瓦楞紙橫切機電腦控制系統作為運動控制技術在“飛剪”領域的一個應用實例，有其較特殊的復雜性，過去一直依賴整套進口，價格貴，服務不及時。近幾年來，隨著國內包裝行業的蓬勃發展，用戶對瓦楞紙板的質量和規格有了更高的要求與需求，因此對橫切機電腦控制系統提出了一些更嚴格的技術指標，如剪切精度、剪切速度、剪切范圍、設備可靠性、操作方便性等等。隨著現代控制技術特別是電力電子產品技術突飛猛進的發展，使橫切機電腦控制系統的解決方案變得“簡單易行”，目前國內有能力開發的自動化公司也不少，基本上打破了過去長期整機依賴進口的局面。
正是瓦楞紙橫切機負載的特殊性導致其電腦控制系統在控制結構、設備選型、控制算法等方面的復雜性，雖然同屬“飛剪”應用領域，但“解決方案”的差異會帶來相當大的“性能價格比”的差別。本文根據負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”的優化解決方案。
負載特征——慣性負載
一般說來，用于計算確定驅動電機力矩的負載可分為三部分：有效力矩負載、摩擦負載和慣性負載。實踐證明，瓦楞紙橫切機負載主要表現為慣性負載，約占90%，因此，橫切機控制系統設備選型、控制方案和控制算法的確定等可以僅考慮慣性負載這一基本特性，并以轉動慣量(Ja)定量表示。瓦楞紙橫切機的慣性負載又可分為刀軸系統、齒輪傳動系統、聯軸器、電機轉子等四部分，分別以J刀、J齒、 J聯、J機表示，即：
Ja = J刀+ J齒+ J聯+ J機
可以證明，對單一慣性負載來說，驅動電機的額定轉速（ne）與負載慣量(Ja)無關；額定轉矩（Me）與負載慣量(Ja)成正比；額定功率（Pe）與負載慣量(Ja)成正比；即：
Me = C2 * Ja
Pe = C3 * Ja
其中， C2 、C3 為比例常數，與橫切機結構及負載速度等相關。
顯然，當負載速度（即紙板進給速度）確定后，由刀輥系統、齒輪傳動系統、聯軸器、電機轉子等4部分構成的慣量分布成比例地確定了其驅動電機輸出力矩或功率使用量分布。
“直聯”和“直驅”是發展方向
瓦楞紙電腦橫切機是典型的機電一體化設備，如上所述，合理選擇刀輥系統、齒輪傳動系統、聯軸器、電機轉子等慣量的分布既可以保證系統的機械結構剛度，又可保證系統功率消耗足夠小，可以定義系統“功率有效利用率”指標來定量評價。
系統“功率有效利用率”是指刀輥系統功率利用量占電機總輸出功率的比率（設為η），因此，刀輥系統轉動慣量占負載總慣量比率愈大，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+ J機）
對于給定的刀輥系統，當車速（即生產速度）一旦確定，則其功率消耗P刀是固定的，故所需電機驅動總功率為：Pa=P刀/η 。當η愈大，則Pa 愈小。
實踐證明，機械設計時將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”傳動——隨著現代電機制造水平和驅動裝置控制精度的不斷提高，采用多級低速電機直接驅動兩個刀輥軸中的一個，取消齒輪箱，不僅同樣能獲得系統要求的剪切精度，而且能夠達到更高的機械速度（可達到280米/分鐘車速），同時也大幅度地提高了系統“功率有效利用率”。一般說來，當生產速度不超過280米/分鐘時都可以采用“直聯”傳動方式；當超過此車速時，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”方案。
• 取消所有齒輪，采用“直驅”傳動，也稱無軸傳動——在上述“直聯”傳動的基礎上，采用兩套多級低速電機分別直接驅動兩個刀輥軸，利用高性能驅動裝置的同步跟蹤功能，不僅能獲得更高的剪切精度，而且能夠達到更高的機械速度（大于280米/分鐘車速，如400米/分鐘），同時也進一步提高了系統“功率有效利用率”η。一般說來，當生產速度超過280米/分鐘時，建議采用“直驅”方案。
在過去的許多實際應用中，很多機械設備制造商過多地考慮了安裝因素，不恰當地加大齒輪傳動鏈（如增加多級中間過度齒輪），或增加聯軸器長度等，使刀輥系統轉動慣量占負載總慣量比率大幅度降低，甚至低于20%，從而導致過大的電機總功率，顯然是不合理的。根據目前國內外瓦楞紙電腦橫切機應用情況和國內機械制造水平，“直聯”傳動方式應大力推廣，是當前國內的發展方向；在高端應用領域，“直驅”傳動方式也不應忽略。
控制方案及控制算法
一旦確定了橫切機尺寸、傳動方式及車速等，就可以確定控制系統的解決方案——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】目前國內比較流行的控制方案有如下幾種：
(1) HMI界面+運動控制器+直流調速裝置+直流電機
(2) HMI界面+運動控制器+交流變頻調速裝置+交流變頻電機
(3) HMI界面+運動控制器+交流伺服驅動裝置+交流伺服電機
(4) HMI界面+運動控制嵌入式交流伺服驅動裝置+交流伺服電機
一般說來，方案(1)由于維護工作量大、功耗高而逐漸被市場淘汰；
方案(2)由于交流變頻電機在低速時扭矩小且不穩定而導致較大的剪切誤差，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“運動控制器”與“交流伺服驅動裝置”相互匹配的問題，匹配不好不僅影響系統的可靠性，而且還會導致較大的剪切誤差，因此各廠家的技術指標水平也參差不齊，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備——電機及其驅動裝置容量，從而能有效地提高系統的性能價格比?！斑\動控制器”是控制算法的載體，優秀的“運動控制器”是控制算法能夠完美實現的物質基礎；目前用于瓦楞紙橫切機的“運動控制器”有如下幾種形式：
• 專用運動控制卡或控制器，如：MKS公司的CT150，TRIO的MC202、MC204等，mikipulley公司的SPC-007等等；
• 通用或專用PLC，如：西門子(SIEMENS)S7-317T等等；
• 單片機，如：Intel8031、Intel8096、TMS320系列DSP等等；
• 嵌入到交流伺服驅動裝置的運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“運動控制器”，控制算法不盡相同，從而導致了產品最終能耗的差異，性能也千差萬別。
據相關企業的深入研究，若采用西門子（SIEMENS）交流伺服驅動裝置內置的功能模塊，可以實現一種能耗極低的運動控制算法。由該算法可以推導出，對單一慣性負載來說，驅動電機的額定轉速（ne）與負載速度(V)成正比，與負載慣量(Ja)無關；額定轉矩（Me）與負載速度(V)的平方成正比，與負載慣量(Ja)成正比；額定功率（Pe）與負載速度(V)的立方成正比，與負載慣量(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。
可以證明，由上述各式計算結果所選擇的驅動電機容量非常小，從而大幅度降低耗能，給用戶帶來顯著的經濟效益。
特殊功能
在實際應用中，優化的“橫切機交流伺服電腦控制系統”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；
• 切長精度的標定；
• 紙板加減速切長動態補償；
• 帶標識裁剪；
• 系統開放，可以方便與其他廠商設備（特別是生管系統）接口互聯；
應用實例
按照“HMI界面+運動控制嵌入式交流伺服驅動裝置+交流伺服電機”控制方案，采用西門子(SIEMENS)交流伺服驅動裝置及內置的運動控制功能模塊，可以實現耗能極小的最優控制算法，取得了良好的應用業績。
實例一、欣龍集團：螺旋刀雙刀系統 設備基本配置及要求：
•&NBSP生產速度(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/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在穩速時切紙精度±0.5mm，動態時為±1mm。
•&NBSP電機功率：20.5KW。
•&NBSP驅動裝置容量：30KW。
•&NBSP基本實現了用戶所要求的各種功能，系統正常投運。
實例二、新王龍集團：高、低刀直刀雙刀系統 設備基本配置及要求：
•&NBSP生產速度(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/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在穩速時切紙精度±0.5mm，動態時為±1mm。
•&NBSP電機功率：28KW。
•&NBSP驅動裝置容量：30KW。
•&NBSP基本實現了用戶所要求的各種功能，系統正常投運。
轉載自：全球瓦楞工業
