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-Bewegungsregler ausgewählt. 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 Marktchance 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 unterteilt, mit Längen von 385 mm bis 550 mm. Die Auslegungsgeschwindigkeit beträgt 200 m/min, der Produktionszyklus 400 Stück/min, die installierte Leistung 260 kW und die Genauigkeit ±1 mm. Das Getriebe- und Steuerungssystem der Maschine verwendet Mitsubishi-Wechselrichter, Servoverstärker und die Bewegungssteuerungen Q02HPLC, Q173CPU und Q172CPU. 2. Systemhardware-Zusammensetzung 2.1 Hauptprozesse 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 sind die Komponenten wie folgt: 2.1.1 Abwickelvorrichtung ① Abwickeln von Vliesstoff ② Abwickeln von Toilettenpapier ③ Abwickeln des elastischen Taillenbundes ④ Abwickeln der Bodenfolie ⑤ Abwickeln des vorderen Klebebandes ⑥ Abwickeln von Vliesstoff ⑦ Abwickeln des Verbundbandes ⑧ Abwickeln des Trägervliesstoffs 2.1.2 Schneidwerkzeugbaugruppe ① Baumwollkernschneider ② Gummibundschneider ③ Vorderklebebandschneider ④ Verbundbandschneider ⑤ Kantenformschneider ⑥ Endformschneider 2.1.3 Verbundwalze und Druckwalze ① Baumwollkern-Prägewalze ② Dreistern-Druckwalze 1 ③ Dreistern-Druckwalze 2 ④ Dreistern-Druckwalze ⑤ Verbundwalze für Vliesstoff, Toilettenpapier und Baumwollkern ⑥ Verbundwalze für Vliesstoff und elastischen Bund ⑦ Verbundwalze für vorderes Klebeband und Bodenfolie ⑧ Die linke und rechte Verbundwalzen-Abwickelvorrichtung transportiert nacheinander verschiedene Materialien für die Windelproduktion zur Hauptverarbeitungslinie. Die Schneidwalze schneidet die Materialien entsprechend den Produktspezifikationen in verschiedene Formen und Größen. Das Windelprodukt wird anschließend von der Verbundwalze, der Druckwalze und dem abschließenden Schneidmesser verarbeitet. Abschließend wird es gefaltet, gestapelt und in Beutel verpackt. Abbildung 1: Prozessablaufdiagramm 2: Systemhardwarekonfiguration 2.2 Hardwarezusammensetzung Die Abwickelvorrichtung des Systems verwendet einen Mitsubishi FR-540E Frequenzumrichter für die Kraftübertragung; die Schneidwalze, die Verbundwalze, die Druckwalze und die Förderwalze verwenden Mitsubishi J2S-B Servomotoren. Die Basisautomatisierung erfolgt über ein Multi-CPU-System mit den Bewegungssteuerungen Q02HPLC, Q173 und Q172CPU. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle verwendet ein Mitsubishi GOT985 für die Parametereinstellung, Systemüberwachung, den 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 Abwickelvorrichtungen arbeiten unabhängig voneinander, wobei jeweils zwei Vorrichtungen eine Gruppe für den automatischen Materialwechsel mit konstanter Spannung bilden. Die Phasen der sechs Schneidwalzensätze müssen exakt übereinstimmen. Die Umfangsgeschwindigkeiten der acht Sätze Verbundwalzen, Press-/Zugwalzen und Förderwalzen müssen identisch sein. Die Positionssteuerung der Verpackungsanlage und der Spannungsregelungszyklus der Abwickelvorrichtungen müssen aufeinander abgestimmt sein, um Produktkonsistenz, Wiederholgenauigkeit und Präzision zu gewährleisten. Diese Anlage integriert Phasen-, Geschwindigkeits-, Positions- und Spannungsregelung. 2.3 Q-Motion Q173 und Q172 sind verbesserte Versionen der Bewegungssteuerungen der A-Serie. Der Q173 steuert 32 Achsen, der Q172 8 Achsen. Die Programmausführungszeit (SV22 4 Achsen) beträgt nur 0,88 ms, also ein Viertel der vorherigen Zeit. Die CPU-Einheiten Q173 und Q172 verfügen über 64-Bit-RISC-Prozessoren für Bewegungssteuerung und Ereignisverarbeitung und ermöglichen so schnelle und präzise Berechnungen sowie die Kommunikation großer Datenmengen. Sie bieten vielfältige Bewegungssteuerungsfunktionen wie Mehrachseninterpolation, Drehzahlregelung, Kurvenformung und Bahnsteuerung. Der SSCNT-Servobus bietet eine Übertragungsgeschwindigkeit von 5,6 Mbit/s und eine Übertragungszeit von 0,88 ms und gewährleistet so Synchronisationsgenauigkeit und präzise Drehzahl-/Positionsregelung. Q173 und Q172 sind mit der SPS-CPU der MELSEC-Q-Serie für die sequentielle Hochgeschwindigkeits-Programmverarbeitung kompatibel. Die Q02HCPU ist die Hauptsteuerungs-CPU für Multi-CPU-Systeme. Systemsoftware: SV13 (Getriebemontage-Software): 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, Förderanlagen, Sprühanlagen, Schweißanlagen, Spritzgießmaschinen und Bestückungsautomaten. SV22 (Automatische Maschinen-Software): Erweitert die Funktionen von SV13 um Mehrachsen-Synchronsteuerung, Nockensteuerung, Ziehsteuerung, elektronische Achsen und elektronische Kupplungen. Geeignet für Druckmaschinen, Papiermaschinen, Lebensmittelverarbeitungsmaschinen, Spinnmaschinen und Textilmaschinen. CAMP (Nocken-Software): Erzeugt Nockenlaufkurven oder Freikurven. Implementiert Bahn- und Phasensteuerung. Die Synchron-Encoder-Funktion ermöglicht Mehrachsen-Synchronsteuerung 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 unterstützende mechanische Sprache für die visuelle Programmierung. Motion SFC beschreibt den Prozess in Form eines Flussdiagramms, das den mechanischen Aktionsschritten folgt und so die Erstellung von Prozesssteuerungsprogrammen vereinfacht. Die unterstützende mechanische Sprache implementiert Hardwareaktionen wie Spindeln, Zahnräder, Kupplungen und Nocken über Softwaremodule. Diese Module lassen sich frei kombinieren, um das Programmdesign der mechanischen Sprache im virtuellen Modus 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; synchrone Steuerung, Systemkorrektur, lineare Geschwindigkeitsregelung der Verbundwalzen (Press-/Zugwalze) und Phasensteuerung der Schneidwalze werden mit der unterstützenden mechanischen Sprache programmiert; die Spannungsregelung der Abwickelvorrichtung wird mittels Kontaktplan (KOP) durch die Q02HCPU programmiert. 3.1 Synchronisationssteuerung Abbildung 3 zeigt das Synchronisationssteuerungsprogramm für die Windelproduktionslinie. Ein virtueller Servomotor treibt Walzen oder Nocken über eine virtuelle Spindel, Zahnräder, Kupplungen und ein Differenzialgetriebe an. Die Walzen repräsentieren Verbundwalzen, Press-/Zugwalzen oder Förderwalzen, während die Nocken Schneidwalzen darstellen. Dreißig Kupplungen werden von einem einzigen Softwareelement gesteuert. Sobald der virtuelle Servomotor mit einer bestimmten Drehzahl anläuft, überträgt die virtuelle Spindel die Impulsanzahl und -frequenz an die Schneidwalzen, Verbundwalzen, Press-/Zugwalzen und Förderwalzen, sodass diese synchron mit der vorgesehenen Drehzahl laufen. (Aus Platzgründen wurde nur der 14-Achs-Servo nachgebildet.) Abbildung 4 Nockenkurve 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 mittels Endschalter Die Nullpunktrückführung, d. h. die Korrektur des mechanischen und elektrischen Systems, ist entscheidend für die Phasen- und Positionsregelung. Die Wahl der geeigneten Methode gewährleistet die Genauigkeit der Systemsteuerung. Dieses System verwendet die Dateneinstellungsmethode für die Nullpunktrückführung. Bewegen Sie das geregelte Objekt mithilfe der JOG-Funktion manuell an den gewünschten Punkt und starten Sie anschließend die Nullpunktrückführung. Das Positioniersystem der Verpackungsanlage verwendet einen Absolutwertgeber. Obwohl die Bedienung etwas umständlich ist, kann die Maschine einmalig justiert werden. 3.2.2 Systemeinstellung Wenn alle Achsen der Windelverarbeitungslinie aus dem Stillstand auf ihre Nenndrehzahl beschleunigen oder von einem stationären Zustand (Drehzahl) in einen anderen übergehen, d. h. die dynamischen Drehzahlkurven inkonsistent sind, kann es zu Fehlausrichtungen zwischen den Schneidwalzen kommen. Außerdem kann es zu Materialansammlungen oder Schlupf zwischen den Verbundwalzen und den Press-/Zugwalzen kommen. Daher erfordert die Einstellung der Verstärkungs- und Integrationsparameter jeder Servoachse nicht nur eine schnelle Reaktion, sondern auch vollständig konsistente Übergangskurven. 3.3 Lineare Drehzahlregelung von Verbundwalzen und Press-/Zugwalzen 3.3.1 Kompensation von Walzendurchmesserabweichungen Insgesamt gibt es 24 Verbundwalzen, Press-/Zugwalzen und Förderwalzen. Aufgrund positiver und negativer Toleranzen bei der Bearbeitung des Walzendurchmessers führen die unterschiedlichen Umfänge der einzelnen Achsen, obwohl die verwendeten Walzen innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs liegen, zu inkonsistenten Lineargeschwindigkeiten bei gleicher Drehzahl. Dadurch werden die Anforderungen an die Regelgenauigkeit nicht erfüllt. Eine Korrektur ist erforderlich. 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 die gleiche Umfangsgeschwindigkeit erreichen. Die Getriebesteuerung und das Differenzialgetriebe können offline oder online eingestellt werden. Bei der Getriebesteuerung wird das Getriebe an den Walzenstrang angeschlossen, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes als Variable festgelegt und das Übersetzungsverhältnis jeder Walze so angepasst, dass die Umfangsgeschwindigkeit gleich bleibt. Bei der Differenzialsteuerung wird das Differenzialgetriebe ebenfalls an den Walzenstrang angeschlossen und ein virtueller Hilfsservomotor auf der Differenzialgetriebeseite hinzugefügt, um die Walzengeschwindigkeit zu korrigieren. Dieses System nutzt die Getriebesteuerung. Unter der Annahme, dass die erforderlichen Umfangsgeschwindigkeiten für alle 24-achsigen Walzen gleich sind, wobei die Durchmesser von Φ1 bis Φ2 ansteigen (von klein nach groß): Φ3………………Φ24, und bei Verwendung von Drehzahlwechslern im virtuellen Modus ergeben sich folgende Übersetzungsverhältnisse: K1, K2, K3………………K24, wobei: K1 = 10000; Kn = (Φ1/Φn) * 10000 (n = 2–24). 3.3.2 Mikrospannungsregelung von Verbundwalzen und Press-/Zugwalzen: In der Windelproduktion werden verschiedene Materialien verarbeitet. Nur durch die Vermeidung von Schlupf und Materialansammlungen während der Verarbeitung kann ein gleichmäßiger Materialtransport und somit eine hohe Produktgenauigkeit gewährleistet werden. Daher wird eine Mikrospannungsregelung eingesetzt, d. h. durch Hinzufügen einer kleinen Drehzahldifferenz ΔV zwischen den Walzen, um das zu verarbeitende Material straff zu halten und so Materialansammlungen und Schlupf zu verhindern. Die Verbundwalzen und Press-/Zugwalzen in Vorwärtsrichtung der Materialbearbeitung seien: φ1, φ2, φ3………………φ24. Die zugehörigen linearen Geschwindigkeiten der einzelnen Walzen 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 Freilaufkurve ausgeführt. Ein Zyklus entspricht 360°, was einer Umdrehung der Schneidwalze entspricht. Die Kurvenkurve ist in Abbildung 4 dargestellt. 3.4.1 Kompensation von Lastsprüngen: Die Schneidwalzen sind Lastsprüngen ausgesetzt. Beim Erreichen der Schneidposition ändert sich die Last sprunghaft, und die Motordrehzahl sinkt kurzzeitig ab (siehe Abbildung 5). Abbildung 5: Unkompensierter Sollwert und Ansprechverhalten. Abbildung 6: Kompensierter Sollwert und Ansprechverhalten. Abbildung 7: Hilfswellenkorrektursystem: Da die Belastungsrate jeder Schneidwalze unterschiedlich ist, unterscheiden sich auch die Amplitude des Drehzahlabfalls und die Erholungszeit beim 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 in Abbildung 6 dargestellten Drehzahlkurve wird die Nockenkurve so eingestellt, dass die durch Lastsprünge verursachten Drehzahlschwankungen ausgeglichen werden. Bei zu hoher Motorleistung, geringer Belastungsrate oder einem hohen Trägheitsmoment des Systems werden die durch die Lastsprünge verursachten Drehzahlschwankungen ebenfalls reduziert oder auf den zulässigen Genauigkeitsbereich gesenkt. 3.4.2 Funktion zur Anpassung zufälliger Störungen: Spannungsschwankungen im Stromnetz, elektromagnetische Feldstörungen und ungleichmäßiges Bearbeitungsmaterial verursachen während des Bewegungsvorgangs zufällige Störungen an den Schneidwalzen und somit Phasenverschiebungen in den einzelnen Walzen. 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. 4. Fazit: Der Mitsubishi Motion Controller ist eine automatische Steuerungsplattform, die Kommunikation, Positions-, Geschwindigkeits- und Spannungsregelung integriert. Die einfache, intuitive und ansprechende Programmierung ermöglicht es Automatisierungsexperten aller Erfahrungsstufen, sich schnell einzuarbeiten und die Software anzuwenden. Umfangreiche Steuerungsfunktionen, hochauflösende Systeme und schnelle Reaktionszeiten erfüllen die Anforderungen der Produktionsprozesse verschiedenster Maschinen.