CN103407823A - 一种新型高精高速自动纠偏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型高精高速自动纠偏装置，包括控制系统、驱动机构、导辊托架和两根导辊，驱动机构连接导辊托架，两根导辊相对设置在导辊托架上，控制系统包括光电传感器、运放单元和单片机，单片机包括A/D转换单元和CPU；光电传感器的发射头和接收头分别对应所述导辊设置，接收头的输出端连接运放单元的输入端，运放单元的输出端连接A/D转换单元的输入端，A/D转换单元的输出端连接CPU的输入端，CPU的输出端连接驱动机构的控制端。本发明中的光电传感器和单片机具有很高的灵敏度，自动检测带材的密度分辨率可达到1/10000cm，能精确识别很薄的透明材料并进行纠偏。而且当外部偏差较大时，控制系统也能作到镇定微调，波动很小，保证采用本发明的生产线运行相对稳定。

Description

一种新型高精高速自动纠偏装置

技术领域

本发明涉及一种纠偏装置，特别是涉及一种能对带材进行纠偏的纠偏装置。

背景技术

在对包装印刷片材输送的过程中，卷材跑偏是很普遍的现象。卷材在传输过程中一般经过3个环节，即放卷、通过中间的过渡辊后进行收卷。所谓卷材跑偏是指诸如纸张、塑料等可绕性带材在运行中受到各种干扰力的作用，不能保持直线运行而使其幅宽中心线偏离基准中心线。由于带材经过的环节多，带材跑偏的机会也多，因此通常采用纠偏器对带材进行对边、对中心、对线等纠偏作业，以保证生产线正常、准确运行。

现有的纠偏器主要包括驱动机构、导辊托架和导辊。驱动机构传动连接导辊托架，导辊为两根，两根导辊相对设置在导辊托架上，且两根导辊以能绕各自的轴线自由旋转的方式设置在导辊托架上。带材串绕在两根导辊上，当带材向某一方向走偏时，通过驱动机构带动导辊托架向另一方向旋转以实现纠偏。

驱动机构主要包括旋转电机，旋转电机与导辊托架有以下两种连接方式：一种是旋转电机通过滚珠丝杆轴的直线移动（也叫直线驱动器）、配套关节轴承和连杆等机械零件，将动力传递到导辊托架，使导辊托架旋转某一个角度进行纠偏。另外一种就是旋转电机上装有同步轮，在导辊托架上也配置一个同步轮，用同步皮带将这两个同步轮连接起来，从而带动导辊托架旋转进行纠偏。

这两种传动连接方式都存在以下缺陷：1、机械零件加工量大，相对机械累积误差也大。2、多级传递机械能损毫大。3、转动有死角，常有卡死现象，因为用旋转电机推动滚珠丝杆作直线位移，也称直线驱动器，通过直线驱动使导辊托架旋转某个角度，中间要有一个力的转向过程，通过一套连杆机构和曲轴实现其力的转向，该机械运动过程会存在着拐点（死角），若惯性差时，就有可能卡死，旋转不过去。4、需配装电器行程开关，超过行程时由行程开关切断电机电源，有的还安装有机械定位挡销、强制限位等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能提高纠偏精度的新型高精高速自动纠偏装置。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种新型高精高速自动纠偏装置，包括控制系统、驱动机构、导辊托架和两根导辊，驱动机构连接导辊托架，两根导辊相对设置，且两根导辊以能对应绕各自的轴线自由旋转的方式设置在导辊托架上，还包括控制系统，控制系统包括光电传感器、运放单元和单片机，单片机包括A/D转换单元和CPU；光电传感器的发射头和接收头分别对应所述导辊设置，接收头的输出端连接运放单元的输入端，运放单元的输出端连接A/D转换单元的输入端，A/D转换单元的输出端连接CPU的输入端，CPU的输出端连接驱动机构的控制端。

所述CPU包括输出端和输入依次对应连接的透光率处理单元、自整定单元、面积处理单元、位置PID控制器和限位单元；A/D转换单元的输出端连接透光率处理单元，位置PID控制器和限位单元的相应输出端分别对应连接所述驱动机构的控制端。

所述控制系统还还包括人机介面，人机介面双向连接所述CPU。

所述驱动机构包括电机和行星减速器，电机的转轴传动连接行星减速器的输入端，行星减速器的输出轴端直接连接所述导辊托架。

一种新型高精高速自动纠偏装置，还包括U型红外支架，U型红外支架对应所述导辊设置，所述光电传感器的发射头和接收头分别对应设置在U型红外支架的U型开口的相对内壁面上。

采用上述结构后，本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置具有以下有益效果：光电传感器和单片机具有很高的灵敏度，自动检测带材的密度分辨率可达到1/10000cm；所以本发明对很薄的透明材料例如玻璃纸等也能精确识别，并进行纠偏。单片机对材质有自动检验和参数记忆功能，简便了参数设定手续，只要是同一种材料，在连续运行中自动换接料时，实现无扰动切换。而且当外部偏差较大时，控制系统也能作到镇定微调，波动很小，采用本发明的生产线运行起来相对稳定。

附图说明

图1为本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置的结构示意图；

图2A为本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置的装配示意图；

图2B为本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置的另一角度的装配示意图；

图3为本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置的分解示意图；

图4为本发明中的导辊托架的结构示意图；

图5为本发明中的控制系统的装配示意图；

图6为本发明中的驱动机构的结构示意图；

图7为本发明中的U型红外支架的结构示意图；

图8为本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置的使用状态示意图；

图9为本发明的控制系统的方块图；

图9A为本发明的PID运算流程图；

图10为本发明的闭环控制系统的方块图；

图11为本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置的控制流程图；

图12为发明中的人机介面的画面1中的功能键的布设示意图；

图13为发明中的人机介面的画面2中的功能键的布设示意图。

图中：

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1至13所示，本发明的一种新型高精高速自动纠偏装置，包括机械部分100和控制系统200。

机械部分100包括机壳110、驱动机构120、导辊托架130、导辊140和U型红外支架150。

机壳110为塑料或金属材料制成的四方型的壳体，机壳110内设置驱动机构120，机壳110顶部设置导辊托架130。

驱动机构120包括电机121和行星减速器122，电机121和行星减速器122设置在机壳11内。电机121的转轴传动连接行星减速器122的输入端，行星减速器122的输出轴向上伸出机壳110的顶壁，且此输出轴的端部通过平面滚针轴承123连接导辊托架130。平面滚针轴承123由推力保持架与滚针组成。平面滚针轴承123承受单向轴向力，在径向起游动轴承作用。平面滚针轴承123具有很小轴向截面高度。所以不占高度位置，承受导辊托架的负载，加上滚针的作用，大大减少了导辊托架旋转的磨擦力。

导辊托架130底部为平底，顶部呈弧口状，弧口的相对两侧边上分别设置导辊140。

导辊140为两根，其中一根为表面摩擦系数较大的摩擦辊141，另外一根为表面摩擦系数较小的光滑辊142。摩擦辊141和光滑辊142相互平行，且以能旋转的方式安装在导辊托架130上。

U型红外支架150呈U型，U型红外支架150设置在摩擦辊141的下方，U型红外支架150的U型开口恰好对应摩擦辊141的圆柱面的最外边沿。如图8所示，当导辊托架130摆正没有相对机壳110发生偏转时，带材1a呈竖直状态，从U型开口中穿过后向上依次绕过摩擦辊141和光滑辊142。也就是说，带材1a不偏不倚恰好能够从U型开口的中间穿过，不会太靠近U型红外支架150的U型开口的内壁。导辊托架130旋转时，光电传感器不跟着旋转。

如图9所示，控制系统200包括光电传感器210、运放单元220、单片机230和人机介面240。

光电传感器210安装在U型红外支架150上，光电传感器210的位置可粗调和细调。U型红外支架150的U型开口的相对的内壁上，分别对应设置光电传感器210的发射头和接收头。接收头的输出端连接运放单元220的输入端，运放单元220的输出端连接单片机230的输入端。单片机230主要包括A/D转换单元和CPU。A/D转换单元主要是在采样频率下采集数据并将模拟信号转化为数字信号。CPU包括输出端和输入依次对应连接的透光率处理单元、自整定单元、面积处理单元、位置PID控制器和限位单元。运放单元220的输出端连接A/D转换单元的输入端，A/D转换单元的输出端连接透光率处理单元；位置PID控制器和限位单元的相应输出端分别对应连接电机121的控制端。人机介面240通过数据总线双向连接单片机230。

其中，光电传感器210用于检测上机的带材，当带材偏离指定位置，该位置位移量（也可称之为移偏差量）由光电传感器210测得。

由于不同的带材具有不同的透光率，当光电传感器210向被测带材投射红外光源时，红外光源透过带材产生一个相应的检测光源信号，光电传感器210的接收头接收此检测光源信号，并转换成检测信号（检测0-500MV电压信号），此检测信号输送至运放单元220。

运放单元220将检测信号放大成0-10V标准信号给A/D转换单元，再将采集的D信号（数据信号）通过CPU运算放大10000倍，这样检测信号放大后利用降低AD采样检测频率、降低AD响应时间提高采样精度。这样位置精度也相应地成倍提高。那么通过CPU进行如下运算处理，使透过透明带材和不透明带材的检测信号都能够达到没有放大前的位置精度。

A/D转换单元在CPU的均匀振荡的采样频率下采集上述检测信号，此检测信号通过A/D转换单元处理后输送至CPU的透光率处理单元。

CPU中的透光率处理单元、自整定单元、面积处理单元、位置PID控制器分别进行如下运算处理。

透光率L=红外线检测总光源W-材料密度X。

透光率L通过运算放大10000倍，经过调整采样频率细分透光率L，得到检测精度N。

N为面积单位数据/毫秒，根据做N做PID位置环（P）。

PID位置环（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成闭环控制，如图10所示，将光电传感器210的检测信号进行处理并反馈到纠偏执行机构，纠偏执行机构由电机121、行星减速器122、导辊托架130和导辊140等组成。

闭环控制的输入e(t）与输出u(t）的关系为：

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD×de(t)/dt]。

式中积分的下限和上限分别是0和t。t与纠偏执行机构中的导辊140的长短相对应，例如导辊140的长度为200mm、250mm、300mm或400mm时，则导辊140纠偏摆动的上限t随着导辊140的长度增加相应地减小，这样导辊140的纠偏摆动的幅度不会波动太大，导辊140在限定的范围内进行纠偏摆动。

因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI×s)+TD×s]。

式中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。s相当于默认的虚拟系数，且与透光率相对应。

如图9A所示，PID运算流程如下：

1、控制系统200开始运行，A/D转换单元开始采样，同时控制系统200初始化，通过触摸屏设置参数，按下启动键，则读取给定值并输送至A/D转换单元，如果不启动可通过触摸屏重新设置参数。

2、本次偏差=期望值-采样AD值，对本次偏差与上次积分是否相同进行判断，如果相同则进行如下运算，如果不相同则对上次积分进行清零后再进行如下运算：

积分=上次积分+本次偏差

微分=本次偏差-上次偏差

调整量=偏差×KP+微分×KD+积分×KI

调整偏差量在脉宽调制波的控制下控制电机121正反转、快转、慢转，以实现纠偏动作。其中，kP、KD和KI分别为常数。

限位单元用于限制电机121的纠偏旋转角度，并构成一个开环控制。

人机介面240采用触摸屏，通过数据总线双向连接CPU的输入接口，人机介面240设有两个画面。

如图12所示，画面1设有以下功能键：

A1----超限速度:设定传感器超出检测范围，电机自动减速。

B1----点动速度设置，电机手动状态的点动速度。

C1-----左、右电眼，显示左电眼还是右电眼。左电眼或右电眼视纠偏的材料和机台上纠偏装置的安装位置而言，也就是说，需检测材料的哪个边沿，即光电传感器就安装在纠偏装置的左边或右边，即称左电眼或右电眼。

D1---灵敏度设定，灵敏度越高，精度越高，可以根据设备情况调整。

E1---整定指示。

F1---电眼选择，电眼选择按键。

G1---限位长度，左、右角度限位，超过传感器检测范围自动限位。

H1----整定，整定按键。

如图13所示，画面2设有以下功能键：

A2----显示自动和手动状态。

B2-----传感器数据，显示传感器实时数据。

C2----电脑整定数据；系统自动计算出来的透先率系数值，不同材料，整定的系数不同。

D2-1-----手动按键。

D2-2-----自动按键。

E2------正转按键（调试），在手动状态下电机点动正转。

F2------反转按键，在手动状态下电机点动反转。

如图8所示，在带材输送系统中采用本发明的自动纠偏装置，以自动纠偏装置的摩擦辊141为进料方向，光滑辊142为出料方向。成卷的带材1a套在放卷轴2a上，成卷的带材1a的料头向下绕过两根过渡辊3a的底部后向上从U型红外支架150的U型开口中穿过，然后绕过摩擦辊141和光滑辊142后向下，从另外两根过渡辊3a后向上，绕在收卷轴4a上。

不同材料的带材1a的密度具有不同的透光率，当带材1a从光电传感器210的发射头和接收头之间通过时，发射头所射出的红外线穿透带材1a到达光电传感器210的接收头，由光电传感器210转换为电势输出，经CPU中的DSP处理器（数字信号处理器）运算，反过来将此透光率换算为该种材料的密度系数。该密度系数储存记忆在CPU中，当这种密度系数的带材1a上机时，纠偏装置就能识别该带材1a，并自动整定各参数值。本发明适用于需要保证材料在运行中有偏差精度要求的生产线，通过本发明可以对带材，例如无纺布、PE膜、打孔膜、离型纸、吸水纸、纺织品等进行自动对边、对中心、对线等纠偏作业，从而保证生产线正常、准确运行。

本发明的机械部分100的工作过程：带材1a串绕在自动纠偏装置的摩擦辊141和光滑辊142上，并经过光电传感器210。当带材1a在生产运行中发生偏移时，光电传感器210检测到带材的位移偏差信号，通过单片机230控制以下纠偏执行机构实现纠偏：单片机230控制电机121旋转，在高精度的行星减速器122减速后带动导辊托架130、导辊140连同绕在导辊140上的带材一起旋转某个角度，迅速自动纠正带材1a在生产运行中发生的偏移，保证高速、稳定、精确、连续生产。

本发明的控制系统200的工作原理：被测带材1a通过光电传感器210，红外线对其进行检测，当带材1a发生偏移时，带材1a切割光电传感的红外线也发生变化，这个变化值经单片机230进行运算后得出控制参数，此控制参数再驱动电机121，电机121带动导辊托架130旋转，从而将带材返回到正常位置。

如图11所示，本发明的自动控制过程如下实现：

1、操作人员接通电源，给本发明的自动纠偏装置上电。

2、选择人机介面240画面2上的D2-2自动按键，从而实现自动控制。

3、光电传感器210的发射头发射出一束红外光源，红外光源的一部分透过带材1a形成检测光信号，光电传感器210的接收头将此检测光信号转换成检测信号并输送至运放单元。

4、运放单元将检测信号放大成0-10V标准信号给单片机230。

5、单片机230中的A/D转换单元在CPU的采样频率下采集上述检测信号，并将该检测信号并转换成D信号，并通过CPU运算成透光率检测值，并将透光率检测值输送至自整定单元。

6、自整定单元进行自整定运算，得出带材的密度检测值并输送至面积处理单元。

7、面积处理单元将密度检测值转换成面积单位检测值，通过数据处理计算出实际检测位置，并输送至位置PID控制器（即比例-积分-微分控制器）。

8、位置PID控制器处理后得出控制参数，例如电机转向、电机转速，并将此控制参数输送至电机121的控制端，电机121即根据此控制参数动作，即正转、反转、快转、慢转等，从而带动导辊托架130对应正转、反转、快转、慢转等实现纠偏。

本发明的手动控制过程如下实现：

1、操作人员接通电源，给本发明的自动纠偏装置上电。

2、选择人机介面240画面2上的D2-1手动按键，然后按下画面1、画面2上相应的功能键即可实现手动控制。例如按下E2正转按键，该电机正转信号即输出至电机的控制端，电机实现正转并带动导辊托架130实现纠偏。反之，按下F2反转按键，该电机反转信号即输出至电机的控制端，电机实现反转并带动导辊托架130实现纠偏。

本发明能够实现自动纠偏，不用人工调整带材，提高了生产效率，确保生产工艺过程的准确，降低了废品率，由于对边对线快速准确纠偏，可合理选择最合理的材料幅度，降低生产成本。

采用本发明，具有以下效果：

1、当发生材料走偏，从自动纠正到正常预定值的纠偏速度不超过1.5秒，振幅偏差在±2mm范围内。

2、光电传感器210和单片机230具有很高的灵敏度，自动检测带材的密度分辨率可达到1/10000cm。所以本发明对很薄的透明的玻璃纸也能精确识别，在生产运行中进行纠偏。

3、需要纠偏的材料只要经过光电传感器进行一下密度检测，即可自动检测到材料密度数据，该密度数据通过单片机230处理记忆，所以运行参数程序不必在触摸屏上人工设定，本发明具有程序参数自整定功能，大大方便了现场运行操作。

4、电机121直接通过行星减速器122减速，并带动导辊托架130旋转，使导辊140偏移某个角度，进行纠偏。大大减少了机械累积误差，所以反应速度快，精度高。而且采用行星减速器122的减速比较大，从而提高了电机121的转动力矩。

5、导辊托架130与行星减速器122之间采用平面滚针轴承连接，使本发明运行平衡、灵活，保证了本发明的稳定性。

6、导辊托架130上安装有光电传感器的调整轨道，使光电传感器调整机构安装简便，减化了传感器调整装置的安装机构。

7、电机121通过行星减速器122直接带动导辊托架130，传动结构简单，机械磨损小，延长了使用寿命。

8、导辊托架130可以360度旋转，运行中不会出现卡机现象，旋转角度的定位可在控制系统200中设定，无需另外装设行程开关。

9、控制系统200采用彩屏的触摸屏，触摸屏是本发明实现人机对话的窗口，设有触摸功能参数按键和纠偏运行动态显示。触摸屏镶嵌在机壳110上，整机一体化，造型美观大方。

10、高精的电子放大控置系统，独特的编辑程序，因而使它可以对透明薄膜具有检测和执行纠偏的能力，本发明对材质有自动检验和参数记忆功能，简便了参数设定手续。只要是同一种材料，在连续运行中自动换接料时，实现无扰动切换。而且当外部偏差较大时，控制系统200也能作到镇定微调，波动很小，保证生产线的相对稳定。

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (5)

1.一种新型高精高速自动纠偏装置，包括控制系统、驱动机构、导辊托架和两根导辊，驱动机构连接导辊托架，两根导辊相对设置，且两根导辊以能对应绕各自的轴线自由旋转的方式设置在导辊托架上，其特征在于：所述控制系统包括光电传感器、运放单元和单片机，单片机包括A/D转换单元和CPU；光电传感器的发射头和接收头分别对应所述导辊设置，接收头的输出端连接运放单元的输入端，运放单元的输出端连接A/D转换单元的输入端，A/D转换单元的输出端连接CPU的输入端，CPU的输出端连接驱动机构的控制端。

2.如权利要求1所述的一种新型高精高速自动纠偏装置，其特征在于：所述CPU包括输出端和输入依次对应连接的透光率处理单元、自整定单元、面积处理单元、位置PID控制器和限位单元；A/D转换单元的输出端连接透光率处理单元，位置PID控制器和限位单元的相应输出端分别对应连接所述驱动机构的控制端。

3.如权利要求2所述的一种新型高精高速自动纠偏装置，其特征在于：所述控制系统还还包括人机介面，人机介面双向连接所述CPU。

4.如权利要求1所述的一种新型高精高速自动纠偏装置，其特征在于：所述驱动机构包括电机和行星减速器，电机的转轴传动连接行星减速器的输入端，行星减速器的输出轴端直接连接所述导辊托架。

5.如权利要求1所述的一种新型高精高速自动纠偏装置，其特征在于：还包括U型红外支架，U型红外支架对应所述导辊设置，所述光电传感器的发射头和接收头分别对应设置在U型红外支架的U型开口的相对内壁面上。

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