Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Hardware-Komponente und die Anwendungssoftware des automatischen Steuerungssystems für eine Windelproduktionslinie. Für die Entwicklung eines automatisierten Systems, das die Anforderungen an hochpräzise Phasen-, Geschwindigkeits-, Positions- und Spannungsregelung erfüllt, wurde ein Mitsubishi-Bewegungscontroller ausgewählt. Schlüsselwörter: Windelproduktionslinie, Mitsubishi-Bewegungscontroller, Programmierung im virtuellen Modus. 1. Einleitung: Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik und dem steigenden Lebensstandard wächst die Marktnachfrage nach Babywindeln stetig, sodass das Angebot das Angebot übersteigt. Aufgrund dieser Geschäftsmöglichkeit haben einige Anlagenhersteller, die zuvor mechanische Babywindelproduktionslinien eingesetzt haben, auf Servosteuerungssysteme umgestellt, um die Produktionseffizienz zu steigern. Andere, die zuvor Binden und Slipeinlagen produzierten, haben in die Herstellung von Babywindelproduktionslinien investiert. Ein Maschinenbauunternehmen in Südchina gehört zu dieser Gruppe. Babywindeln werden in die Größen groß, mittel und klein mit Längen von 385 mm bis 550 mm unterteilt. Die Auslegungsgeschwindigkeit beträgt 200 m/min, der Produktionszyklus 400 Stück/min, die installierte Leistung 260 kW und die Genauigkeit ±1 mm. Das Antriebs- und Steuerungssystem der Maschine verwendet Mitsubishi-Frequenzumrichter, Servoverstärker und die Bewegungssteuerungen Q02HPLC, Q173CPU und Q172CPU. 2. Systemhardware 2.1 Hauptprozess Die Hauptausrüstung der Babywindel-Produktionslinie besteht aus: 8 Abwickelvorrichtungen, 8 Verbund- und Druckwalzen, 6 Schneidwalzen sowie Falt- und Stapelvorrichtungen. Der Prozessablauf ist in Abbildung 1 dargestellt. Entsprechend ihrer spezifischen Funktionen werden sie wie folgt unterteilt: I. Abwickelvorrichtung ① Abwickeln des Führungsvlieses ② Abwickeln des Toilettenpapiers ③ Abwickeln des elastischen Taillenbundes ④ Abwickeln der Bodenfolie ⑤ Abwickeln des vorderen Klebebandes ⑥ Abwickeln des Gewebevlieses ⑦ Abwickeln des Verbundbandes ⑧ Abwickeln des Barrierevlieses II. Schneidwerkzeugbaugruppe ① Baumwollkernschneider ② Schneider für elastischen Taillenbund ③ Schneider für vorderes Klebeband ④ Schneider für Verbundband ⑤ Kantenformschneider ⑥ Endformschneider III. Verbundwalzen und Druckwalzen ① Prägewalze für Baumwollkern ② Dreistern-Druckwalze 1 ③ Dreistern-Druckwalze 2 ④ Dreistern-Druckwalze ⑤ Verbundwalze für Führungsvlies, Toilettenpapier und Baumwollkern ⑥ Verbundwalze für Stoffvlies und elastischen Bund ⑦ Verbundwalze für vorderes Klebeband und Bodenfolie ⑧ Verbundwalze für linkes und rechtes Verbundklebeband. Die Abwickelvorrichtung transportiert die verschiedenen für die Windelproduktion benötigten Materialien nacheinander zur Hauptverarbeitungslinie. Die Schneidwalze schneidet das Produkt gemäß den Spezifikationen in verschiedene Formen und Größen. Anschließend wird die Babywindel durch die Verbundwalze, die Druckwalze und das abschließende Schneidmesser weiterverarbeitet. Abschließend wird sie gefaltet, gestapelt und in Beutel verpackt. 2.2 Hardware-Systemzusammensetzung: Die Antriebseinheit der Abwickelvorrichtung verwendet einen Mitsubishi FR-540E Frequenzumrichter; die Schneidwalze, die Verbundwalze, die Druckwalze und die Förderwalze verwenden Mitsubishi J2S-B Servomotoren. Die Basisautomatisierung nutzt ein Multi-CPU-System bestehend aus den Bewegungssteuerungen Q02HPLC, Q173 und Q172. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle verwendet ein Mitsubishi GOT985 für Parametereinstellung, Systemüberwachung, Start und Stopp. Die Hardwarekonfiguration ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Q02-CPU steuert einen 17-achsigen Frequenzumrichter, die Q173-CPU einen 30-achsigen Servomotor für die Produktionsabwicklung und die Q172-CPU einen 5-achsigen Servomotor für die Verpackungsanlage. Gemäß den Prozessanforderungen müssen der 35-achsige Servomotor und der 17-achsige frequenzvariable Asynchronmotor synchronisiert sein. Sechzehn Abwickeleinheiten arbeiten unabhängig voneinander, wobei jeweils zwei Einheiten eine Gruppe für den automatischen Materialwechsel mit konstanter Spannung bilden. Die Phasen der sechs Schneidwalzensätze müssen exakt übereinstimmen; die Lineargeschwindigkeiten der acht Sätze Verbundwalzen, Press-/Zugwalzen und Förderwalzen müssen identisch sein. Die Positionssteuerung der Verpackungsanlage und die Spannungsregelung der Abwickeleinheit müssen zeitlich aufeinander abgestimmt sein, um Produktkonsistenz, Wiederholgenauigkeit und Präzision zu gewährleisten. Diese Anlage integriert Phasen-, Geschwindigkeits-, Positions- und Spannungsregelung. 2.3 Q-Motion: Die Q173 und Q172 sind Nachfolgeprodukte der A-Serie von Bewegungssteuerungen. Die Q173 steuert 32 Achsen, die Q172 8 Achsen. Der Programmausführungszyklus (SV22 4 Achsen) beträgt nur 0,88 ms, also ein Viertel der vorherigen Zeit. Die CPU-Einheiten der Q173 und Q172 verfügen über einen 64-Bit-RISC-Prozessor für Bewegungssteuerung und Ereignisverarbeitung, der schnelle und hochpräzise Berechnungen sowie die Kommunikation großer Datenmengen ermöglicht. Sie bieten vielfältige Bewegungssteuerungsfunktionen wie Mehrachseninterpolation, Geschwindigkeitsregelung, Kurvenformung und Bahnsteuerung. Der SSCNT-Servobus bietet eine Übertragungsgeschwindigkeit von 5,6 Mbit/s und einen Übertragungszyklus von 0,88 ms und gewährleistet so hohe Synchronisationsgenauigkeit sowie präzise Drehzahl- und Positionsregelung. Q173 und Q172 sind mit der SPS-CPU der MELSEC-Q-Serie für die sequentielle Hochgeschwindigkeits-Programmverarbeitung kompatibel. Die Q02HCPU ist die Haupt-CPU für Systeme mit mehreren CPUs. Systemsoftware: SV13 (Software für die Getriebemontage): Bietet Funktionen wie lineare Interpolation (1–4 Achsen), Kreisinterpolation, Spiralinterpolation, Konstantdrehzahlregelung, Vorschub mit festem Abstand, Drehzahlregelung, Drehzahlumschaltung und Drehzahl-Positions-Umschaltung. Geeignet für die Montage elektronischer Bauteile, Be- und Entlademaschinen, Lebensmittelverpackungen, XY-Tische, Förderbänder, Sprühanlagen, Schweißanlagen, Spritzgießmaschinen und Chip-Bestückungsautomaten. SV22 (Software für automatische Maschinen): Basierend auf den Funktionen von SV13 erweitert sie diese um Funktionen wie Mehrachsen-Synchronsteuerung, Kurvensteuerung, Ziehsteuerung, elektronische Achsen und elektronische Kupplungen. Geeignet für Druckmaschinen, Papiermaschinen, Lebensmittelverarbeitungsmaschinen, Spinnereien und Textilmaschinen. Die Nockensoftware CAMP erzeugt Nockenlaufkurven oder Freikurven und implementiert Bahn- und Phasensteuerung. Die synchrone Encoderfunktion ermöglicht die mehrachsige synchrone Steuerung und automatische Phasensteuerung. Die digitale Oszilloskopfunktion ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Motorinformationen wie Drehmoment, Drehzahl und Position. 3. Anwendungssoftware-Design: Q-Motion bietet zwei Steuerungsmodi: Realmodus und virtueller Modus. Die Programmierung erfolgt über die Motion SFC-Sprache (Sequential Function Chart) und eine mechanisch unterstützte Sprache für die visuelle Programmierung. Motion SFC beschreibt den Prozess in Form eines Flussdiagramms, das den mechanischen Aktionsschritten entspricht und so die Erstellung von Prozesssteuerungsprogrammen vereinfacht. Die mechanisch unterstützte Sprache implementiert Hardwareaktionen wie Spindeln, Zahnräder, Kupplungen und Nocken über Softwaremodule. Diese Module lassen sich im virtuellen Modus frei kombinieren, um das Programmdesign der mechanischen Sprache zu vervollständigen. Dies ermöglicht komplexe synchrone Steuerung, Bahnsteuerung und koordinierte Steuerung. Die Systemverriegelungsfunktion, die Justierfunktion und die Start-/Stopp-Steuerung der Windelproduktionslinie werden mit Motion SFC programmiert; die Synchronsteuerung, die Systemkorrektur, die Lineargeschwindigkeitsregelung der Verbundwalzen/Andruckwalzen und die Phasensteuerung der Schneidwalzen werden mit einer maschinengestützten Programmiersprache programmiert; die Spannungsregelung der Abwickelvorrichtung wird mittels Kontaktplan (KOP) mit der Q02HCPU programmiert. 3.1 Synchronsteuerung Das Synchronsteuerungsprogramm der Windelproduktionslinie ist in Abbildung 3 dargestellt. Das virtuelle Modusprogramm der Synchronsteuerung in Abbildung 3 verwendet einen virtuellen Servomotor, um Walzen oder Nocken über eine virtuelle Spindel mittels Zahnrädern, Kupplungen und Differenzialgetrieben/Drehzahlwechslern anzutreiben. Die Walzen repräsentieren Verbundwalzen, Andruck-/Andruckwalzen oder Förderwalzen, die Nocken repräsentieren Schneidwalzen. 30 Kupplungen werden von einem einzigen Softelement gesteuert. Sobald dieser virtuelle Servomotor mit einer bestimmten Drehzahl anläuft, werden die Anzahl der Impulse und die Impulsfrequenz über die virtuelle Spindel an die Schneidwalze, die Verbundwalze, die Andruck-/Zugwalze und die Förderwalze übertragen, sodass diese synchron mit der vorgesehenen Drehzahl laufen. (Aus Platzgründen wurde nur ein 14-Achs-Servo nachgebildet.) 3.2 Systemkorrektur 3.2.1 Nullpunktrückführung Um den Anforderungen der mechanischen Konstruktion gerecht zu werden, hat Q-Motion verschiedene Methoden entwickelt: ① Nullpunktrückführung mittels JOG-Methode ② Nullpunktrückführung mittels Zählmethode ③ Nullpunktrückführung mittels Dateneinstellungsmethode ④ Nullpunktrückführung mittels Stoppermethode ⑤ Hybride Nullpunktrückführung mit Endschalter Die Nullpunktrückführung, d. h. die Korrektur der mechanischen und elektrischen Systeme, ist der Schlüssel zur Phasen- und Positionsregelung. Die Wahl der geeigneten Nullpunktrückführungsmethode ist entscheidend für die Genauigkeit der Systemregelung. Dieses System verwendet die Dateneinstellungsmethode für die Nullpunktrückführung. Das geregelte Objekt wird manuell mit der JOG-Funktion an den gewünschten Punkt bewegt, anschließend wird die Nullpunktrückführung gestartet. Das Positioniersystem der Verpackungsanlage verwendet einen Absolutwertgeber. Obwohl die Bedienung etwas aufwendig ist, kann die Maschine einmalig justiert werden. 3.2.2 Systemjustierung Wenn alle Achsen der Windelverarbeitungslinie aus dem Stillstand auf ihre Nenndrehzahl beschleunigen oder von einem stationären Zustand (Geschwindigkeit) in einen anderen übergehen, d. h. die dynamischen Geschwindigkeitskurven nicht übereinstimmen, kommt es zu Fehlausrichtungen zwischen den Schneidwalzen. Außerdem kann es zu Materialansammlungen oder Schlupf zwischen den Verbundwalzen und den Andruck-/Zugwalzen kommen. Daher erfordert die Justierung der Verstärkungs- und Integrationsparameter jeder Servoachse nicht nur eine schnelle Reaktion, sondern auch die Gewährleistung vollständig konsistenter Übergangskurven. 3.3 Lineare Geschwindigkeitsregelung von Verbundwalzen und Andruck-/Zugwalzen 3.3.1 Kompensation von Walzendurchmesserabweichungen Insgesamt gibt es 24 Verbundwalzen, Andruck-/Zugwalzen und Förderwalzen. Aufgrund der positiven und negativen Toleranzen bei der Bearbeitung des Walzendurchmessers, obwohl die verwendeten Walzen innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs liegen, führt die unterschiedliche Umfangsgröße der einzelnen Achsen zu ungleichmäßigen Lineargeschwindigkeiten bei gleicher Achsendrehzahl. Dies erfüllt nicht die Anforderungen an die Regelungsgenauigkeit und muss korrigiert werden. Q-Motion bietet drei Methoden zur Abweichungskorrektur: ① Feste Parametereinstellung, ② Getriebesteuerung, ③ Differenzialgetriebe. Bei der festen Parametereinstellung wird der Walzendurchmesser direkt mit einem Messschieber oder anderen Messinstrumenten gemessen, der Umfang berechnet und anschließend die elektronischen Zahnräder so eingestellt, dass alle Walzen gleiche Lineargeschwindigkeiten aufweisen. Die Getriebesteuerung und die Differenzialgetriebe-Methode können offline oder online eingestellt werden. Bei der Getriebesteuerung wird das Getriebe an den Walzenstrang angeschlossen, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes als variabel eingestellt und das Übersetzungsverhältnis jeder Walze so angepasst, dass gleiche Lineargeschwindigkeiten erreicht werden. Bei der Differenzialsteuerung wird das Differenzialgetriebe an den Walzenstrang angeschlossen und ein zusätzlicher virtueller Servomotor auf der Differenzialgetriebeseite hinzugefügt, um die Walzengeschwindigkeit zu korrigieren. Dieses System arbeitet mit variabler Drehzahlregelung. Angenommen, die Durchmesser der 24-achsigen Walzen, die die gleiche lineare Geschwindigkeit erfordern, sind von klein nach groß: Φ1, Φ2, Φ3 •••••••••••• •••• •••••••••• ••••••• ••••• •••• •••• •••• Φ24. Im virtuellen Modus werden jeweils Maschinen mit variabler Drehzahl und den entsprechenden Übersetzungsverhältnissen K1, K2, K3 • •••• •••••••••••• •••••• •••• •••• K24 hinzugefügt. Dabei gilt: K1 = 10000; Kn = (Φ1/Φn) * 10000 (n = 2–24). 3.3.2 Mikrospannungsregelung: Die Verbundwalze und die Antriebsobjekte der Press-/Zugwalze bestehen aus verschiedenen Materialien, die bei der Windelproduktion verwendet werden. Nur durch die Vermeidung von Schlupf und Materialansammlungen während der Verarbeitung kann das Material mit gleichmäßiger Geschwindigkeit transportiert und somit die Produktgenauigkeit sichergestellt werden. Daher wird eine Mikrospannungsregelung angewendet, d. h. eine kleine Geschwindigkeitsdifferenz ΔV zwischen den Walzen wird eingefügt, um das zu verarbeitende Material straff zu halten und so Materialansammlungen und Schlupf zu verhindern. Seien die Verbundwalze und die Press-/Zugwalze in Materialbearbeitungsrichtung: φ1, φ2, φ3• •••• ••••••••••• ••••••• •••• •••• φ24 Die entsprechenden linearen Geschwindigkeiten jeder Walze sind: V1, V2, V3• •••• •••••••••••• •••••• •••• •••• V24 Dabei gilt: Vn - Vn+1 = ΔV (ΔV < Vn＊1‰ ～2,5‰) 3.4 Phasensteuerung der Schneidwalzen Die sechs Schneidwalzen sind als oszillierende Freilaufwalzen ausgeführt. Ein Zyklus entspricht 360°, was einer Umdrehung der Schneidwalze entspricht. Ihre Kurvenkurve ist in Abbildung 4 dargestellt. 3.4.1 Kompensation der Drehzahl bei Lastsprüngen für die Schneidwalze Die Schneidwalze erfährt eine Lastsprungbelastung. Wenn die Schneidwalze in die Schneidposition dreht, ändert sich die Last sprunghaft, und die Motordrehzahl sinkt abrupt ab (siehe Abbildung 5). Da die Laständerungsrate jeder Schneidwalze unterschiedlich ist, unterscheiden sich auch die Amplitude des Drehzahlabfalls und die Erholungszeit nach dem Erreichen der Schneidposition. Dies führt zu einer Phasenverschiebung zwischen den Schneidwalzen, die kompensiert werden muss. Die Kompensationsmethode ist in Abbildung 6 dargestellt. Basierend auf der Drehzahlkurve in Abbildung 6 wird eine Kurvenkurve eingestellt, um die durch den Lastsprung verursachte Drehzahlschwankung auszugleichen. Ist die Motorleistung zu hoch, die Laständerungsrate zu niedrig oder das Trägheitsmoment des Systems zu hoch ausgelegt, wird die durch die Lastsprungänderung verursachte Drehzahlschwankung ebenfalls reduziert oder auf den zulässigen Genauigkeitsbereich gesenkt. 3.4.2 Funktion zur Kompensation zufälliger Störungen: Spannungsschwankungen im Stromnetz, elektromagnetische Störungen und ungleichmäßiges Bearbeitungsmaterial können zufällige Störungen der sich bewegenden Schneidwalze verursachen und somit zu einer Phasenverschiebung der Schneidwalzen in den einzelnen Arbeitsgängen führen. Das System verfügt über eine Justierfunktion (siehe Abbildung 7), mit der Fehlausrichtungen manuell oder automatisch korrigiert werden können. V32 ist ein virtueller 30-Achs-Synchronantriebs-Servomotor, V1 ein virtueller 1-Achs-Hilfsantriebs-Servomotor zur Korrektur. Abbildung 7 zeigt das Hilfsachsen-Korrektursystem. 4. Fazit: Der Mitsubishi-Bewegungscontroller ist eine automatische Steuerungsplattform, die Kommunikation, Positions-, Geschwindigkeits- und Spannungsregelung integriert. Seine einfache, intuitive und gut verständliche Programmiermethode mit hoher visueller Darstellung ermöglicht es Automatisierungsexperten aller Erfahrungsstufen, sie schnell zu erlernen und anzuwenden. Die vielfältigen Steuerungsfunktionen, das hochauflösende System und die schnelle Reaktionszeit erfüllen die Anforderungen der Produktionsprozesse verschiedenster Maschinen. Kontaktinformationen des Autors: 27. Etage, Daqing-Gebäude, Chegongmiao, Futian-Bezirk, Shenzhen 518040, China. Xingdong Electromechanical Equipment (Shenzhen) Co., Ltd. (Büro) +88 755 82984458 (Mobil) +88 13632750875