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　　貝加萊mappWebHandling是專門針對材料卷取控制而開發的模塊，也是基于貝加萊在印刷、包裝、塑料、紡織等工業裝備領域的豐富知識積累而開發的標準化模塊，針對印刷、塑料材料、包裝等生產場景，有效地提高了材料傳輸的穩定性與精準性，確保了工藝質量的高品質。

　　文/貝加萊工業自動化(中國)有限公司

　　在印刷、包裝、塑料、紡織等多個領域，都涉及到針對卷料的處理，包括印刷中紙張/薄膜的收放料;塑料薄膜的擠出、吹膜、分切;包裝的卷材放卷、裁切;紡織機械的纖維加捻、經編等多種生產場景，都存在著較多的卷筒料的處理工藝(圖1)。

　　圖1 卷材處理的場景

　　在卷料處理工藝中常見的問題，如圖2所示：

　　l 加速過程：對于卷料而言，在其升降速期間，加速度使得機械部件產生彈性形變以及負載慣量產生的阻力，均會影響材料輸送的品質，也會影響后續的加工品質;

　　l 軸同步：所有軸的精確速度同步是材料張力穩定的關鍵，而張力穩定對于印刷、包裝加工是基礎保障;

　　l 未知的卷徑：持續變化的卷徑估算精度決定了速度的同步精度，進而影響到張力控制的精度;

　　l 變慣量系統：隨著料卷的直徑變化，整個材料的物理重量也在發生變化，這使得傳動系統的負載慣量會跟著發生變化;

　　l 不均勻纏繞：材料進入生產前的卷材并不能穩定且均勻地被收卷，造成內陷或蝴蝶型缺陷;

　　l 死區時間：對于不同材料的死區時間必須得到有效補償;

　　l 材料打滑：在運動過程中的打滑，也會影響放卷/收料的穩定性;另外，材料本身的參數變化、噪音信號、色標檢測、過程同步等等，都會影響整個材料的卷取控制，進而影響到工藝品質與效率。

　　圖2 在卷取控制中常見的問題

　　貝加萊mappWebHandling是專門針對這些材料的卷取控制而開發的模塊，也是基于貝加萊在印刷、包裝、塑料、紡織等工業裝備領域的豐富知識積累而開發的標準化模塊。

　　1 卷料控制的整體思想

　　在卷料的處理中，必須將其納入到整個機器的控制中，因為除了放卷和收卷，也需要對材料的裁印刷、烘干、裁切等工藝進行協作。如圖3所示，從機器的設計視角，機器由多個最小的機電單元、工藝處理軟件、狀態驅動下的協作所構成。最小機電單元如放卷軸由軸芯和材料形成的卷所構成，連接減速器、伺服電機、驅動器、傳感器，組成最小的機電單元，而機器則是在放卷、牽引、印刷、裁切、烘干、收卷中由多個機電單元所構成。這些單元通過運動控制的狀態、控制系統的狀態進行協作，經由控制器進行統一的通信、調度，以實現高速的穩定運行。

　　圖3 模塊劃分與群組處理

　　材料在整個機器的不同區域中分別處于不同的控制狀態，放卷卷徑在不斷變小、而收卷則在變大，而輸送過程則需要實現速度和位置同步關系，以及裁切中的電子凸輪關系……因此，材料的處理必須根據這些變化而進行模塊化設計，貝加萊mappWebHandling則由卷徑計算、張力控制、速度控制等構成，并與色標檢測、套色、裁切等工藝協作，共同實現機器的整體控制，如圖4所示。

　　圖4 局部與整體的規劃設計

　　如圖5所示，一個典型的場景就是印刷控制，包括放卷、牽引、輸送、收卷。通常被劃分為多個張力區，在區域內實現穩定的張力控制的同時，也要考慮多區域之間的影響，進行解耦控制。

　　圖5 張力機電控制模式

　　卷材處理的場景通常是多樣性的，例如：卷筒印刷機屬于放卷-收卷模式;鋰電圓柱電池屬于多種材料放卷-單一收卷;分切屬于單個放卷-多個收卷;紙張模切有放卷-加裁切-無收卷……因此，在現實的機器控制中，也存在著多種機械模式和采樣模式的卷料控制需求。

　　圖6 支持多種張力控制模式

　　如圖6所示，mapp模塊針對各種場景，如驅動內電流控制的扭矩控制模式，以及采用張力傳感器的閉環檢測，通過擺輥位置/角度檢測的擺輥定位控制，適應各種張力控制的場景使用要求，如卷對卷(R2R)、多卷復合、流延收卷、分切等多種卷料的機械結構和處理模式。

　　2 材料處理工藝

　　對于卷材的卷徑計算，mapp模塊中有針對卷徑的計算及LQ濾波——這樣可以讓卷徑更為平滑，由驅動系統進行處理。另外，通過扭矩前饋也可以提高高速收放卷的響應能力——更快地處理在升降速情況下的同步性。隨著卷徑變化、負載變化，系統具有自適應的速度控制能力，如圖7所示。

　　圖7 多種材料張力模式

　　3 色標檢測與處理

　　在一些材料的處理中，也包括了色標檢測信號的處理，除了印刷需要套色，在包裝的熱封、裁切;紙張的裁單張/模切;包裝貼標中的放卷/射標等應用場景中，都會牽涉到色標信號的檢測與裁切處理。

　　圖8 色標檢測直接進入ACOPOS P3的觸發信號輸入端

　　如圖8所示，貝加萊ACOPOS P3的Trigger信號輸入端可以直接接入數字量的色標傳感器，并直接在驅動器內進行同步計算，這種在驅動器內的直接同步計算，會大幅提高系統的響應速度。這與大部分市面上驅動器將信號接到PLC的I/O上，并由PLC循環來進行同步的模式相比，具有更高的響應能力，也能夠確保高速和高精度的裁切能力。

　　4 材料工藝處理

　　除了整體控制、張力模式控制、色標配合之外，在材料處理中，還需要考慮以下幾個關鍵點：

　　(1)干擾信號濾波處理

　　在材料控制模型中，如圖9所示，對于材料的控制閉環而言，其信號的干擾會影響控制的調節效果，不利于調節穩定，因為PID調節通常會帶來超調，而采用輸入端的卡爾曼濾波會降低這些不必要的信號擾動，進而使得系統更為穩定。

　　另外，由于磨損帶來的模型與現實的偏差，也可以通過信號的采樣處理來彌補。

　　圖9 干擾信號濾波處理

　　(2)斷料檢測與處理

　　材料的斷裂會對整個工藝過程帶來較大的影響，甚至會造成設備的損壞，因此，必須能夠及時檢測到這種斷裂的潛在風險，如圖10所示。

　　通過擺輥、電機轉矩的異常，斷裂是可以被識別的——這樣就可以在控制過程中進行相應的處理，例如，同步的減速或停機處理。

　　圖10 材料斷裂檢測

　　(3)收料張力錐度處理

　　對于卷料的各層來說，隨著越向軸心的壓力則會越大，其表面壓力為0，這種壓力差會導致材料的打滑，這對于放卷和收卷都會造成不穩定性，如圖11所示。

　　在收卷過程控制中，隨著卷徑的變化，可以通過張力的降低來獲得更為柔順的材料收卷。

　　圖11材料的打滑處理

　　5 總結

　　綜上所述，貝加萊mappWebHandling模塊的優點包括：

　　(1)易于調試

　　采用高內聚低耦合的模塊化思想，mappWebHandling能夠針對各種卷取模式、傳感器采樣方式、工藝場景等進行建模、開發，具有高度的功能適應性，易于調試。

　　(2)品質控制

　　針對印刷、塑料材料、包裝等生產場景，有效地提高了材料傳輸的穩定性與精準性，確保了工藝質量的高品質。

　　圖12 mappWebHandling模塊的優點

　　(3)平滑與高效的機器運行

　　在材料換卷、工藝參數調整后，運動控制的軟硬件系統同樣能夠保證高速下的平滑切換。

　　(4)集成仿真

　　通過對材料處理的機械、控制進行建模，能夠通過第三方軟件或內置的自動化仿真工具，進行工藝、邏輯的仿真運行以及虛擬測試。