瓦楞紙橫切機(jī)電腦控制系統(tǒng)作為運(yùn)動控制技術(shù)在“飛剪”領(lǐng)域的一個應(yīng)用實例，有其較特殊的復(fù)雜性，過去一直依賴整套進(jìn)口，價格貴，服務(wù)不及時。近幾年來，隨著國內(nèi)包裝行業(yè)的蓬勃發(fā)展，用戶對瓦楞紙板的質(zhì)量和規(guī)格有了更高的要求與需求，因此對橫切機(jī)電腦控制系統(tǒng)提出了一些更嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)，如剪切精度、剪切速度、剪切范圍、設(shè)備可靠性、操作方便性等等。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)特別是電力電子產(chǎn)品技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使橫切機(jī)電腦控制系統(tǒng)的解決方案變得“簡單易行”，目前國內(nèi)有能力開發(fā)的自動化公司也不少，基本上打破了過去長期整機(jī)依賴進(jìn)口的局面。
正是瓦楞紙橫切機(jī)負(fù)載的特殊性導(dǎo)致其電腦控制系統(tǒng)在控制結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、控制算法等方面的復(fù)雜性，雖然同屬“飛剪”應(yīng)用領(lǐng)域，但“解決方案”的差異會帶來相當(dāng)大的“性能價格比”的差別。本文根據(jù)負(fù)載特征簡介了目前市場上流行的多種解決方案，并提出了“能耗最小”的優(yōu)化解決方案。
負(fù)載特征——慣性負(fù)載
一般說來，用于計算確定驅(qū)動電機(jī)力矩的負(fù)載可分為三部分：有效力矩負(fù)載、摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載。實踐證明，瓦楞紙橫切機(jī)負(fù)載主要表現(xiàn)為慣性負(fù)載，約占90%，因此，橫切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備選型、控制方案和控制算法的確定等可以僅考慮慣性負(fù)載這一基本特性，并以轉(zhuǎn)動慣量(Ja)定量表示。瓦楞紙橫切機(jī)的慣性負(fù)載又可分為刀軸系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)、聯(lián)軸器、電機(jī)轉(zhuǎn)子等四部分，分別以J刀、J齒、 J聯(lián)、J機(jī)表示，即：
Ja = J刀+ J齒+ J聯(lián)+ J機(jī)
可以證明，對單一慣性負(fù)載來說，驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（ne）與負(fù)載慣量(Ja)無關(guān)；額定轉(zhuǎn)矩（Me）與負(fù)載慣量(Ja)成正比；額定功率（Pe）與負(fù)載慣量(Ja)成正比；即：
Me = C2 * Ja
Pe = C3 * Ja
其中， C2 、C3 為比例常數(shù)，與橫切機(jī)結(jié)構(gòu)及負(fù)載速度等相關(guān)。
顯然，當(dāng)負(fù)載速度（即紙板進(jìn)給速度）確定后，由刀輥系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)、聯(lián)軸器、電機(jī)轉(zhuǎn)子等4部分構(gòu)成的慣量分布成比例地確定了其驅(qū)動電機(jī)輸出力矩或功率使用量分布。
“直聯(lián)”和“直驅(qū)”是發(fā)展方向
瓦楞紙電腦橫切機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，如上所述，合理選擇刀輥系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)、聯(lián)軸器、電機(jī)轉(zhuǎn)子等慣量的分布既可以保證系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度，又可保證系統(tǒng)功率消耗足夠小，可以定義系統(tǒng)“功率有效利用率”指標(biāo)來定量評價。
系統(tǒng)“功率有效利用率”是指刀輥系統(tǒng)功率利用量占電機(jī)總輸出功率的比率（設(shè)為η），因此，刀輥系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量占負(fù)載總慣量比率愈大，則功率有效利用率愈高，即：
η = P刀/ Pa = J刀 / Ja = J刀 /（ J刀+ J齒+ J聯(lián)+ J機(jī)）
對于給定的刀輥系統(tǒng)，當(dāng)車速（即生產(chǎn)速度）一旦確定，則其功率消耗P刀是固定的，故所需電機(jī)驅(qū)動總功率為：Pa=P刀/η 。當(dāng)η愈大，則Pa 愈小。
實踐證明，機(jī)械設(shè)計時將η控制在70%~90%是合理的。
一般而言，有如下途徑可提高“功率有效利用率”：
• 盡量采用轉(zhuǎn)動慣量較小的一級齒輪傳動，如傘型齒輪，減速比要合理；
• 取消齒輪箱，采用“直聯(lián)”傳動——隨著現(xiàn)代電機(jī)制造水平和驅(qū)動裝置控制精度的不斷提高，采用多級低速電機(jī)直接驅(qū)動兩個刀輥軸中的一個，取消齒輪箱，不僅同樣能獲得系統(tǒng)要求的剪切精度，而且能夠達(dá)到更高的機(jī)械速度（可達(dá)到280米/分鐘車速），同時也大幅度地提高了系統(tǒng)“功率有效利用率”。一般說來，當(dāng)生產(chǎn)速度不超過280米/分鐘時都可以采用“直聯(lián)”傳動方式；當(dāng)超過此車速時，由于兩個刀輥軸間的齒輪間隙所帶來的剪切誤差已不可忽略，建議采用如下的“直驅(qū)”方案。
• 取消所有齒輪，采用“直驅(qū)”傳動，也稱無軸傳動——在上述“直聯(lián)”傳動的基礎(chǔ)上，采用兩套多級低速電機(jī)分別直接驅(qū)動兩個刀輥軸，利用高性能驅(qū)動裝置的同步跟蹤功能，不僅能獲得更高的剪切精度，而且能夠達(dá)到更高的機(jī)械速度（大于280米/分鐘車速，如400米/分鐘），同時也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)“功率有效利用率”η。一般說來，當(dāng)生產(chǎn)速度超過280米/分鐘時，建議采用“直驅(qū)”方案。
在過去的許多實際應(yīng)用中，很多機(jī)械設(shè)備制造商過多地考慮了安裝因素，不恰當(dāng)?shù)丶哟簖X輪傳動鏈（如增加多級中間過度齒輪），或增加聯(lián)軸器長度等，使刀輥系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量占負(fù)載總慣量比率大幅度降低，甚至低于20%，從而導(dǎo)致過大的電機(jī)總功率，顯然是不合理的。根據(jù)目前國內(nèi)外瓦楞紙電腦橫切機(jī)應(yīng)用情況和國內(nèi)機(jī)械制造水平，“直聯(lián)”傳動方式應(yīng)大力推廣，是當(dāng)前國內(nèi)的發(fā)展方向；在高端應(yīng)用領(lǐng)域，“直驅(qū)”傳動方式也不應(yīng)忽略。
控制方案及控制算法
一旦確定了橫切機(jī)尺寸、傳動方式及車速等，就可以確定控制系統(tǒng)的解決方案——即控制方案及控制算法。解決方案的微小差異往往會帶來性能價格比較大的差別。
【控制方案】目前國內(nèi)比較流行的控制方案有如下幾種：
(1) HMI界面+運(yùn)動控制器+直流調(diào)速裝置+直流電機(jī)
(2) HMI界面+運(yùn)動控制器+交流變頻調(diào)速裝置+交流變頻電機(jī)
(3) HMI界面+運(yùn)動控制器+交流伺服驅(qū)動裝置+交流伺服電機(jī)
(4) HMI界面+運(yùn)動控制嵌入式交流伺服驅(qū)動裝置+交流伺服電機(jī)
一般說來，方案(1)由于維護(hù)工作量大、功耗高而逐漸被市場淘汰；
方案(2)由于交流變頻電機(jī)在低速時扭矩小且不穩(wěn)定而導(dǎo)致較大的剪切誤差，只能面向低端用戶；
方案(3) 和方案(4)是目前比較流行的方案，但方案(3)存在著“運(yùn)動控制器”與“交流伺服驅(qū)動裝置”相互匹配的問題，匹配不好不僅影響系統(tǒng)的可靠性，而且還會導(dǎo)致較大的剪切誤差，因此各廠家的技術(shù)指標(biāo)水平也參差不齊，即使是同一廠家并且是同一種控制方案，各產(chǎn)品的性能也有差異；
方案(4)不存在方案(3)的缺陷，但目前價格還較貴。
方案(3) 和方案(4)也代表了今后的發(fā)展方向。
【控制算法】控制算法是解決方案的核心和精髓，好的控制算法在保證裁剪精度的情況下有效降低能耗和動力設(shè)備——電機(jī)及其驅(qū)動裝置容量，從而能有效地提高系統(tǒng)的性能價格比?！斑\(yùn)動控制器”是控制算法的載體，優(yōu)秀的“運(yùn)動控制器”是控制算法能夠完美實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)；目前用于瓦楞紙橫切機(jī)的“運(yùn)動控制器”有如下幾種形式：
• 專用運(yùn)動控制卡或控制器，如：MKS公司的CT150，TRIO的MC202、MC204等，mikipulley公司的SPC-007等等；
• 通用或?qū)Ｓ肞LC，如：西門子(SIEMENS)S7-317T等等；
• 單片機(jī)，如：Intel8031、Intel8096、TMS320系列DSP等等；
• 嵌入到交流伺服驅(qū)動裝置的運(yùn)動控制功能塊或功能卡，如：西門子(SIEMENS)交流伺服裝置的功能模塊、西門子(SIEMENS)輪切控制卡等等。
基于不同的“運(yùn)動控制器”，控制算法不盡相同，從而導(dǎo)致了產(chǎn)品最終能耗的差異，性能也千差萬別。
據(jù)相關(guān)企業(yè)的深入研究，若采用西門子（SIEMENS）交流伺服驅(qū)動裝置內(nèi)置的功能模塊，可以實現(xiàn)一種能耗極低的運(yùn)動控制算法。由該算法可以推導(dǎo)出，對單一慣性負(fù)載來說，驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（ne）與負(fù)載速度(V)成正比，與負(fù)載慣量(Ja)無關(guān)；額定轉(zhuǎn)矩（Me）與負(fù)載速度(V)的平方成正比，與負(fù)載慣量(Ja)成正比；額定功率（Pe）與負(fù)載速度(V)的立方成正比，與負(fù)載慣量(Ja)成正比；即：
Ne = K1 * V
Me = K2 * V2 * Ja
Pe = K3 * V3 * Ja
其中，K1 、 K2 、K3 為比例常數(shù)。
可以證明，由上述各式計算結(jié)果所選擇的驅(qū)動電機(jī)容量非常小，從而大幅度降低耗能，給用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
特殊功能
在實際應(yīng)用中，優(yōu)化的“橫切機(jī)交流伺服電腦控制系統(tǒng)”除了保證精度、速度等基本裁剪功能外，同時具備了如下特殊功能。
• 全自動無廢紙換單；
• 切長精度的標(biāo)定；
• 紙板加減速切長動態(tài)補(bǔ)償；
• 帶標(biāo)識裁剪；
• 系統(tǒng)開放，可以方便與其他廠商設(shè)備（特別是生管系統(tǒng)）接口互聯(lián)；
應(yīng)用實例
按照“HMI界面+運(yùn)動控制嵌入式交流伺服驅(qū)動裝置+交流伺服電機(jī)”控制方案，采用西門子(SIEMENS)交流伺服驅(qū)動裝置及內(nèi)置的運(yùn)動控制功能模塊，可以實現(xiàn)耗能極小的最優(yōu)控制算法，取得了良好的應(yīng)用業(yè)績。
實例一、欣龍集團(tuán)：螺旋刀雙刀系統(tǒng) 設(shè)備基本配置及要求：
•&NBSP生產(chǎn)速度(V0)：180m/min；（注：車速：200m/m）。
•&NBSP切紙范圍：[350mm，9999mm]。
•&NBSP刀刃工藝周長(L)：801mm(考慮吃刀深度)。
•&NBSP幅寬：2200mm。
•&NBSP輪刀中心角：28.5°。
•&NBSP電機(jī)/輪刀輥減速比：（51/40）*（42/33）≈1.6227。（兩級減速）
•&NBSP紙速測速輪直徑：160mm。
•&NBSP在穩(wěn)速時切紙精度±0.5mm，動態(tài)時為±1mm。
•&NBSP電機(jī)功率：20.5KW。
•&NBSP驅(qū)動裝置容量：30KW。
•&NBSP基本實現(xiàn)了用戶所要求的各種功能，系統(tǒng)正常投運(yùn)。
實例二、新王龍集團(tuán)：高、低刀直刀雙刀系統(tǒng) 設(shè)備基本配置及要求：
•&NBSP生產(chǎn)速度(V0)：180m/min；（注：車速：200m/min）。
•&NBSP切紙范圍：[350mm，9999mm]。
•&NBSP刀刃工藝周長(L)：942mm(考慮吃刀深度)。
•&NBSP幅寬：1800mm。
•&NBSP輪刀中心角：2°。
•&NBSP電機(jī)/輪刀輥減速比：(51/25)*(50/17)≈5.88。（兩級減速+兩級過度齒輪）
•&NBSP紙速測速輪直徑：265mm。
•&NBSP在穩(wěn)速時切紙精度±0.5mm，動態(tài)時為±1mm。
•&NBSP電機(jī)功率：28KW。
•&NBSP驅(qū)動裝置容量：30KW。
•&NBSP基本實現(xiàn)了用戶所要求的各種功能，系統(tǒng)正常投運(yùn)。
轉(zhuǎn)載自：全球瓦楞工業(yè)
