高精度高效率裁断机的设计与实现

【摘 要】工业生产中，裁断机是一种用来冲裁各种柔性物料的加工机器，广泛应用于纺织、皮革、橡胶、汽车、地毯等行业。2011年，某电热地毯生产加工企业拟对原裁断机进行设备改造。在介绍原裁断机的组成结构及工作过程后，根据用户提出的提高加工精度和生产效率的控制要求，指出并详细分析了原裁断机的机械结构和电气控制等方面所有可能的改进之处，利用SIEMENS PLC、变频器、伺服电机、纠偏机构、脉冲编码器、HMI等电气手段，实现了控制要求，满足现阶段及未来一段时期内的产品生产加工要求。实践结果表明，新裁断机能够实现电热地毯的生产加工中对表、里面材和铝膜的精确高速裁切，有效地改善了系统的灵动性，提高了设备的加工精度和生产效率。

【关键词】精度；效率；PLC；变频器；裁断机

1.引言

设备是企业生产要素的一个重要组成部分，是企业进行生产活动的物质硬件基础，也是决定企业生产效能的重要因素之一[1]，因此可以说，设备改造是企业发展的永恒主题。要想使生产设备能够安全高效地运行，在设备有限的使用寿命内最大限度地发挥出更高的工作效率，生产出更多的合格产品，关键是设备的技术性能和加工能力要与生产相适应。

大连某加工制造企业生产的主导产品为电热地毯和书桌加热器。生产加工这两种电热产品，最基本的生产加工设备就是裁断机和热压机。裁断机主要是将这些电热产品的原材料：表面材、里面材和铝膜裁切成一定的规格，热压机用于将这些裁切后的原材料半成品和加热线进行有效的热融合。该企业现有铝膜裁断机、表里面材裁断机、二次裁断机各一台，分别定制于2000年前后，无论其规模、效率、精度还是自动化水平都处于当时的国内先进水平。经过十几年的岁月洗礼，这几台设备仍旧发挥着重要的作用。

近年来，随着生产规模的不断扩大，产品型号的不断增加，各裁断机都已经处于全天候满负荷的运转状态。另外，随着市场竞争的日益激烈，人民生活水平的不断提高，对产品质量的要求也越来越严格，原设备的裁切精度显然已经不适应现在的质量要求。鉴于此，生产企业准备以新建一台铝膜裁断机为切入点，进行所有裁断机的设备改造。

对这台全新的铝膜裁断机，厂家提出了更高的要求。他们希望，新的铝膜裁断机是在现有的裁断设备基础上进行的一个升级改造，尤其是在提高生产效率和控制裁切精度上必须做出重大改进，而不仅仅是一个简单的复制。

2.原裁断设备控制方式简介

以铝膜裁断机为例，来简单介绍原裁断设备的控制方式。

原铝膜裁断机裁切精度≤±15mm，每分钟需要裁切3刀（3张铝膜）。

铝膜裁断机由PLC控制4台电动机，分别为：牵引电机、传送电机、刀架移动电机和切刀电机[2]。

牵引电机带动两个牵引辊将铝膜撵出至工作台上。切刀电机用于控制刀片的旋转，刀架移动电机带动切断开始裁切过程。传送带电机用于将裁切下来的半成品传送至指定位置。

3.新裁断设备控制方式实施思路

3.1 新裁断机主要性能指标

通过与原有裁断设备进行比较，不难看出，新的裁断设备最大的创新之处就在于对生产效率和加工精度的更高要求。为达到这一控制目标，需要分析产品的加工工艺，借鉴国内外先进设备的设计理念，综合运用PLC、变频器、脉冲编码器等多种现代自控技术和手段，对原有设备做出重大改进的基础上，设计完成。

现将新裁断设备在机械结构和电气控制等方面的改进方式及实施思路作以简介。

3.2 提高生产效率方面改进思路

1） 进给方式

改进后的裁断机需要做到每分钟裁切6刀，同时裁出24张半成品。由于受裁切距离长度的限制，每分钟裁切6刀，已经达到最大限度，无法在裁切速度上做出进一步的提升，因此只能考虑以其他方式实现控制目标。也就是说，每次裁切过程要至少要同时完成4张原材料的裁切操作。最终经过分析讨论，决定在铝膜的进给方式上进行变革，原设备只有一个进料机构，每一次裁切进程只能进行一卷原材料的裁切，新裁断机可同时进料4卷，同时完成4张原材料的裁切，这样在保证6刀/分的前提下，就能完成每分钟24张半成品的控制目标。

2） 曳引方式

原裁断机采用两个料辊挤压的方式，将原材料挤压出来，牵引电机的转速决定了原材料的输送速度。受料辊重量、两个料辊之间的张力、摩擦力的限制，送料线速度只能达到0.2～0.3m/s，所以原裁断设备的最快裁切速度约为每分钟3刀。新裁断机要完成每分钟6刀的裁切速度，采用料辊挤压的方式显然无法实现，需要设计出一种全新的曳引方式。最终，新裁断机在曳引方式上做出了两方面的改进，一方面在裁切过程的同时进行预放料进程，可节约料辊部分挤出原材料的时间，另一方面，采用机械手抓住已经预先放置出来的原材料，进行快速曳引，这样可使裁切速度提高一倍。

3.3 提高加工精度方面改进思路

1） 变频器

变频器的使用，一方面可以提高生产效率，另一方面，也是设备加工精度的一个保障。因为在曳引终止的时候，为防止全速曳引时的惯性导致无法在正确的位置停机，需要在终止之前将就将曳引速度降下来。变频器的使用保证了设备的定位停车[3]。

2） 脉冲编码器

原裁断机对裁切距离的限制，是采用传感器的方式实现的。采用这种方式，加工精度很难做到非常精确，因为如果电机的牵引速度稍有变化，由于惯性，原材料就会偏离真正的停止线，造成裁切尺寸偏长或缩短。为了精确定位，可利用脉冲编码器实现对裁切尺寸的控制。

3） 纠偏控制器

裁断设备在向前给料时，由于行进距离较长（最长的为2700mm），会经常发生材料跑偏的现象。尤其是采用料辊挤压送料方式时，当料辊使用时间较长，表面出现不光滑、不平整，这种现象就更为突出。行进距离越长，偏差越大。料辊处的微小偏差，行进到最后就会导致很大的误差。原裁断设备是在停车位置的左、右两侧，各安放一个光电开关，只有当两个光电开关同时检测到原材料的到来时，才可以进行下一步的停车和裁切。这种方法，实际上对裁切的精度是无法准确判断和调节的。为防止这种状况，防止材料的浪费，新的裁断设备必须在这方面有所突破。新裁断机采用了纠偏控制器，主要由传感器和执行机构组成，当传感器检测到颜色/明暗度的变化后，由执行机构进行实时调整，保证原材料的进给过程中不会发生偏移，控制裁切精度。

4.新裁断设备的设计与实现

新的裁断设备采用SIEMENS S7-200 PLC进行设计，使用SIEMENS MM440变频器实现对电机的控制。系统硬件构成如图2所示：

图2系统硬件构成图

5.结语

对企业来讲，裁断设备的改造成功，一方面可以提高生产效率，使得改进后的新裁断机几乎能够满足多种产品所有型号的同时生产；另一方面，加工精度的完美控制，使产品的质量有了更大的提高，可以极大地增加产品的市场竞争力；另外，设备自动化程度的提高和各种保护功能的进一步完善，可以为企业节约人力成本（原来该岗位必须有2名工人全天在岗，现在，全新的设计能力下仅用1.5小时就可完成全天的生产任务，因此不必配备专门的操作人员）。

自2012年，该设备投入运行以来，系统运行良好，工作稳定可靠。与原裁断设备相比，不仅提高了控制精度，而且极大地提高了生产效率，并为后续的裁断设备改造奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1] 韩平.论设备管理的发展趋势及对策[J]. 科技资讯，2006，13：119-120.

[2] 陈志红. NAIS FP1系列PLC在裁断机中的应用[J]. 国内外机电一体化技术，2001，4：51-52.

[3] 孟晓芳，李策，王珏.西门子系列变频器及其工程应用[M]，北京：机械工业出版社，2008.

作者简介：

陈志红，女（1971-），辽宁朝阳人，大学本科学历，高级工程师，主要从事PLC、变频器的应用，自动化控制系统设计等工作。现为大连职业技术学院教师，研究方向为电气自动化技术。