自动纠偏控制装置设计研究

徐雪海++顾军

摘要：纠偏控制系统是纸张回卷机的核心部件，决定回卷后的纸卷边缘整齐程度及回卷机性能。介绍自动纠偏系统的工作原理及结构组成，使用超声波纠偏传感器，设计制造一种具有自动纠偏装置的纸张回卷机。纠偏性能测试结果表明：采用类似恒张力控制回卷机时，不要设定过大的张力。

关键词：纠偏系统；纠偏传感器；边缘检测器；回卷机

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0079-03

常见回卷机由一个放卷轴和一个收卷轴组成，边缘参差不齐的纸卷置于放卷轴，经过回卷后，在收卷轴上得到一个边缘整齐的纸卷，实现资源的再利用。整个过程中，纠偏控制系统的作用举足轻重。据不完全统计，使用纠偏系统可节约材料10%～20%。

1 回卷机的结构

回卷机设计结构如图1所示，由放卷轴、张力控制、纠偏装置和收卷轴4部分组成。

为使回卷后的纸卷边缘整齐，收卷前设计一个纠偏装置。同时，为保证回卷后的纸卷不松弛，整个回卷过程要求有一个张力控制。放卷轴和收卷轴通常采用气胀轴，由伺服电机驱动。机器大多由PLC（可编程控制）控制，高端机器采用HMI（人机界面）来操作，低端机器则由简单的电气按钮来完成操作。

2 回卷机的纠偏系统

一套典型的自动纠偏系统包括纠偏控制器、纠偏传感器、纠偏框架及驱动器，是一个典型的闭环反馈系统（如图2所示）。

2.1 纠偏传感器

首先，纠偏传感器探测纸张的边缘，读出纸张的实际位置及与设定位置的偏移量，并将偏移量转换成与之成正比的电信号，再将电信号送入控制器；信号经过控制器放大、校准后，输出至线性驱动器；线性驱动器根据信号的大小，驱动纠偏导正机构，将偏移的纸张恢复至设定位置。

传感器通常分为红外线传感器、超声波传感器和CCD（Charge Coupled Device电荷耦合器件）照相机。

2.1.1 红外线传感器 光源发出的红外线光线由透镜转换成平行光束（如图3及图4所示），再投向接收端，随后被会聚透镜投到接收端的光敏元件（光敏电阻、光电池等）上。在平行光束到达接收端的途中，部分光束受因被测纸张的遮挡而使传到光敏元件的光通量减少。

图5为用光电池作为接收端。在光电式边缘位置检测器中，光源发出的光线经透镜变为平行光束，投向会聚透镜，被会聚的光斑落到光电池E1上。在平行光束到达会聚透镜的途中，有部分光线受到被测纸张的遮挡，使到达光电池的光通量Ф减少，光电流IΦ也减小。E1，E2是相同型号的光电池，E1作为测量元件装在纸张下方，而E2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。当纸张处于正确位置（中间位置）时，由运算放大器A1、A2组成的两路光电池短路电流放大电路输出相同，即Uo1=Uo2，则比较电路A3的输出电压Uo3为零。当纸张右偏时，遮光面积减少，光电池E1的受光面积增大，输出电流增加，导致A3的输出电压Uo3为负值（它反映纸张跑偏的方向及大小）。经处理被送到伺服电机，向左推动纸张机构，达到纠偏的目的。

红外线传感器可检测纸张等不透明材料，透明薄膜建议使用超声波传感器。

2.1.2 超声波传感器 超声波传感器如图6所示，适用于透明薄膜、底片、纸张。发射端发出由振荡产生的超声波，频率可达220 kHz。在超声波发射端和接收端之间，接收器接收到未被材料阻隔的超声波部分，再经电路转换成电信号。超声波易受气流和温度变化的影响，因此精度较红外线传感器差。

2.1.3 CCD照相机 CCD照相机的最大的优点是测量范围广。CCD照相机可同时侦测多个不同材料，适用于检测材料宽度或中心校正，但成本较高。CCD照相机测量多种不同材料及测量多种相同材料的示意图分别见图7和图8。

2.2 纠偏执行结构及其工作原理

纠偏感应器监测纸张的运行，并将信号发送给控制器。控制器发现纸张有位置漂移后，根据控制者预先设定的指令，通过驱动器控制纠偏框架摆动，纠正纸张位置。其驱动系统使用低速同步、变频调速、步进及伺服电机驱动，驱动行程与卷材偏移量成严格的比例关系。

纠偏执行结构如图9所示。纸张方向经过4次90°转弯，缠绕在一对可旋转的滚轴上，旋转架的旋转点位于第一根旋转轴的中心（图9中的1点）。纠偏量等于两轴间距（又称移动跨距L2）乘以控制设备旋转α角的正弦值，即K=L2sinα。

由红外线传感器原理可知，传感器最终输出一个方向、大小变化的电压。当纸张右偏时，输出电压为负值，电压值随偏移量增大而增大，直到完全没有覆盖到任何光束；当纸张左偏时，输出电压为正值，电压值随偏移量增大而增大，直到完全覆盖整个光束。输出电压被送入控制器，信号经过控制器放大、校准后，输出至线性驱动器伺服电机，伺服电机根据信号的正负值来决定顺时针还是逆时针转动滚轴，同时伺服电机根据信号大小确定旋转幅度，最终将偏移的纸张恢复至设定位置。

3 回卷机纠偏性能测试

此次设计的回卷机主要用于背衬纸的回卷。背衬纸其中一面涂有有机硅防粘涂料，常用于标签、敷料、薄膜等粘性材料。背衬纸有透明和非透明两种，由对传感器的分析比较可知，超声波传感器（分辨率为0.1 mm）满足使用要求。因此，该回卷机的核心部件纠偏控制系统由超声波传感器和框式纠偏机构组成。

回卷机的放卷轴和收卷轴有两台伺服电机和两根气涨轴组成，整台机器由西门子PLC（可编程控制）控制，整个回卷过程有张力检测器来维持设定的纸卷张力。

为验证机器的纠偏能力，进行一系列机器纠偏性能试验，结果见表1。速度过快，在不是很大的张力控制下，回卷后的纸卷出现锥形，但纠偏纸张边缘一直处于传感器中心位置，也就是说纠偏器一直处于正常工作状态，分析是过大张力使纸卷内部挤压而出现锥形。因此，采用类似恒张力控制的回卷机时，建议不要设定过大的张力。在设计回卷机时，应根据实际情况来选择合适的纠偏控制系统及张力控制系统，才能确保获得边缘整齐的纸卷。