張松濤

技術(shù)應(yīng)用

YF73型盤紙自動更換機(jī)盤紙直徑和放卷速度的計(jì)算及修正方法

張松濤

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

該文分析了YF73型盤紙自動更換機(jī)在3種不同情況下的盤紙直徑和放卷速度的計(jì)算原理，推導(dǎo)盤紙直徑和放卷速度的計(jì)算方法以及相關(guān)的計(jì)算公式，并將該計(jì)算方法應(yīng)用于PLC控制程序。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，YF73型盤紙自動更換機(jī)能與高速濾棒成型機(jī)的速度精確同步，提高了生產(chǎn)效率，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。

盤紙自動更換機(jī)；盤紙直徑；放卷速度；動態(tài)修正

0 引言

高速濾棒成型機(jī)用于生產(chǎn)卷煙過濾嘴，生產(chǎn)速度達(dá)500～600 m/min。若以每盤紙長度為4 500～5 000 m計(jì)算，操作人員需每隔約9 min更換一盤紙，勞動強(qiáng)度較大。采用盤紙自動更換機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動送紙、斷紙檢測、自動更換盤紙等功能，可降低操作人員的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。然而，盤紙自動更換機(jī)在運(yùn)行過程中需要不斷地計(jì)算盤紙直徑并動態(tài)修正放卷速度，才能與高速濾棒成型機(jī)的速度精確同步，避免盤紙被拉斷[1]。若盤紙頻繁被拉斷，會引起高速濾棒成型機(jī)停機(jī)，重新穿紙需耗時(shí)約5 min，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，并導(dǎo)致原輔材料醋酸纖維絲束和盤紙的浪費(fèi)，且由于工藝因素，每次穿紙后重新運(yùn)行高速濾棒成型機(jī)需剔除一些濾棒，增加了生產(chǎn)成本。

本文通過分析YF73型盤紙自動更換機(jī)的放卷工作原理，給出盤紙直徑和放卷速度的計(jì)算及修正方法，推導(dǎo)出相關(guān)的計(jì)算公式，并簡單介紹其PLC控制程序的實(shí)現(xiàn)方法。

1 YF73型盤紙自動更換機(jī)

YF73型盤紙自動更換機(jī)以精確同步速度，不間斷地將盤紙輸送給高速濾棒成型機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動取盤、裝盤、盤紙自動開卷、廢舊盤紙接頭自動回收等功能。提升臂、前支臂裝載盤紙控制流程分別如圖1、圖2所示。

1―盤紙?zhí)嵘郏?―盤紙安裝底座；3―提升導(dǎo)軌；4―紙盤；5―盤紙小車；6―提升電機(jī)；7―提升編碼器

1―新紙盤；2―盤紙安裝臂；3―紙盤架

YF73型盤紙自動更換機(jī)主要由電氣控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成。其中，電氣控制系統(tǒng)由S7-300系列PLC完成主控任務(wù)，程序主要采用Step7的語句表（STL）和梯形圖（LAD）等編寫；人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、設(shè)備調(diào)試、故障報(bào)警、信息顯示等功能；伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用MLC運(yùn)動控制器[1]。

2 盤紙直徑計(jì)算和修正方法

設(shè)盤紙直徑為盤紙，盤紙放卷速度為盤紙，則高速濾棒成型機(jī)（主機(jī)）速度的計(jì)算公式為

由公式(1)可知，當(dāng)已知時(shí)，只有知道盤紙，才能計(jì)算盤紙，即伺服電機(jī)的放卷速度。

盤紙的計(jì)算有3種情況：

1）高速濾棒成型機(jī)開機(jī)前，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，盤紙?jiān)?38o位置；

2）盤紙更換后，紙盤架旋轉(zhuǎn)180o，盤紙?jiān)?8o位置；

3）高速濾棒成型機(jī)正常運(yùn)行過程中，盤紙直徑動態(tài)修正。

2.1　在238o位置時(shí)計(jì)算盤紙直徑

在高速濾棒成型機(jī)開機(jī)前，伺服驅(qū)動系統(tǒng)需要知道盤紙才能有效跟蹤高速濾棒成型機(jī)的運(yùn)行速度。當(dāng)盤紙?jiān)?38o位置時(shí)，盤紙由Step7編程軟件的FC563程序塊判斷開始計(jì)算的條件，并配合伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算原理示意圖如圖3所示。

1―張緊器（線性傳感器6S271）；2―張力臂

當(dāng)盤紙?jiān)?38o位置時(shí)，高速濾棒成型機(jī)開機(jī)前，帶動盤紙旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)即放卷電機(jī)逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動，繞在張力臂上的部分盤紙被收回，帶動張力臂運(yùn)動；張力臂的位置由張緊器（線性傳感器6S271）檢測；當(dāng)線性傳感器6S271的電壓從2 V增加到5 V時(shí)，放卷電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；此時(shí)，回收的盤紙長度為一定值，伺服驅(qū)動系統(tǒng)計(jì)算放卷電機(jī)的回轉(zhuǎn)角度為，則盤紙的計(jì)算公式為

高速濾棒成型機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，伺服驅(qū)動系統(tǒng)以和盤紙確定盤紙初始值。

Step7編程軟件的FC563程序塊部分內(nèi)容為：

A "MOTION_to_PLC_DB".FQ_x_DCbusPowered; 伺服備好

AN "MOTION_to_PLC_DB".PaperSyncroOk; 盤紙同步

AN "MOTION_to_PLC_DB".RunReelDiameterOK

AN "RF_SetRunningBobbinDb".BobbinRunningUnknown

AN "PLC_to_MOTION_DB".SetRunningReel; 設(shè)定旋轉(zhuǎn)盤

A "PLC_to_MOTION_DB".Paper_NO_Break; 無斷紙

AN "RF_DiamEvaluatReelDB".ToutCalcoloDiamBobRun

A "Main_to_RF".PaperDiameterEvalOK; 直徑計(jì)算備好

AN "RF_to_Main".RedMsg12

A( O "RF_keyboardDb".PaperLoadingUpEdge

O "RF_ManPaperInsertionDB".PaperIns_MainPLC_CMD

O "RF_keyboardDb".ResetBobbinLoaderUpEdge

O "PLC_to_MOTION_DB".ManPaperInsertion

O "RF_DiamEvaluatReelDB".Dp_OKforDiameterEvalEdt)

S "PLC_to_MOTION_DB".RunReelDiamEvaluation

滿足以上條件，PLC開始計(jì)算盤紙。

2.2　在58o位置時(shí)計(jì)算盤紙直徑

當(dāng)盤紙?jiān)?8o位置時(shí)，盤紙直徑計(jì)算原理示意圖如圖4所示。

圖4　盤紙?jiān)?8o時(shí)的直徑計(jì)算示意圖

激光傳感器6B382檢測其到盤紙邊緣的距離、到盤紙圓心的固定距離。激光傳感器6B382輸出的模擬電壓范圍為1～10 V，分別對應(yīng)100～400 mm的距離。盤紙計(jì)算公式為

Step7編程軟件的FC579程序塊完成距離和距離的長度轉(zhuǎn)換，以及盤紙的計(jì)算。Step7編程軟件的FC579程序塊部分內(nèi)容為：

L "RF_DiameterMeasureDb".HighValueSensor;

即長度b

L "RF_DiameterMeasureDb".LowValueSensor; 即長度a

-I

ITD

DTR

T #RangeLettura; 即b-a

L 2.000000e+000

*R

T ReelNewDiam_Mtr; 即2(b-a)

2.3　盤紙直徑動態(tài)修正

隨著盤紙直徑逐漸變小，線性傳感器6S271對盤紙進(jìn)行動態(tài)修正，如圖5所示。

1―張緊器（線性傳感器6S271）；2―當(dāng)前運(yùn)行盤紙

從高速濾棒成型機(jī)的角度來看，高速濾棒成型機(jī)速度的計(jì)算公式為

式中：

濾棒——濾棒的生產(chǎn)速度；

濾棒——濾棒的長度。

從盤紙的角度來看，盤紙的計(jì)算公式為

因公式(4)、(5)中的相等，可得盤紙為

式中：

由公式(6)可以看出，當(dāng)盤紙變小時(shí)，動態(tài)速比變大，需要提高盤紙，才能滿足高速濾棒成型機(jī)對濾棒紙的需求。

盤紙動態(tài)修正由PLC控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)共同完成。當(dāng)高速濾棒成型機(jī)正常運(yùn)行，YF73型盤紙自動更換機(jī)的送紙速度與高速濾棒成型機(jī)匹配完好時(shí)，線性傳感器6S271處于垂直位置；隨著盤紙逐漸變小，線性傳感器6S271向右偏移，PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集線性傳感器6S271的位置信號；FC571程序塊將線性傳感器6S271的位置信號轉(zhuǎn)換為-5 000～ 5 000之間的整數(shù)（線性傳感器6S271向右擺動為負(fù)數(shù)，向左擺動為正數(shù)），并傳送到伺服控制系統(tǒng)；盤紙每轉(zhuǎn)10圈，伺服控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前線性傳感器6S271的位置計(jì)算盤紙，隨著盤紙變小，動態(tài)速比增大，盤紙也隨之增大，以維持YF73型盤紙自動更換機(jī)放卷速度和高速濾棒成型機(jī)生產(chǎn)速度的精確匹配[2]。

如果盤紙的計(jì)算有偏差，將導(dǎo)致盤紙和不匹配。當(dāng)線性傳感器6S271左右擺動超過2 cm時(shí)，伺服控制系統(tǒng)立即修正盤紙，控制其擺動幅度在0.5 cm左右，以維持供紙的穩(wěn)定性。

3　應(yīng)用效果

YF73型盤紙自動更換機(jī)已在某些煙廠投入使用，運(yùn)行效果良好。在現(xiàn)場應(yīng)用中，ZL28雙通道高速濾棒成型機(jī)的額定生產(chǎn)速度為10 000支/min，線速度為500 m/min。在ZL28雙通道高速濾棒成型機(jī)啟動、降速、正常生產(chǎn)、換紙時(shí)，YF73型盤紙自動更換機(jī)都能與高速濾棒成型機(jī)的速度精確同步，沒有出現(xiàn)因盤紙被拉斷而引起停機(jī)的情況?，F(xiàn)場觀察表明：

1）盤紙斷紙次數(shù)由原來的平均每天約2次減少至連續(xù)一周的正常生產(chǎn)，沒有出現(xiàn)盤紙由于速度同步精度問題被拉斷而引起高速濾棒成型機(jī)停機(jī)的情況；

2）濾棒成型機(jī)的有效生產(chǎn)效率由91%提升至96%；

3）原輔材料利用率提高約0.5個(gè)百分點(diǎn)；

4）由于停機(jī)次數(shù)減少，操作人員勞動強(qiáng)度降低，由2人減少到1人。

4　結(jié)論

本文在3種不同的情況下，通過對YF73型盤紙自動更換機(jī)的盤紙直徑和放卷速度進(jìn)行計(jì)算和修正分析，得出其計(jì)算原理和方法，從而使YF73型盤紙自動更換機(jī)放卷速度與高速濾棒成型機(jī)的速度精確同步，使盤紙不被拉斷，保證高速濾棒成型機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)。根據(jù)應(yīng)用效果可以得出如下結(jié)論：

1）盤紙自動更換機(jī)盤紙?jiān)?8o、238o位置運(yùn)行時(shí)，盤紙直徑計(jì)算采用的方法和原理不同，通過不同計(jì)算方法可提高其放卷速度的同步精度，減少斷紙次數(shù)，從而提高高速濾棒成型機(jī)的生產(chǎn)效率；

2）盤紙自動更換機(jī)放卷速度和盤紙直徑的計(jì)算精度提高后，高速濾棒成型機(jī)原輔材料的利用率得到提高，操作人員減少，提高了經(jīng)濟(jì)效益；

3）本文提出的計(jì)算和修正方法可為以后的盤紙自動更換機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供一定的參考和借鑒。

[1] 費(fèi)翔.趙寶生.煙機(jī)設(shè)備修理工[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2013.

[2] 劉鍇,彭峋.濾棒成型工[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社, 2016.

Calculation and Correction Method of Reel Diameter and Unwinding Speed of YF73 Automatic Paper Reel Changer

ZHANG Songtao

(Xuchang Tobacco Machinery Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

This paper analyzes the calculation principle of the reel diameter and unwinding speed of YF73 automatic reel changer under three different conditions, derives the calculation method of the reel diameter and unwinding speed as well as the relevant calculation formula, and applies the calculation method to the PLC control program. Through field application verification, YF73 reel paper automatic replacement function is precisely synchronized with the speed of high-speed filter rod forming machine, which improves the production efficiency and reduces the labor intensity of operators.

automatic paper reel changer; reel diameter; unwinding speed; dynamic correction of diameter

TP23

A

1674-2605(2022)06-0009-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.06.009

張松濤.YF73型盤紙自動更換機(jī)盤紙直徑和放卷速度的計(jì)算及修正方法[J].自動化與信息工程,2022,43(6):52-55.

ZHANG Songtao. Calculation and correction method of reel diameter and unwinding speed of YF73 automatic paper reel changer[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(6):52-55.

張松濤，1982年生，學(xué)士，工程師，主要研究方向：煙草機(jī)械的研發(fā)。E-mail: st_888@139.com