無溶劑涂布復(fù)合機涂布量控制及其同步控制策略的研究*

黃學(xué)佳,包能勝,朱永盛,許 鵬,佘鍔楨

(1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,廣東 汕頭 515078; 2.汕頭大學(xué) 機械電子工程系,廣東 汕頭 515063; 3.汕頭市華鷹軟包裝設(shè)備總廠有限公司,廣東 汕頭 515064)

0 引 言

目前,國內(nèi)復(fù)合軟包裝材料的制備大多數(shù)還采用溶劑型涂布復(fù)合的形式,此技術(shù)在能源消耗、環(huán)境污染及食品安全方面面臨著非常嚴峻的形勢。隨著科技的發(fā)展,無溶劑涂布復(fù)合技術(shù)問世,它以其綜合效率高、制造速度快、節(jié)約溶劑和能耗、無公害污染、成本低的優(yōu)勢,逐漸成為涂布復(fù)合產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢[1-3]。

受到經(jīng)濟、環(huán)保、社會政策和科技發(fā)展等問題的制約,目前我國的無溶劑涂布復(fù)合技術(shù)水平并不高。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單且生產(chǎn)速度較低,該技術(shù)并不能發(fā)揮其應(yīng)有的功能。目前,國內(nèi)對無溶劑涂布復(fù)合相關(guān)技術(shù)的研發(fā)還是以模仿國外技術(shù)、靠個人工程經(jīng)驗設(shè)計為主,并沒有相應(yīng)理論的指導(dǎo)。

涂布量的精準控制是無溶劑涂布復(fù)合相關(guān)技術(shù)的核心,涂布量的控制是否足夠精準對產(chǎn)品的加工工藝影響較大,想獲得優(yōu)異的工藝技術(shù)就必須解決涂布設(shè)備工作時涂布量的精準控制問題。筆者以五輥式無溶劑涂布復(fù)合機為主要研究對象,對涂布量的精準控制系統(tǒng)進行研究分析,將涂布量的精準控制問題轉(zhuǎn)化成各個電機之間的同步控制問題,并采用環(huán)形相互耦合的同步控制技術(shù)進行實現(xiàn)。此外,研究還涵蓋了對電機工作時的轉(zhuǎn)速的同步控制。

1 無溶劑涂布復(fù)合工藝流程

典型的無溶劑涂布復(fù)合設(shè)備由一放卷、小車式涂布裝置、二放卷、復(fù)合部和收卷五部分構(gòu)成。其主要工藝流程為:薄膜首先從一放卷機構(gòu)放出,隨后進入涂布裝置進行涂布,薄膜干燥后再和二放卷薄膜一起進入復(fù)合機構(gòu)進行復(fù)合,最后通過收卷機構(gòu)收回。如圖1所示。

圖1 無溶劑涂布復(fù)合機工藝流程簡圖

2 涂布量控制方案

2.1 涂布量控制原理

無溶劑復(fù)合涂布量一般都是很少的,通常只有0.5～1.8 g/m2[4],這就要求在涂布時,膠黏劑需要均勻地分布在軟包裝材料的基材表面上。因此,需要使用涂布量可精準控制的涂布機械進行涂布。

文中采用五輥式作為涂布機械結(jié)構(gòu)[5]。如圖2所示,五輥式涂布機械由計量輥A、計量轉(zhuǎn)移輥M、橡膠轉(zhuǎn)移輥T、涂布輥C和壓輥B構(gòu)成。供膠方式是由A輥和M輥中間的液槽部進行,利用各輥的速差產(chǎn)生薄的涂布膜,最后涂布液轉(zhuǎn)移到基材表面上。

圖2 五輥式涂布裝置示意圖

按照原有的渡料輥涂布特點,通過涂布輥C、計量輥轉(zhuǎn)移輥M和橡膠轉(zhuǎn)移輥T相互之間的速差比,即可達最低定量的涂布條件[6]。

涂布量的計算公式為:

CA=f{d12,p23,p34,p45,v2/v3,v3/v4}

(1)

式中:d12是計量轉(zhuǎn)移輥M與計量輥A之間的間距;p45,p34,p23依次是涂布輥與壓輥、橡膠轉(zhuǎn)移輥與涂布輥、計量轉(zhuǎn)移輥與橡膠轉(zhuǎn)移輥之間的壓力;v3/v4,v2/v3依次為涂布輥、橡膠轉(zhuǎn)移輥、計量轉(zhuǎn)移輥相互之間的速比。在實際使用中,各輥的壓力為非主要干擾因素,可以忽略簡化。

要使黏合劑實現(xiàn)在涂布輥表面上產(chǎn)生膠層,就需要使計量轉(zhuǎn)移輥M、橡膠轉(zhuǎn)移輥T和涂布輥C具有不一樣的速度,而且涂布輥C的速度要高于橡膠轉(zhuǎn)移輥T和計量轉(zhuǎn)移輥M的速度。一種比較可行的速比是涂布輥C:橡膠轉(zhuǎn)移輥T:計量轉(zhuǎn)移輥M =1∶0.25∶0.1。

當(dāng)涂布量發(fā)生變化后,必須改變涂布輥C、橡膠轉(zhuǎn)移輥T和計量轉(zhuǎn)移輥M之間的速差比,并重新計算速比,計算公式為:

(2)

式中:i是輥間速比;i0是輥間基準速比;q是涂布量;q0是基準涂布量。

綜上所述,在其他因素沒有發(fā)生改變的情況下,對涂布量的精準控制可轉(zhuǎn)換為各電機之間的速度比調(diào)節(jié)。因此,可通過精確調(diào)節(jié)涂布輥C、橡膠轉(zhuǎn)移輥T和計量輥轉(zhuǎn)移輥M相互之間的速比便可實現(xiàn)涂布量的精準控制。

2.2 控制方案

涂布量的控制主要是通過改變A輥和M輥之間的間隙,以及調(diào)整各輥的線速比來實現(xiàn)的。因此,如果需要改變材料涂布量時,只需要在操作界面上調(diào)整各輥的速比就可以迅速地進行新的生產(chǎn)。其基本設(shè)計方案如下。

(1) 為了更加精確地控制速度、調(diào)節(jié)各輥間的速比,計量轉(zhuǎn)移輥、橡膠轉(zhuǎn)移輥、涂布輥需采用單獨的伺服電機進行驅(qū)動,并通過直接聯(lián)接方式進行裝配。輥之間需要具有較高的平穩(wěn)性,以防止因電機誤差導(dǎo)致涂布過程產(chǎn)生震動誤差,因此輥與電機之間的聯(lián)接采用彈性聯(lián)軸器。

(2) 計量輥A與計量轉(zhuǎn)移輥M的可調(diào)間隙為5～1 000 μm,因為間隙較小,故可通過手動調(diào)節(jié)方式加以控制。

3 電機的同步控制策略

為了精準控制涂布輥、橡膠轉(zhuǎn)移輥和計量轉(zhuǎn)移輥相互之間的速比,三個輥均采用單獨的伺服控制系統(tǒng)加速度反饋方法進行速度的同步控制。

現(xiàn)有的同步控制一般分為主從控制技術(shù)、并行控制技術(shù)、虛擬總軸控制技術(shù)、交叉耦合控制技術(shù)以及環(huán)形耦合控制技術(shù)。

主從控制技術(shù)是將其中一個電機當(dāng)成主電機,將其輸出速度當(dāng)作從電機的速度參考值,并通過從電機的速度對主電機的速度進行跟隨。其不足之處在于:控制系統(tǒng)中影響從電機的干擾信號不會傳遞到其他電機上,各電機間的同步控制精度沒有得到很好地提高,抗干擾性能有待提高。主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并行控制技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,其同步控制采用一致的給定速度。并行控制技術(shù)的優(yōu)勢就是停止、啟動時控制系統(tǒng)具有良好的同步特性。缺點是在控制系統(tǒng)工作時,如果某一個電機受到干擾,各個電機間就會出現(xiàn)同步偏差,同步控制的精準度較差。

圖4 并行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬總軸控制技術(shù)可以通過構(gòu)建機械總軸模型得到機械總軸的功能。單元驅(qū)動器的信號可在系統(tǒng)信號通過總軸控制后獲得。單元驅(qū)動器的信號是通過總軸控制后獲得的經(jīng)濾波處理后的信號,所以該信號便于單元驅(qū)動器追蹤,因而可進一步改善同步特性。但是當(dāng)電機負載受到擾動后,電機之間的轉(zhuǎn)速和位置同步誤差會增大。采用虛擬總軸策略的控制系統(tǒng)中,各電機的信號并不一定與輸入信號一致,所以在主參考值與各個電機的實際速度之間可能出現(xiàn)誤差[7]。

交叉耦合控制技術(shù)的控制方法是對比兩個電機的速度等信息,然后求得一個差值的反饋信號,進而分別對兩個電機加以補償,從而達到優(yōu)異的同步控制性能。但這個控制策略僅適合兩個電機的同步控制,并且隨著電機數(shù)量的增多,該控制算法的復(fù)雜性和工作量會大幅度增加[8-9]。

文中使用一個全新的同步控制方法:環(huán)形耦合控制,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 環(huán)形耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11]

環(huán)形耦合控制技術(shù)是以電子耦合補償原理為基礎(chǔ),結(jié)合并行控制理論的思路建立的,它不僅考慮各個電機的輸出速度和給定速度之間的偏差,同時也兼顧各個電機的速度和其他電機的速度之間的偏差。因此,控制系統(tǒng)的啟動過程跟隨性與穩(wěn)定性均有所改善,控制系統(tǒng)的抗干擾能力也可進一步增強[10]。

4 同步控制建模仿真

4.1 交流變頻電機傳遞函數(shù)

以兩個電機的同步控制為例,通過Simulink可建立仿真模型。兩電機都是伺服電機,其傳遞函數(shù)可視為一階模型和一個延時環(huán)節(jié)。

在變頻器的速度控制狀態(tài)下,異步電機組可看作為轉(zhuǎn)速為n、頻率為f的單變量環(huán)節(jié)。文中采用的電機的數(shù)學(xué)模型如下[11]:

(3)

式中:KMA為比例系數(shù),可根據(jù)輸入頻率與輸出的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速比值而得到;TMA為慣性時間常數(shù),由實驗中測量而得。假設(shè)轉(zhuǎn)速從零至穩(wěn)態(tài)值的起動時間是tq,則TMA=tq/4。

如果考慮矢量變頻器的滯后響應(yīng),可將其視為一個慣性環(huán)節(jié):

(4)

式中:Ks是外部模擬電壓和變頻器輸出電源頻率之間的比值;Ts可通過變頻器升頻時長計算出來,升頻時長在變頻器中定義為將變頻器輸出電源頻率由0上升至最高額定頻率(100 Hz)的時間長度,若已知升頻時長設(shè)為1 s,則Ts=1/4=0.25 s。

4.2 并行同步控制系統(tǒng)仿真

并行同步控制技術(shù)的系統(tǒng)仿真框圖如圖6所示,控制仿真曲線如圖7所示。由仿真的曲線圖7可以看出,在并行同步控制時,主從電機之間對各自速度的干擾信號并沒有反饋,因此當(dāng)在兩個電機上加入兩個干擾信號時,兩電機的速度響應(yīng)并不同步,其同步偏差較大。

圖6 并行控制系統(tǒng)框圖

圖7 并行控制仿真曲線

4.3 環(huán)形耦合控制系統(tǒng)仿真

環(huán)形耦合控制技術(shù)的系統(tǒng)仿真框圖如圖8所示,速度補償使用PID控制器,仿真曲線如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn),即使在兩個電機中加入干擾信號,兩電機的速度響應(yīng)也依然可以保持很好的同步。

圖8 環(huán)形耦合控制系統(tǒng)框圖

圖9 環(huán)形耦合控制系統(tǒng)框圖

圖10為并行控制和環(huán)形耦合控制偏差比較。從圖10中可以發(fā)現(xiàn),與并行同步控制系統(tǒng)相比,環(huán)形耦合控制系統(tǒng)的同步偏差較小,大概是并行控制系統(tǒng)的1/3。

圖10 偏差比較

5 現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果

根據(jù)控制系統(tǒng)特點構(gòu)建同步控制系統(tǒng)的硬件平臺。同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖11所示,該系統(tǒng)采用西門子PLC作為控制器,以人機界面作為上位機進行監(jiān)控,并通過數(shù)據(jù)傳輸速度較快的Profibus DP總線作為通信方式。各驅(qū)動電機均通過西門子MM440變頻器驅(qū)動。

圖11 同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖12是并行控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。可以看出,因為主電機與從電機的速度響應(yīng)時間并不相同,所以在啟動或停止過程中主電機速度與從電機速度的偏差較大,故跟蹤特性較差。圖13是環(huán)形耦合控制調(diào)試結(jié)果,從圖中可看出,不管在啟動或停止過程,還是在平穩(wěn)工作過程中,從電機的速度均可跟上主電機的速度,可以實現(xiàn)優(yōu)異的同步控制特性。

圖12 并行控制調(diào)試結(jié)果 圖13 環(huán)形耦合控制調(diào)試結(jié)果

圖14是主電機與從電機的速度偏差,在啟動或停止過程,主電機與從電機的速度偏差是10 r/min,但在平穩(wěn)工作過程(速度為800 r/min),速度偏差大概是±2 r/min,控制精度能實現(xiàn)0.25%。在此控制精度下,通過式(2)反推求得涂布量的控制精度,計算可知控制精度為±0.002 5 g/m2,滿足機械設(shè)計要求。

圖14 主電機與從電機速度偏差

此次在同步控制的理論研究過程中,研究結(jié)果是在主電機與從電機的給定速度相同的前提下得到的。但是,對涂布量的精準控制通常是通過調(diào)節(jié)各輥之間不同的速比來實現(xiàn)的。所以當(dāng)使用同步控制策略時需要進行一些修改以適應(yīng)實際情況?？梢园阎麟姍C的速度與主從電機的速比相乘作為從電機的速度值,而從電機的反饋速度與主從電機的速比相除作為與主電機相對的速度值。通過這樣的方式,能夠在隨意調(diào)整各個電機之間的速比的情況下采用環(huán)形耦合控制策略實現(xiàn)主電機與從電機速度的同步控制。

此外,通過同步控制系統(tǒng)實物調(diào)節(jié)可知,在一般的速度控制系統(tǒng)上,變頻電機的同步控制精度便可滿足一般控制要求,不用選擇高精度的伺服控制裝置,能夠節(jié)約成本。

6 結(jié) 語

文中從五輥式涂布裝置入手,通過分析研究,得出涂布量控制的本質(zhì)就是電機的同步控制。研究比較了幾種不同的同步控制方法的特點和應(yīng)用場合,并制定了最適合于所研究系統(tǒng)的同步控制方案:環(huán)形耦合同步控制;并以兩個電機的同步控制方式為例,分別對并行同步系統(tǒng)和環(huán)形耦合同步系統(tǒng)進行了模擬和仿真,對兩種控制方法進行了分析對比;通過構(gòu)建同步控制系統(tǒng)的硬件平臺,測試了環(huán)形耦合同步控制的有效性,獲得的實驗結(jié)果顯示所設(shè)計的方案具有優(yōu)異的啟動性能,高動態(tài)性能和抗干擾性能,可以實現(xiàn)涂布量的精準控制需求。