帶材的后張力由開(kāi)卷機(jī)產(chǎn)生。導(dǎo)輥是一組輥系，由直流電機(jī)通過(guò)齒形皮帶同步驅(qū)動(dòng)，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中起到平衡前后張力的作用，并控制整個(gè)機(jī)列的運(yùn)行速度，完成鋁箔導(dǎo)向、分卷和剪切。

圖1 立式鋁箔分切機(jī)側(cè)面簡(jiǎn)易圖

卷取機(jī)分上卷取和下卷取，分別完成雙合鋁箔的收卷，為了保證成品卷的質(zhì)量，其張力由卷取機(jī)直接產(chǎn)生；超聲波焊接機(jī)是利用超聲波的振動(dòng)將斷帶后鋁箔接上，以提高成品率；拔軸系統(tǒng)主要是完成卸卷后的拔軸工作；氣動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用在夾送輥、上下壓平輥和上下支撐輥上，這些輥調(diào)整的好與壞直接關(guān)系到成品的質(zhì)量；液壓系統(tǒng)主要是完成分切機(jī)的其他輔助動(dòng)作，如開(kāi)卷卷取的加緊打開(kāi)，上料小車(chē)的側(cè)板升降等。

電氣控制系統(tǒng)由交流控制中心，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主控PLC系統(tǒng)和操作臺(tái)組成。分切機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 分切機(jī)控制系統(tǒng)框圖

交流控制中心采用組合式開(kāi)關(guān)柜，完成交流進(jìn)線(xiàn)，電源分配和交流電動(dòng)機(jī)控制，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于開(kāi)卷機(jī)，導(dǎo)輥和卷取機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，采用德國(guó)西門(mén)子公司全數(shù)字可控硅直流裝置6RA70系列。主控系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子公司的PLC-300系列和安裝在控制柜及操作臺(tái)上的ET200M分站單元，通過(guò)PROFIBUS-DP通訊電纜和主機(jī)架相連，極大地簡(jiǎn)化了布線(xiàn)，這樣用一根通訊電纜鏈接即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)架和遠(yuǎn)程I/O機(jī)架所在控制柜、操作臺(tái)的信息交換，解決了電纜老化問(wèn)題,節(jié)省了工程費(fèi)用。

2 控制系統(tǒng)分析

2.1 概述

立式分切機(jī)剪切的材料極薄，最薄的可以達(dá)到單張厚度為0.006mm，而且運(yùn)行速度很快，最高速度可以達(dá)到800m/m in，因此對(duì)運(yùn)行的張力和速度控制精度提出了很高的要求，恒速度控制精度為0.5%，恒張力控制精度為2%，并可根據(jù)卷取卷徑的變化自動(dòng)進(jìn)行錐度張力控制。

2.2 張力控制

直流電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩為：

其中： CT為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；

Φ為電機(jī)磁通；

Ia為電機(jī)電樞電流。

本系統(tǒng)開(kāi)卷和卷取設(shè)計(jì)采用了西門(mén)子的6RA70直流模塊，根據(jù)該直流模塊特點(diǎn)采用了速度欠飽和下的轉(zhuǎn)矩限幅控制。其功能框圖如圖3所示。

圖3 西門(mén)子直流模塊轉(zhuǎn)矩限幅框圖

由框圖中可知，直流模塊的直接輸出可以換算成一個(gè)轉(zhuǎn)矩值，當(dāng)電機(jī)的實(shí)際速度沒(méi)有達(dá)到給定速度時(shí)，直流模塊會(huì)增加輸出轉(zhuǎn)矩值以使電機(jī)增加轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)的實(shí)際速度超過(guò)給定速度時(shí)，直流模塊會(huì)減小輸出轉(zhuǎn)矩或出負(fù)轉(zhuǎn)矩以使電機(jī)減速或制動(dòng)，當(dāng)電機(jī)實(shí)際速度和給定速度相等時(shí)，直流模塊的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡狀態(tài)。從框圖中可看出P605參數(shù)是用來(lái)直接設(shè)置直流模塊轉(zhuǎn)矩輸出限幅值的，只要電機(jī)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定速度值，我們就可以根據(jù)此參數(shù)來(lái)控制直流模塊的輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算張力為：

其中： Tem為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；

R為鋁箔卷半徑。

開(kāi)卷卷材的卷徑是應(yīng)用超聲波測(cè)距儀進(jìn)行直接測(cè)量得到，卷取卷材的卷徑用直線(xiàn)電位器直接測(cè)量。在分切機(jī)運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)卷是放卷過(guò)程，只要保證料材平展，張力恒定即可，但對(duì)于卷取機(jī)，若采用恒張力卷取，隨著卷取卷材直徑的增大，會(huì)出現(xiàn)外緊內(nèi)松現(xiàn)象，造成勒卷劃傷等缺陷，因此在系統(tǒng)中需要設(shè)置錐度張力控制，即隨著卷取機(jī)卷材直徑的增大，使卷取張力呈線(xiàn)性下降，其數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 錐度張力控制

其中：Ts為恒張力基準(zhǔn)；

A為錐度比率0～60%；

Dact為卷徑實(shí)際值；

D0為最小卷徑值；

Dmax為最大卷徑值。

開(kāi)卷機(jī)和上下卷取機(jī)都采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，為了減小開(kāi)卷張力和卷取張力間的相互影響，設(shè)備有一個(gè)夾送輥裝置，有效的保證了兩個(gè)張力的相互獨(dú)立性。設(shè)備選用的都是具有3～4倍弱磁能力的直流電機(jī)，開(kāi)卷電機(jī)剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，卷徑比較大，轉(zhuǎn)速比較慢，在電機(jī)基速以下，電機(jī)工作在滿(mǎn)磁模式下且輸出較大扭矩，隨著設(shè)備的運(yùn)行，開(kāi)卷卷徑變小，轉(zhuǎn)速變快，在電機(jī)基速以上，電機(jī)工作在弱磁模式下且輸出較小扭矩；卷取電機(jī)正好相反，在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)工作在弱磁模式下，在運(yùn)行到臨近結(jié)束時(shí)工作在滿(mǎn)磁模式下。

張力基準(zhǔn)由操作臺(tái)設(shè)定，設(shè)定值經(jīng)過(guò)計(jì)算換算成轉(zhuǎn)矩值分別傳送給直流模塊，且開(kāi)卷和上下卷取張力可分別單獨(dú)給定，方便操作手根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的具體情況進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

2.3 速度控制

機(jī)列速度基準(zhǔn)也是由操作臺(tái)設(shè)定，設(shè)定值直接進(jìn)入導(dǎo)輥電機(jī)的速度設(shè)定，機(jī)列速度實(shí)際值由導(dǎo)輥電機(jī)的編碼器速度反饋得到，開(kāi)卷電機(jī)的速度基準(zhǔn)是給定一個(gè)運(yùn)行方向反方向的小速度值，這樣可以保證其轉(zhuǎn)矩限幅有效，且當(dāng)發(fā)生斷帶時(shí)，直流模塊的速度環(huán)替換轉(zhuǎn)矩限幅，使電機(jī)在反向較小速度下運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生飛車(chē)危險(xiǎn)。卷取電機(jī)的速度基準(zhǔn)給定是機(jī)列速度基準(zhǔn)附加一個(gè)正向速度值，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，卷取電機(jī)運(yùn)行速度無(wú)法達(dá)到設(shè)定速度基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)矩限幅有效，即卷取張力可控，若發(fā)生斷帶，直流模塊速度環(huán)生效，轉(zhuǎn)矩限幅失效，保證卷取電機(jī)的運(yùn)行安全。

2.4 導(dǎo)輥控制

導(dǎo)輥電機(jī)的主要作用是保證機(jī)列在設(shè)定速度下運(yùn)行，使開(kāi)卷張力和卷取張力達(dá)到平衡，且要防止箔材劃傷，直流模塊在速度環(huán)模式下運(yùn)行，當(dāng)卷取總張力大于開(kāi)卷張力時(shí)，導(dǎo)輥電機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩以使兩邊張力達(dá)到平衡，當(dāng)卷取總張力小于開(kāi)卷張力時(shí)，導(dǎo)輥電機(jī)輸出正轉(zhuǎn)矩來(lái)使兩邊張力達(dá)到平衡，這樣系統(tǒng)就可以保證設(shè)備穩(wěn)定恒速運(yùn)行了。

該立式分切機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，實(shí)際生產(chǎn)情況驗(yàn)證該控制方式可行，且運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單。如圖5所示。

圖5 立式分切機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，這臺(tái)立式分切機(jī)已完成帶負(fù)荷調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，設(shè)備中也還存在著一些不盡人意的地方。比如卷取機(jī)的壓平輥和支撐輥都采用的氣動(dòng)比例閥控制，其壓力的大小有限，對(duì)于有些型號(hào)的箔材需要調(diào)整的壓力無(wú)法達(dá)到，影響卷材的整體質(zhì)量；導(dǎo)輥電機(jī)是依靠導(dǎo)輥和箔材間的摩擦力才平衡前后張力的，若初始時(shí)兩邊張力相差太懸殊，會(huì)造成導(dǎo)輥打滑現(xiàn)場(chǎng)，影響成卷質(zhì)量，因此在開(kāi)卷卷取的張力給定控制上要加以完善，以更好的方便新操作手的操作。這些問(wèn)題的存在要求我們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)中不斷改進(jìn)，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求。

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