Nowoczesne systemy napędowe w tekturnicy



Podobne dokumenty
Serwomechanizm - zamknięty układ sterowania przemieszczeniem, o strukturze typowego układu regulacji. Wartość wzorcowa porównywana jest z

Napęd elektryczny. Główną funkcją jest sterowane przetwarzanie energii elektrycznej na mechaniczną i odwrotnie

MMB Drives 40 Elektrownie wiatrowe

Słowo mechatronika powstało z połączenia części słów angielskich MECHAnism i electronics. Za datę powstania słowa mechatronika można przyjąć rok

Lista zagadnień kierunkowych pomocniczych w przygotowaniu do egzaminu dyplomowego magisterskiego Kierunek: Mechatronika

SILNIK KROKOWY. w ploterach i małych obrabiarkach CNC.

Informacje ogólne. ABS ESP ASR Wspomaganie układu kierowniczego Aktywne zawieszenie Inteligentne światła Inteligentne wycieraczki

Wysokowydajne falowniki wektorowe Micno KE300.

PR kwietnia 2012 Mechanika Strona 1 z 5. XTS (extended Transport System) Rozszerzony System Transportowy: nowatorska technologia napędów

ROBOTY AUTOMATYZACJA PRODUKCJI

Siłownik liniowy z serwonapędem

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Sterowanie napędów i serwonapędów elektrycznych

ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII WIRTUALNEJ RZECZYWISTOŚCI W PROJEKTOWANIU MASZYN

Roboty manipulacyjne i mobilne. Roboty przemysłowe zadania i elementy

Mechatronika i szybkie prototypowanie układów sterowania

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Napęd hydrauliczny

Stanisław SZABŁOWSKI

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

ANALIZA PRACY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W WARUNKACH ZAPADU NAPIĘCIA

Parametry elektryczne i czasowe układów napędowych wentylatorów głównego przewietrzania kopalń z silnikami asynchronicznymi

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

ROBOTY AUTOMATYZACJA PRODUKCJI

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

Technika napędowa a efektywność energetyczna.

Rok akademicki: 2012/2013 Kod: EIB BR-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Specjalność: Biomechanika i robotyka

AUTOMATYZACJA PROCESU PROJEKTOWANIA RUR GIĘTYCH W OPARCIU O PARAMETRYCZNY SYSTEM CAD

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Aktory

Od prostego pozycjonowania po synchronizację. Rozwiązania Sterowania Ruchem. Napędy Elektryczne i Sterowania

MiAcz3. Elektryczne maszynowe napędy wykonawcze

MMB Drives 40 Elektrownie wiatrowe

f r = s*f s Rys. 1 Schemat układu maszyny dwustronnie zasilanej R S T P r Generator MDZ Transformator dopasowujący Przekształtnik wirnikowy

Rok I, semestr I (zimowy)

PIONOWE CENTRUM OBRÓBCZE CNC DIGIMA SMTCL VMC850B

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

KAS nowa platforma automatyzacji firmy Kollmorgen

Ćwiczenie 3 Falownik

Laboratorium z Napęd Robotów

Informacje ogólne. ABS ESP ASR Wspomaganie układu kierowniczego Aktywne zawieszenie Inteligentne światła Inteligentne wycieraczki

Kinematyka manipulatora równoległego typu DELTA 106 Kinematyka manipulatora równoległego hexapod 110 Kinematyka robotów mobilnych 113

Specjalność: Komputerowe systemy sterowania i diagnostyki

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

DROGA ROZWOJU OD PROJEKTOWANIA 2D DO 3D Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMÓW CAD NA POTRZEBY PRZEMYSŁU SAMOCHODOWEGO

PLAN STUDIÓW - STUDIA STACJONARNE I STOPNIA kierunek: automatyka i robotyka

INSTYTUT NAUK TECHNICZNYCH PWSW w Przemyślu

Nadzór Linii Produkcyjnych. Jacek Pszczółka AiR

Table of Contents. Lucas Nülle GmbH 1/7

Seria Jubileuszowa. Rozwiązania informatyczne. Sprężarki śrubowe Airpol PRM z przetwornicą częstotliwości. oszczędność energii. ochrona środowiska

PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE

Sterowanie napędów maszyn i robotów

Grupa o zasięgu międzynarodowym

Rok I, semestr I (zimowy)

Serwomechanizmy sterowanie

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

Technika napędów elektrycznych jako klucz obniżenia kosztów energii.

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Plan studiów na kierunku: MECHATRONIKA

ZESPÓŁ SZKÓŁ ELEKTRYCZNYCH NR

Plan studiów na kierunku: MECHATRONIKA

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

MODERNIZACJA NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO WIRÓWKI DO TWAROGU TYPU DSC/1. Zbigniew Krzemiński, MMB Drives sp. z o.o.

Lista zagadnień kierunkowych pomocniczych w przygotowaniu do egzaminu dyplomowego inżynierskiego Kierunek: Mechatronika

Twój partner w potrzebie Balice, ul. Krakowska 50 tel.: , fax: sales@admech.pl

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13


Przenośniki Układy napędowe

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Problematyka budowy skanera 3D doświadczenia własne

Integracja systemu CAD/CAM Catia z bazą danych uchwytów obróbkowych MS Access za pomocą interfejsu API

Specjalność: Komputerowe systemy sterowania i diagnostyki. Strona 1 z 5

Szybkie prototypowanie w projektowaniu mechatronicznym

Tytuł Aplikacji: Synchronizacja i pozycjonowanie w przetwornicach częstotliwości Danfoss.

Zagadnienia kierunkowe Kierunek mechanika i budowa maszyn, studia pierwszego stopnia

UKŁAD HAMOWANIA ELEKTRYCZNEGO DO BADANIA NAPĘDÓW

PRZYGOTOWANIEM MASY FORMIERSKIEJ

Nasze urządzenie jest przeznaczone do cięcia gum wykrojnikowych.

2. Dane znamionowe badanego silnika.

SPECJALNOŚĆ ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWA

Cel ćwiczenia. Przetwornik elektromagnetyczny. Silniki krokowe. Układ sterowania napędu mechatronicznego z silnikiem krokowym.

Pytania egzaminacyjne dla Kierunku Elektrotechnika. studia II stopnia stacjonarne i niestacjonarne

ROBOTY PRZEMYSŁOWE LABORATORIUM FANUC S-420F

Najnowsze rozwiązanie w produkcji listew szczotkowych

Inżynieria Bezpieczeństwa I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólnoakademicki / praktyczny)

Z powyższej zależności wynikają prędkości synchroniczne n 0 podane niżej dla kilku wybranych wartości liczby par biegunów:

Zastosowanie silników krokowych jako napęd robota mobilnego

POLITECHNIKA RZESZOWSKA PLAN STUDIÓW

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Instrukcja z przedmiotu Napęd robotów

PRZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI W DWUSIL- NIKOWYM NAPĘDZIE WAŁU TAŚMOCIĄGU PO- WIERZCHNIOWEGO

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2014 Seria: TRANSPORT z. 82 Nr kol. 1903

Automatyka i Regulacja Automatyczna Laboratorium Zagadnienia Seria II

Karta (sylabus) przedmiotu

2. Struktura programu MotorSolve. Paweł Witczak, Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych PŁ

DEMERO Automation Systems

Mechanika Robotów. Wojciech Lisowski. 5 Planowanie trajektorii ruchu efektora w przestrzeni roboczej

Laboratorium Maszyny CNC. Nr 3

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

Transkrypt:

Nowoczesne systemy napędowe w tekturnicy The Latest Drive Systems in Corrugating Machine STANISŁAW K. MUSIELAK, JERZY G. KASPRZYK Nowoczesne maszyny oraz całe linie produkcyjne w coraz większym stopniu wykorzystują systemy mechatroniczne. Istotą mechatroniki jest wprowadzanie rozwiązań elektronicznych oraz informatyki do układów mechanicznych, co przyczynia się do zacierania granic między tymi dyscyplinami nauk technicznych. Jednocześnie efekt synergiczny współdziałania tak różnych dyscyplin przyczynia się do istotnego wzrostu jakości proponowanych rozwiązań. W artykule przedstawiono tendencje występujące w technice napędów tekturnic z zastosowaniem systemów mechatronicznych. Z uwagi na złożoność tematyki, autorzy, dla przykładu, omawiają tylko dwa moduły występujące w tekturnicy, mające istotny wpływ na jakość produktu końcowego. Są to przekrawacz rotacyjny oraz moduł automatycznej układarki bezkońcowej (automatic endless stacker), służący do produkcji tektury w formie składanki harmonijkowej. Obie maszyny występują jako ostatni moduł w procesie produkcji tektury, lecz ich zasada działania jest całkowicie odmienna. Przekrawacz tnie wstęgę tektury na arkusze o zadanej długości, które następnie układane są w stos, natomiast układarka zagina tekturę w harmonijkę i układa w stos. Ta technologia stosowana była w tekturnicach już od ponad 20 lat, jednak obecnie przeżywa ponowny rozkwit, ze względu na nowe rozwiązania techniczne. Omówiono podstawowe rozwiązania stosowane w układach sterowania napędów obu maszyn bez użycia skomplikowanej formy matematycznej. Wskazano na dużą dynamikę tych rozwiązań oraz na niewątpliwą zaletę, jaką jest łatwość ich programowania. Przedstawiono wyniki prac badawczo-wdrożeniowych przeprowadzonych na przekrawaczu rotacyjnym oraz układarce bezkońcowej ( harmonijkowej ). Ponieważ publikacje na ten temat są niezmiernie rzadkie, więc autorzy uznali za celowe przedstawienie tych rozwiązań szerszemu gronu inżynierskiemu i naukowemu. Słowa kluczowe: tekturnica, przekrawacz, napęd, pozycjonowanie, krzywka, karton składany harmonijkowy The latest machines and entire production lines use mechatronic systems more and more often. Introduction of electronic solutions and information technologies to mechanical engineering is the essence of mechatronics, contributing to the fact that borderlines between these fields are disappearing. On the other hand, synergies of such different disciplines contribute to crucial improvement in quality of new solutions. The article shows trends in drive systems based on mechatronics dedicated to corrugating machines. Due to a complexity of this subject, the authors discus only two modules used in the corrugating machines, which have a crucial effect on quality of a final product. They include a rotary cutter and an automatic endless stacker for production of accordion fold board. These two machines are used as final units in the production of corrugated board, however their principle of operation is completely different. The cutter cuts board sheets into segments of fixed length and stacks them, whereas the stacker makes the board concertinaed and stacks it. This technology has been used in corrugating machines for over 20 years, however today it is in its heyday due to new technical solutions. The article presents basic solutions used in drive control systems of both machines without using complicated mathematical formulas. The authors show high dynamics of these solutions and their unquestionable advantage connected with the fact that they are easy to be programmed. The authors present resultants of research works carried out on the rotary cutter and the automatic endless stacker. As publications on this subject are very rare, the authors considered it appropriate to present them to larger circle of specialists. Keywords: corrugating machine, cutter, drive, positioning, cam, accordion fold board Mgr inż. S.K. Musielak, BHS Corrugated Maschinen- und Anlagenbau GMBH, Paul-Engel-Str. 1, 92729 Weiherhammer, Niemcy; dr hab. inż. J.G. Kasprzyk, prof. Politechniki Śląskiej, Politechnika Śląska, Instytut Automatyki, ul. Akademicka 16, 44-100 Gliwice PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013 363

Wprowadzenie Napędy elektryczne występują w niemal każdej dziedzinie przemysłu. Ze względu na zastosowanie nowoczesnych podzespołów energoelektronicznych, obecne napędy elektryczne maszyn zdecydowanie odbiegają od rozwiązań spotykanych jeszcze kilka, czy kilkanaście lat temu. Przede wszystkim silniki prądu stałego (DC) są zastępowane przez silniki prądu zmiennego (AC) z odpowiednimi dla zastosowania przemiennikami częstotliwości. Dzięki wprowadzeniu techniki mikroprocesorowej do układów sterowania napędami rozwiązania takie stają się coraz bardziej technicznie zaawansowane, przejmując wiele funkcji wykonywanych dotychczas przez sterowniki programowalne. W szczególności dotyczy to serwonapędów, stosowanych głównie w układach wymagających wykonywania dynamicznych, a jednocześnie precyzyjnych ruchów obrotowych. Przykładami rozwiązań z zakresu sterowania ruchem Motion Control (MC) są m.in. serwonapędy firmy B&R ACOPOS (1), czy koncepcja Generic Motion Control, łącząca funkcje pozycjonowania, sprzęgła, profilu krzywkowego, sterowania numerycznego CNC oraz funkcji typowych dla robotyki (2), 9400 HighLine firmy LENZE (3), SIMOTION Siemensa (4), Kinetix firmy Allen-Bradley (5) i wiele innych. Rozwiązania te wypierają klasyczne elementy mechaniczne i przyczyniają się do tworzenia systemów tańszych, łatwiejszych w pracach serwisowych i bardziej niezawodnych. Struktury takich systemów mogą być oparte na połączeniu sterownika PLC z układami MC lub na samodzielnej pracy zintegrowanego z napędem układu MC. W tym drugim przypadku rozbudowuje się możliwości programowania takich systemów, czego przykładem jest platforma programowania układu pozycjonowania Application Template firmy Lenze, która umożliwia znaczną redukcję czasu potrzebnego na zaprojektowanie systemu. Wykorzystanie możliwości nowoczesnych układów napędowych w tekturnicy spowodowało spadek kosztów, przy jednoczesnym wzroście jakości produkowanej tektury mimo znacznego wzrostu prędkości roboczych tekturnic. Najnowsza tekturnica firmy BHS Corrugated umożliwia realizację procesu produkcji z prędkością 450 m/min. W dalszej części artykułu przedstawiono nowe rozwiązania w dwóch modułach tekturnicy. Rys. 1. Układ regulacji kaskadowej przekrawacza rotacyjnego Dotyczą one: - przekrawacza rotacyjnego (cut-off), w którym dzięki zastosowaniu nowoczesnych napędów uzyskano poprawę dokładności cięcia oraz powtarzalności dla uciętych arkuszy; - automatycznej układarki bezkońcowej (automatic endless stacker), w której wykorzystanie systemów MC umożliwiło rozwiązanie problemu skomplikowanych trajektorii ruchu maszyny. Nowoczesne systemy napędowe Serwonapędy Napędy prądu stałego są skomplikowane konstrukcyjnie i drogie, wymagają również stałego serwisowania, ze względu na szczotki i komutator w silnikach. Dlatego od dawna trwały prace nad znalezieniem rozwiązań alternatywnych, które byłyby znacznie tańsze w produkcji i utrzymaniu, a jednocześnie odwzorowywały działanie napędów z silnikami szczotkowymi prądu stałego. Rozwiązaniem stały się trójfazowe asynchroniczne silniki klatkowe, które jednak ze względu na swoje wady, takie jak np. obniżony moment startowy czy udar prądu rozruchowego, wymagają bardzo złożonych układów sterowania. Rozwój elektroniki i stworzenie nowych algorytmów sterowania, w szczególności wprowadzenie przemienników częstotliwości (falowników) ze sterowaniem wektorowym spowodowały, że silniki te stały się podstawowym elementem napędów. Kolejnym krokiem było wprowadzenie silników synchronicznych z magnesami trwałymi, wykorzystywanych przede wszystkim w serwonapędach. W przypadku napędów typu High Performance (7) stosowane są specjalne układy regulacji i pozycjonowania, oparte na technikach MC (8). Istotne jest tu dopasowanie napędu do dynamiki maszyny, czyli odpowiednie przekazanie momentu w układzie silnik napędowy maszyna. Przykład takiego układu sterowania dla napędu przekrawacza w linii tekturnicy przedstawiono na rysunku 1. Zastosowano tu układ regulacji kaskadowej, będący typowym rozwiązaniem dla serwomechanizmów (8). Układ ten składa się z trzech pętli sprzężenia zwrotnego z regulatorami P dla położenia oraz PI dla prędkości i prądu (momentu elektromagnetycznego silnika). Aby uzyskać zmniejszenie błędu pozycjonowania oraz czasu regulacji zastosowano dodatkowe sterowanie z wyprzedzeniem (feed forward) (9). Dla układu regulacji prędkości jest to sterowanie typu FFV (Feed Forward Velocity), w którym pozycja zadana x s jest różniczkowana numerycznie i dodawana do wartości zadanej obliczonej przez regulator położenia. Dla sterowania momentem wprowadzono układ FFT (Feed Forward Torque), w którym dodatkowy moment jest proporcjonalny do drugiej pochodnej x s i dodawany do wartości zadanej prądu, obliczanej przez regulator prędkości. Opóźnienie T d1 reprezentuje tu własności dynamiczne przekładni mechanicznej, a T d 2 moment mechaniczny maszyny. Porównując napędy starszego typu, oparte na silnikach asynchronicznych, z napędami wykorzystującymi silniki synchroniczne widać zalety tych drugich. Współczynnik sprawności dochodzi 364 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013

w nich do 95%, a temperatury pracy nawet do 125 C. Posiadają one bardzo duży współczynnik przeciążenia ich przeciążalność jest 2-5 razy większa niż silników asynchronicznych przy pracy zrywnej. Przykładem jest tu omówiony w dalszej części wyrzutnik braków w przekrawaczu rotacyjnym, w którym napęd osiąga prędkość 450 m/min w czasie zaledwie kilkudziesięciu milisekund z bardzo dużą precyzją pozycji i jej powtarzalnością. Na ogół układy sterowania w serwonapędach mają strukturę modułową (10), są programowalne w pewnym zakresie oraz wyposażone w przyjazne systemy, np. interfejs użytkownika (HMI). Cechują się: - złożonym układem kontrolno-pomiarowym, - bardzo dokładną regulacją w odniesieniu do sygnałów referencyjnych, - doskonałą powtarzalnością, - możliwością regulacji różnych typów silników, - bardzo dobrymi parametrami kinematycznymi, - dużą dynamiką pozycjonowania, - niskim zużyciem energii elektrycznej, - ochroną systemów mechanicznych. Krzywki elektroniczne W celu uzyskania specyficznej trajektorii ruchu stosowano dotychczas krzywki mechaniczne (jak widać po lewej stronie rysunku 2). W układzie takim nie ma możliwości zmiany trajektorii, ponieważ jest ona ściśle zależna od kształtu elementu krzywkowego umieszczonego na obracającym się wale. W nowszych rozwiązaniach dąży się do zastąpienia mechanicznego sterowania trajektorią przez odpowiednie sterowanie elektroniczne (rys. 2 strona prawa). W systemie krzywki elektronicznej trajektorie są zaimplementowane w sterowniku serwonapędu, dzięki czemu można uzyskać dowolny profil, a nawet zmieniać go dynamicznie w trakcie ruchu. Oznacza to, że już podczas wykonywania trajektorii dokonuje się nowych obliczeń, które mogą być uaktywnione w odpowiednim czasie. Oczywiście, pozostają tu ograniczenia wynikające z dynamiki maszyny oraz samego układu napędowego. Istotną cechą tych rozwiązań jest przetwarzanie informacji liniowej (zasadniczo jest to stała prędkość kątowa napędu głównego) w trajektorię nieliniową (11). Model ruchu opisany jest zazwyczaj wielomianem piątego stopnia, aczkolwiek spotyka się także rozwiązania z wielomianami wyższych stopni, które pozwalają uzyskać bardziej złożone profile dzięki większej liczbie stopni swobody. W układzie takim oblicza się numerycznie prędkość oraz przyspieszenie na podstawie znajomości pozycji: pozycja: y = f(x) = A 0 + A 1 x + A 2 x 2 + A 3 x 3 + A 4 x 4 + A 5 x 5 prędkość y = f (x) = A 1 + 2A 2 x+ 3A 3 x 2 + 4A 4 x 3 + 5A 5 x 4 przyspieszenie y = f (x) = 2A 2 + 6A 3 x+ 12A 4 x 2 + 20A 5 x 3, gdzie x oznacza czas a A 0 jest wartością początkową położenia. Rys. 2. Zasada elektronicznej krzywki (electronical cam) (Za uprzejmą zgodą firmy Lenze) Przy modelowaniu ruchu szczególną rolę odgrywają fazy przejściowe, takie jak zatrzymanie napędu, jego ponowny start oraz zbliżanie się do celu. Trajektorie można także generować na podstawie zasad geometrycznych, które pozwalają na poprawienie dynamiki w aplikacjach narażonych na zwiększone wibracje. Istnieje też możliwość łączenia powyższych technik wielomianów i metod geometrycznych, dzięki czemu można uzyskać dokładny rozkład trajektorii na poszczególne odcinki (tzw. funkcje sklejane) (12) oraz wyznaczyć optymalne prędkości i przyspieszenia (13, 14). Profile generowane przez elektroniczną krzywkę przedstawiono na rysunku 3. Wybrane moduły tekturnicy Nowoczesne maszyny do produkcji tektury posiadają szerokości robocze 1600-3350 mm, co dla prędkości 400 m/min oznacza wyprodukowanie ponad 1300 m²/min, albo 78.000 m² tektury w czasie 1 h. Produkowane tektury osiągają maksymalną gramaturę do 3000 g/m 2. Tekturnica jest linią produkcyjną składającą się z wielu modułów (rys. 4). Długość jej może osiągać wartości do 150 m przy masie dochodzącej do 500 t. Pobór mocy elektrycznej tekturnicy mieści się w zakresie 800-1200 kw. Ze względu na złożoność tekturnicy w prezentowanej publikacji ograniczono się do omówienia tylko dwóch modułów występujących w końcu linii produkcyjnej. Są to Rys. 3. Profile zmian wartości zadanej układu PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013 365

przekrawacz rotacyjny, którego zadaniem jest cięcie przesuwającej się wstęgi tektury na odcinki o zadanej długości, oraz automatyczna układarka bezkońcowa, która układa wstęgę tektury w stos w formie harmonijkowej (rys. 5). Oczywiście, nie oznacza to, że pozostałe moduły tekturnicy nie podlegają dalszym udoskonaleniom i modyfikacjom. Przedstawione w następnych rozdziałach rozwiązania dotyczą przekrawacza niemieckiej firmy BHS Corrugated z Weiherhammer, należącej do wiodących firm w tej dziedzinie produkcji. Opisano przekrawacz rotacyjny o prędkości roboczej do 450 m/min z zastosowaniem napędów bezpośrednich AC firmy Lenze (15) oraz krzywki elektronicznej (cam) w podzespole wyrzutnika. W module układarki system napędowy oparty jest na najnowszej generacji krzywek elektronicznych. Rozwiązanie to umożliwia prowadzenie procesu układania w harmonijkę w sposób automatyczny, co zapewnia redukcję personelu, obniżkę kosztów produkcji tektury oraz zmniejsza liczbę reklamacji. Przekrawacz rotacyjny Przekrawacz rotacyjny i sposób jego sterowania zostały szczegółowo opisane w pracach (16). Kolejne cele, jakie postawiono przy projektowaniu nowego systemu przekrawacza obejmowały: osiągnięcie maksymalnych prędkości dla zadanych formatów cięcia poprzez zastosowanie falownika Lenze 9400, wykorzystanie maksymalnej dynamiki układu napędowego, obniżenie masy bezwładnościowej elementów rotacyjnych przekrawacza, wprowadzenie szybkiego systemu wyrzutu odpadów (opartego na systemie serwo/cam), pomiar temperatury łożysk przekrawacza, możliwość zastosowania nowej serii enkoderów położenia noża, zastosowanie przemysłowej magistrali100 MHz, poprawa diagnostyki przekrawacza, badania dokładności przekrawacza podczas cięcia bez tektury. Zastosowanie silników AC o mocy 2x79 KW, przy maksymalnej prędkości obrotowej 545 min -1 i prądzie znamionowym 164 A, umożliwiło uzyskanie większych prędkości roboczych w stosunku do dotychczasowych rozwiązań (rys. 6 kolorem czerwonym oznaczono prędkości osiągane dla nowego napędu). Podniesienie prędkości przekrawacza umożliwia, w przypadku produkcji arkuszy tektury o różnych formatach, osiągać wyższe prędkości średnie w cyklu produkcyjnym. Jednocześnie z wykresu widać, że szczególnie trudny, z punktu widzenia osiągów, jest przedział formatów w zakresie wymiarowym 1200-1900 mm. W badaniach tych uzyskano również bardzo dobre wyniki dokładności i powtarzalności cięcia tektury. Zaprojektowano także nowy system wyrzutu braków. Dotychczas stosowany był system z napędem pneumatycznym. Tymczasem zastosowanie serwosilnika oraz generowanie trajektorii na bazie elektronicznej krzywki pozwoliło na bezproblemowe uzyskiwanie wysokich dokładności pozycji oraz powtarzalności. Jest to bardzo ważne, gdyż w przypadku błędów dochodziłoby do tworzenia Rys. 4. Linia do produkcji tektury i zaznaczone dwa moduły końcowe: przekrawacz rotacyjny (cutoff) oraz automatyczna układarka bezkońcowa (automatic endless stacker) Rys. 6. Zależności uzyskiwanych prędkości roboczych od formatu cięcia dla przekrawaczy o różnych mocach napędu Rys. 5. Tektura w postaci składanki harmonijkowej Rys. 7. Układ napędowy przekrawacza o prędkości 450 m/min oraz wyrzutnik braków 366 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013

się natychmiastowego zatoru (tzw. paper jam ), a tym samym zatrzymania tekturnicy. Maksymalne prędkości, jakie osiągnięto, to 450 m/min. Na uwagę zasługuje generowanie takiego rodzaju trajektorii, która dzięki łagodnemu przejściu między fazami stopu i wyrzutu arkusza chroni podzespoły mechaniczne. Wyrzutnik braków przedstawiono po Rys. 8. Ręczne wspomaganie operacji przy produkcji składanki harmo- prawej stronie rysunku 7. Natomiast po lewej stronie widać nijkowej bezkońcowej przekrawacz doświadczalny, a czerwonym obramowaniem oznaczono falownik firmy Lenze. Rys. 9. Schemat ideowy automatycznej układarki bezkońcowej Układarka bezkońcowa Składanka harmonijkowa stanowi doskonały materiał do opakowań oraz zabezpieczeń elementów o kształtach nieregularnych, cechujących się także dużymi wymiarami, jak np. opakowania dla przemysłu meblarskiego, samochodowego czy dla produktów nietypowych. Produkcja tektury w formie składanki bezkońcowej (fanfold) jest znana od dawna. Samą metodę i jej udoskonalenia patentowano wielokrotnie (17-19). Produkcja taka, choć niezmiernie ciekawa, jest niestety bardzo trudna do automatyzacji, stąd często operacja układania jest wspomagana ręcznie (rys. 8). Wadą takiego rozwiązania jest stosunkowo mała prędkość, możliwość produkcji tylko jednej wstęgi tektury równocześnie, stosunkowo zła jakość stosu i oczywiście konieczność obsługi ręcznej. W BHS Corrugated opracowano całkowicie zautomatyzowany system do układania tektury w stos w pełnym procesie produkcyjnym. Rozwiązanie to chronione jest patentem firmy (20). System umożliwia równoległą produkcję tektury w sposób klasyczny, tj. z cięciem na arkusze, oraz składanki harmonijkowej bezkońcowej. Największe wyzwanie w konstrukcji maszyny stanowił problem zmiany formatów. Ze względu na dużo różnych asortymentów w produkcji zakładów przetwórczych istnieją ograniczenia liczby formatów. W przypadku stosowania metody produkcji JIT (Just- In-Time), wielu producentów nie posiada odpowiednich przestrzeni magazynowych, dlatego jednorazowo zamawia mniejsze ilości tektury. Wiąże się z tym konieczność częstej zmiany formatów, co jest bardzo uciążliwe. W zastosowanym rozwiązaniu funkcje zmian formatów i rodzaje produkcji zostały zaimplementowane w systemie sterowania tekturnicy i produkt w postaci składanki może być dostarczany do firm o dowolnej długości i szerokości do 2800 mm, w zależności od zapotrzebowania rynku. Automatyczna układarka składa się z następujących podzespołów (rys. 9): Rys. 10. Przebieg trajektorii ruchu w module składającym tekturę Rys. 11. Układy napędowe automatycznej układarki bezkońcowej Rys. 12. Automatic Endless Stacker w firmie Conyers w USA PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013 367

- zgniatacza tektury (perforator creaser), - modułu składającego (folding unit), - modułu cięcia składanej wstęgi (cutting and separating unit), - stołu transportującego na wyjściu (lifting table and evacuation). Nietrywialne generowanie trajektorii (rys. 10) zrealizowano przy wykorzystaniu oprogramowania Cam Designer Professional firmy Lenze. Obrys jednostki składającej (folding unit ) wyznacza linia niebieska. Składaną tekturę oznaczono kolorem brązowym. Na rysunku 11 przedstawiono układ sterowania modułu składającego, zrealizowanego na bazie systemu high-line 9400 firmy Lenze. Prędkość linii produkcyjnej może dochodzić do 200 m/min, natomiast zmiana formatów może odbywać się z prędkością do 70 m/min. Prędkość maksymalna produkcji uzależniona jest od takich parametrów jak: liczba wstęg produkowanych równolegle, ich szerokość, długość formatu po nagniocie oraz rodzaj i właściwości stosowanych papierów. Obecnie jako standardową przyjęto długość 1150 mm, natomiast długość minimalną 900 mm a maksymalną 1300 mm. Liczba możliwych wstęg może dojść do 6. Najkrótsze dopuszczalne zlecenie może wynosić 50 m. Na rysunku 12 przedstawiono wykonany egzemplarz maszyny dostarczonej do producenta tektury w USA. Podsumowanie W pracy opisano dwa przykłady wykorzystania nowoczesnych napędów w linii produkcji tektury falistej. Dzięki zastosowaniu rozwiązań mechatronicznych, a więc połączenia układów mechanicznych i elektronicznych, a w szczególności implementacji zaawansowanych technik programowania, można uzyskać znaczne skrócenie czasu realizacji projektów oraz uzyskać produkt bardziej zaawansowany technologicznie. Rozwiązania te umożliwiają oszczędność zarówno energii elektrycznej, jak i takich mediów, jak powietrze, dzięki eliminacji systemów opartych o podzespoły pneumatyczne. Wiąże się z tym nie tylko obniżka kosztów produkcji, ale także znacznie prostsze serwisowanie maszyn. Nie bez znaczenia jest także to, że korzystając ze standardowego oprogramowania producenta napędów unika się często błędów wynikających z wprowadzania nowych rozwiązań ( błędów wieku dziecięcego ), które często dotykają producentów maszyn. Oczywiście korzystanie z nowych technologii nie oznacza, że powstające dzisiaj systemy są idealne. Jak zawsze z wprowadzeniem nowych rozwiązań pojawiają się także nowe problemy, które dotąd nie występowały (21). Tuż przed ukończeniem niniejszego artykułu w BHS Corrugated wdrożono w sklejarce typu MF (Modul Facer) silnik synchroniczny o bardzo wysokim momencie rozruchowym (Torque Motor) (22), eliminując tym samym jeden z ostatnich już systemów napędowych prądu stałego w tekturnicy. Silniki typu Torque Motor są silnikami synchronicznymi AC z magnesami trwałymi. Dzięki wytwarzaniu dużego momentu silniki te mogą zastępować układy hydrauliczne oraz klasyczne napędy elektryczne składające się z silnika AC oraz sprzęgła i przekładni. Przewiduje się dalsze badania, które będą dotyczyły opracowania metod, umożliwiających poprawę obecnie stosowanych algorytmów sterowania napędami przekrawacza. Celem jest zmniejszenie ilości pobieranej energii elektrycznej oraz zastosowanie silników Torque Motor. Oprócz tego prowadzone są prace nad udoskonaleniem systemu diagnostycznego, który mógłby być zaimplementowany w sterowniku PLC i/lub komputerze zarządzającym cyklem produkcyjnym. Literatura 1. Materiały firmy B&R: Perfection in Automation. Acopos Antriebe. Produkte 2011. 2. Materiały firmy B&R: Perfection in Automation. Generic Motion Control. Egelsberg, 2009. 3. Materiały firmy Lenze: Global Drive Software Package Cam. Lenze Handbuch, 2011. 4. Materiały firmy Siemens: Motion Control System SIMOTION. Firmen Katalog, 2011. 5. http://ab.rockwellautomation.com/motion-control/kinetix-6000- servo-drive (maj 2013). 6. Materiały firmy Siemens: Direct Drives of higher dynamic performance and precision. Brochure, 2005. 7. Kozłowski K.: Robot Motion and Control, Springer Verlag, 2007. 8. Riefensthal U.: Elektrische Antriebssysteme, Grundlagen, Komponenten, Regelverfahren, Bewegungssteuerung. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010. 9. Pritschow G.: Einführung in die Steuerungs-technik, Hanser Verlag, München 2006. 10. ABB Antriebstechnik. Grundlage der Motion Control Antriebe, Technische Anleitung Nr 9, ABB, 2007. 11. Kiel E.: Antriebslösungen. Mechatronik für Produktion und Logistik. Springer VDI, 2007. 12. Nürnberger G.: Approximation by Spline Functions, Springer Verlag, 1989. 13. Siemens: Applikation zur Antriebstechnik, Technologie CPU Materialvorschub für eine Presse auf Basis von statischen Kurvenscheiben, 2007. 14. Senderski A.: Trajektorie wzorcowe dla napędu pozycyjnego ze złożonymi ograniczeniami prędkości, przyspieszenia i zrywu, II Konferencja Sterowanie w Eneroelektronice i Napędzie Elektrycznym, Łódź-Arturówek, 15-17 listopada 1995. 15. Gißler J.: Elektronische Direktantriebe, Franzis Verlag GmbH Poing, 2005. 16. Musielak S.K.: Przekrawacz rotacyjny w tekturnicy, Cz. 1-5: Przegl. Papiern. 67, 1, 21 (2011), Przegl. Papiern. 67, 2, 81 (2011), Przegl. Papiern. 3, 167 (2011), Przegl. Papiern. 67, 4, 245 (2011), Przegl. Papiern. 67, 5, 303 (2011). 17. Homer E.J.: Method of Manufacturing Fanfold, Patent nr 2272803, 10.06.1940. 18. Jornod E.: Fanfold paper transport, US Patent 4107700A,1976 19. Mc Intosh: Stacing System for Fanfold paper and the like, US Patent 898418, 1978. 20. Grill M.: Continuous Folding Process, US Patent 2009/0298661 A1 2009 BHS Corrugated Maschinen und Anlagenbau GmbH Weiherhammer. 21. Musielak S.K.: Optymalizacja zużycia energii w tekturnicy, Cz. 2, Przegl. Papiern. 68, 8, 471 (2012) 22. Klement J.: Technologie der elektrischen Direktantriebe, Expert Verlag, 2009. Artykuł recenzowany 368 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013