第四节　裁切系统

瓦楞纸板定位、定长分割、裁切贯穿瓦楞纸板的整个生产过程。裁切系统中，按照生产需要经过电脑纵切机将瓦楞纸板裁切成一定的规格宽度，并在纵切时完成瓦楞纸板纵向弯曲要求的压痕；再经横切机横向切断纸板，成为单张瓦楞纸板，最后由堆叠机储存。裁切系统主要由电脑纵切机、电脑横切机和堆码（叠）机组成。

一、电脑纵切机

1．电脑纵切机的结构

电脑纵切机采用薄刀结构，气动升降，传动系统采用皮带、齿形带及无键连接，运转平稳，噪声低。整机可左右移动以适应纸板的偏移，并根据键盘输入尺寸自动调整各刀轮的位置，根据需要可以采用五刀八线或四刀六线等结构，调整机构采用丝杠螺母副，压痕深度采用电动调整。一般国产电脑纵切机可在10s内完成排刀动作，进口设备排刀时间可短至3s。

目前，电脑纵切机作为高档瓦楞纸板生产线干部的重要组成设备，采用全电脑双工位控制模式，实现了快速换单和瞬间切换，在完成对纸板的准确压线和高质量分切的同时，有效地控制了换单时的浪费，提高了整线的生产效益。电脑纵切机配置了高品质的工业计算机和高性能的可编程控制器，构成上、下位机计算机控制系统；采用高质量的直线导轨导向、高精度的滚珠丝杠传动副；可存储999组订单，实现不停机自动换单或手动换单；自动跟踪生产线速度，确保与生产线同步；并与生产管理系统连线，具有兼容性强，达到瞬间切换，快速响应，较好地控制了换单浪费（只浪费30cm）。该机采用薄型钨钢合金刀，刀锋锋利，使用寿命长，结构轻巧，维护简便；压线型式可以电动转换，压线深浅可由电脑自动控制。

瓦楞纸板生产定位分割控制最有代表性的单元设备应是“纵切机”，如“5刀8线纵切机”如果采用丝杆式传动结构，将需要13套定位装置；如果采用齿条滑轨式传动结构，将需要21套或26套定位装置。传统方案是采用带编码器反馈及抱闸装置的普通交流电机作定位装置，用PLC实现定位控制算法，用变频器实现高低速定位移动，软硬件复杂，定位速度慢，定位稳定性和重复性差，排单时间长，自动化程度低。近几年多采用交流伺服系统作定位装置，定位精度、快速性、自动化程度等显著提高，基于多点通信控制，系统软硬件复杂性也有所降低，但成本却大幅度上升；也有部分厂商采用步进电机作为定位设备，但其控制方式仍同传统的以普通电机作定位装置的方案，系统软硬件复杂性未降反升，定位稳定性和重复性仍有较大的改善空间。由于纵切机定位装置数量多，只有基于多点寻址通信，才能有效降低系统软硬件复杂性，提高系统的可靠性。

2．电脑纵切机的基本配置

单瓦楞纸板生产线的纵切一般在同一空间轴配置{2、3、4、5、6}套定位刀，实现{1、2、3、4、5}剖纵向分割；多层纸板生产线的纵切机一般在同一空间轴配置{4、5、6、7}套定位刀，在另一空间轴配置{6、8、10、12}套定位线，可分别实现“4刀6线、5刀8线、6刀10线、7刀12线”纵向分割和压痕。实际生产过程中用户往往提供的是纸板尺寸，纵切机电脑控制系统的任务就是要由此尺寸计算出各定位装置的目标位置，并以通信方式下传到各定位装置，然后触发启动自动化排刀排线过程。由于受机械尺寸限制，并非所有纸板尺寸都能准确定位执行，非法的纸板尺寸在订单编辑过程中就必须能被识别，以避免下传；自动化排刀排线过程应有序进行，避免定位装置相互碰撞而损伤设备，某些定位精度需求较高的设备还应能实现高低速单向定位，以避免齿轮间隙和高速位置冲突对定位精度的影响；无论是机械设备尺寸，还是纸板产品尺寸，都需要有实际尺寸标定功能，标定过程自动化程度的高低直接影响着生产效率；此外，定位装置的起落、刀或压线轮的旋转、修磨、润滑控制也是瓦楞纸板纵切机的基本控制要求，这些过程都需由纵切机电脑控制系统程序完成，工作量和复杂性较大。

单瓦楞纸板纵向裁切可直接选用{2定位单维轴……6定位单维轴}电脑控制系统标准化产品；瓦楞纸板纵切机一般可由2套～5套{4定位单维轴……8定位单维轴}电脑控制系统标准化产品简单拼装。对于独立丝杆传动式机械传动结构的纵切机，可有如下组合：4刀6线（非0压线），由1套“4定位单维轴”及1套“6定位单维轴”构成；5刀8线（非0压线），由1套“5定位单维轴”及1套“8定位单维轴”构成；5刀8线（0压线），由1套“5定位单维轴”及2套“4定位单维轴”构成；6刀10线（0压线），由1套“6定位单维轴”及2套“5定位单维轴”构成；7刀12线（0压线），由1套“7定位单维轴”及2套“6定位单维轴”构成。

对于齿条滑轨式机械传动结构的纵切机（仅考虑切刀与刀梳匹配情况），可有如下组合：4刀6线（非0压线），由1套“4定位单维轴”及2套“6定位单维轴”构成；5刀8线（非0压线），由1套“5定位单维轴”及2套“8定位单维轴”构成；5刀8线（0压线），由1套“5定位单维轴”及4套“4定位单维轴”构成；6刀10线（0压线），由1套“6定位单维轴”及4套“5定位单维轴”构成；7刀12线（0压线），由1套“7定位单维轴”及4套“6定位单维轴”构成。

注意：{6刀10线、7刀12线}纵切机一般配置为“0压线”结构。

多定位单维轴电脑控制系统标准配置（以“5定位单维轴”为例）系统由人机界面（HMI）、可编程逻辑控制器（PLC）、5套步进伺服定位装置及其限位开关、主轴驱动变频器、起落电磁阀等组成。PLC主要完成自动化排刀排线过程及其他辅机控制；用户可通过HMI配置修改设备尺寸数据、订单数据并监控设备，同时HMI还提供了与第三方控制系统交换数据的标准协议接口。对于2000mm幅宽齿条滑轨传动结构，定位精度≤0.1mm，排单时间≤3s。

二、横切机

横切机是瓦楞纸板生产线中的重要设备，其性能势必影响成型纸板的质量、生产效率、材料损耗以及制造成本等，同时横切机也是瓦楞纸板生产线中控制过程比较复杂的一部分。保证成型纸板质量的关键在于提高横切机控制系统的综合性能，在某种程度上，瓦楞纸板生产线性能提高的关键在于横切机控制技术的发展和应用。目前，横切机大多采用机械刀或者电脑刀。采用机械刀的横切机，通过调整变速箱传动比来改变瓦楞纸板的长度。受齿轮间隙、机械磨损等的影响，纸板剪切不仅效率低而且误差较大。采用电脑刀的横切机大多采用普通变频器或单片机进行控制，虽然效率较高，但是仍有一些缺陷。近年来，智能控制算法在横切机控制系统中的应用越来越广泛，如神经网络控制、滑模控制、模糊控制等。其中模糊控制能够提高系统动态跟随性能，可用于横切过程的精确控制，甚至可以实现不同速度、不同厚度瓦楞纸板的定长切割，具有良好的静态、动态性能。

1．横切机基本结构和工作过程

横切机是瓦楞纸板生产线末端用于对连续产出的纸板实施定长动态剪切的设备，为了提高设备加工效率，要求被剪切的纸板保持连续进给，整个剪切过程是一个动态过程，俗称“飞剪”。

横切机工作过程如图2-24所示，整个系统由上下刀辊、切刀、测速轮、驱动电机、减速器、控制系统等组成。瓦线上的纸板进给速度从每分钟几十米到几百米（该速度由生产线调速系统控制）。

系统工作时，瓦楞纸在横切机上下刀辊之间的间隙穿过，刀辊电机根据所设定的剪切长度、瓦楞纸的进给速度、指定刀辊的运动规律，驱动刀辊运动，对进给瓦楞纸板实施定长切割，即对快速产出的纸板进行“飞剪”。

工作过程：通过人机界面设定瓦楞纸的剪切长度、进给速度，进而确定刀辊电机的运动规律。如图2-25所示，剪切过程中必须满足在剪切位置瓦楞纸板的进给速度V0等于切刀线速度的水平分量V1，即速度同步。如果V0<V1，即进给速度小于切刀线速度水平分量，容易造成纸板撕裂；如果V0>V1，即进给速度大于切刀线速度水平分量，容易导致纸板起皱。另外，在一个剪切周期T内，穿过切刀的纸板长度应等于设定长度，而且误差要控制在小于±1mm范围内。为满足上述工艺要求，需要解决两个“同步”问题，即位置同步、速度同步。其中位置同步可保证剪切长度的精确性，速度同步可进一步减小剪切误差，同时保证产品质量。这两个问题的关联性较强，所以控制难度比较大。

2．螺旋式横切机的工作原理

瓦楞纸板生产速度已经达到了300m/min，且还有加快之趋势；纸板的幅宽从最初的1.2～1.8m，上升到现在2.4m，甚至更宽；纸板的定量也越来越大。由于上述综合原因，剪断纸板所需要的剪切力越来越大，剪切速度要求更快。2004年以前横切纸板多数都采用的是“直刀对切”技术，即瓦楞纸板的横切断是用一对与轴线平行直线形刀辊上的刃口同时对滚切剪完成的（直刀横切机），由于是2个刃口直接剪切全幅宽纸板，其剪切阻力非常大，对刀轴的强度和刚度要求亦加大，安装刃口的刀辊直径尺寸较大并要按实心轴来设计，转动惯量等参数也就相应上升，使启动/制动都不灵活，导致其剪切效率、质量和尺寸精度都较低，需要很大功率的电机才能拖动。为了克服传统直刀横切机的弊端，近年来国外业界推出一种螺旋式电脑横切机（图2-26）。

基本思路：当生产的瓦楞纸板带在上下刀辊间穿过向前运动时，在纸板测速装置和PLC配合控制下，按事先输入的切断长度要求，控制机构适时启动刀辊驱动伺服电机，使一对带较小螺旋角θ（θ为刀辊刃口螺旋线切线方向与该点母线方向间所夹锐角，通常θ<3°，且两刀辊方向相反）的螺旋刀辊刃口逆向转动，经近半圈的加速过渡过程后，在刀辊下/上中心平面内，上下刀辊刃口以相适应的等角速度进入交叉剪切状态，在纸板要求剪断的准确位置上，构成铰合点形式的剪刀，该点始终处于刀辊中心平面内沿轴线方向移动，瞬间从纸板一端剪切到另一端，完成切断纸板；纸板剪断后在PLC控制下电机转入制动状态，两刀辊亦经近半圈制动过渡过程，使刀刃最先切入端仍停在刀辊最上/下端（图2-26所处状态）准确位置上，等待下次剪切。

从基本原理可以看出，该横切机是以点（若考虑纸板厚度为短剪切线）方式剪断纸板的，毫无疑问可大幅度减少剪切阻力。由于剪切阻力小，则刀辊的尺寸可以变小并制成中空结构，转动惯量大幅度下降，所需的启动和制动力矩就可大幅下降。实际中，对比同幅宽直刃横切机，其电机所需功率可减少40%左右，更适合于大幅宽的纸板剪切。在螺旋剪切方式下，由于是在纸板运动的情况下动态剪切，所以必须让剪切点速度在纸板运动方向上的速度分量恰好和纸板前进运动速度大小相等、方向相反，这样就可以在纸板上剪切出一条垂直于纸板边的剪口切剪合成速度线，见图2-25。实现方式就是安装横切机时，使其刀辊轴线方向预先与纸板边夹（90°-θ）角，其转角方向可按照合成速度考虑决定。

工作过程中，因上下刀辊需不断重复“静止—加速—等速剪切—减速—静止”工作循环，上下刀辊除须保持逆向同步转动外，不论加速还是制动减速，反应时间应严格保证同步，稍有误差将带来剪切长度、切口质量的瑕疵或两刃口间的干涉碰撞，故必须保证2根刀辊正/反向无任何间隙误差。

3．横切机的控制系统

（1）控制原理　在一个剪切周期T内，切刀运动轨迹可分为补偿区和同步区。如图2-25所示，CZA表示补偿区，ABC表示同步区。当切刀位于同步区时，切刀线速度v的水平分量v1须等于瓦楞纸板进给速度v0。如此，当刀刃到达剪切点B时，切刀线速度v和瓦楞纸板进给速度v0完全相同，切断纸板。切刀从C点退出同步区，进入补偿区。切刀在补偿区进行速度、时间调整。θ表示同步角，其大小应根据瓦楞纸板的厚度确定。

在一个剪切周期内，切刀的运动规律根据切刀旋转周长P与设定剪切长度L之间的关系不同而不同。具体可分为以下五种情况：

①P>L，即旋转周长大于剪切长度，此时切刀退出同步区后，先加速运动到零点后再减速到同步速度再次进入同步区，对应切刀运动规律为同步运动—加速—减速—同步运动。

②P=L，即旋转周长等于剪切长度。在整个周期内，切刀做匀速运动且速度与瓦楞纸板进给速度相同。

③P<L<2P，即剪切长度大于旋转周长但小于旋转周长2倍。在同步区以外，切刀先减速运动到零点，随后加速运动，加速到同步速度再次进入同步区，对应切刀运动规律为同步运动—减速—加速—同步运动。

④L=2P，即剪切长度等于旋转周长的2倍，切刀运动到零点时速度刚好为零，随后又立即加速到同步速度再次进入同步区，对应切刀运动规律为同步运动—减速—零—加速—同步运动。

⑤L>2P，即剪切长度大于旋转周长的2倍，切刀退出同步区后，减速运动到零点，到达零点时速度降到0，在零点静止一段时间后，再加速到同步速度进入同步区，对应切刀运动规律为同步运动—减速—停止—加速—同步运动。

（2）模糊控制　在实际工作过程中，受振动、摩擦等因素的影响，速度同步效果不够理想。为了减小横切机的速度跟踪误差，可采用一种模糊控制器，通过速度控制提高其剪切精度（图2-27）。

以纸板进给速度为参考值，切刀同步区速度与纸板进给速度保持一致，在补偿区进行速度调整。速度调整就是伺服电机脉冲频率的改变。在实际工作过程中，通过编码器实时检测反馈脉冲个数，并计算出电机实际旋转速度，与理论值比较得到速度偏差。该速度偏差作为模糊控制器的输入量，通过模糊处理得到控制变量，即输出量。根据控制变量，调整脉冲频率f'=kuf，其中f为调整前脉冲频率；f'为调整后脉冲频率；ku表示与控制量有关的比例系数，进而实现速度的跟踪控制。由图2-27可知：根据速度参考值和实际速度反馈值，由比较器计算速度偏差e；通过求导可得误差变化率Δe；利用模糊控制器实现e和Δe的模糊化、模糊推理、解模糊化等处理，同时得到控制量u；根据控制量u，结合伺服驱动装置实现横切电机的实时模糊控制。

（3）控制系统　横切机控制系统主要包括DSP微控制器，PWM隔离驱动电路，IPM模块，电压、电流、速度检测电路以及保护电路等，控制系统结构见图2-28。以DSP作为运动控制核心，进行长度和速度检测、位置+电压+电流反馈控制、驱动控制、同步跟踪等，进而实现数字控制。具体地讲，采用光电耦合器进行脉宽调制信号（PWM）和功率控制器件的隔离与控制；霍尔电流和电压传感器信号经滤波、调幅、限幅处理后传送至DSP的A/D接口；采用增量式光电编码器实现伺服电机的速度和位置检测，编码器信号经光电隔离处理后传送至DSP的QEP接口；利用测长轮测定瓦楞纸板的进给速度，经光电隔离处理后传送至DSP的CAP接口。

三、堆码机

堆码机的作用是将生产加工好的瓦楞纸板按设定的要求进行快速传送和码放。堆码机由输送部分和堆积码放部分组成，输送部分主要是将电脑横切部分的瓦楞纸板顺序、平稳地输送至堆码机的堆积码放部分。在这一过程中，还要对瓦楞纸板表面进行清理，使表面没有污物，同时在输送过程中减少“飞边”现象发生，使输送带不需要停止就能够连续工作。

1．堆码机的主要组成及工艺

堆码机系统机构由传送带、叠取托盘、工件挡板、升降接料台、推杆、气动元件等组成，如图2-29所示。

堆码机有很多种形式，比如龙门型，吊篮型，主要核心工艺如下。

（1）订单管理功能　订单的编辑保存、显示、自动更新待加工订单，并对用户编辑的订单保存时判断是否为合法订单，不合法不予保存并给出错误提示。

（2）智能多段控制进纸压力　使高速横切后的纸板能够平稳进入堆码机。

（3）多段独立传送　交流变频器和交流变频电机精确配合，构成整个设备的传输机构，每一段速度可以独立调节，并可分别自动跟踪生产线速度，按照设定比例稳定运行，使纸板平稳整齐传送。

（4）堆码　交流伺服控制器配合交流伺服电机控制精确平稳的升降，保证堆纸效果。

（5）不停机换单换垛　可以与生产管理系统联网，提高生产效率。

2．输送部分

堆码机输送部分主要由前后两段组成，中间安装真空吸附装置以防止瓦楞纸板在通过前后两段时产生“飞边”现象。瓦楞纸板由横切机完成工作后，首先进入堆码机输送部分的清扫装置，扫掉杂质、异物，然后通过真空吸附装置进入到输送部分后段。堆码机后段由电磁离合器闭合前后两段可产生相对速度差，即前后两段的皮带线速度不同，后段速度大于前段。当堆码机堆积码放部分的瓦楞纸板达到规定数量时，后段电磁离合器分开，前段电磁离合器闭合前后两段速度相同，当堆积码放部分的瓦楞纸板运送走后，后段电磁离合器闭合，前段电磁离合器分开，前后两段又重新产生速度差，这样可以不需要停止传送带就连续完成输送、堆码、计数功能，同时极大地减少“飞边”现象的发生。堆码机输送部分前后两段的传动方式、预紧方式都相同。堆码机输送部分前段主要包括清扫装置、传送链、传送带及带张紧装置。后段主要包括上辊轮、下辊轮、离合器、传送链、传送带及张紧装置。

瓦楞纸板生产线堆码机由于传输距离长，输送部分主要由链传动和皮带传动构成，作为生产线连续生产的组成部分，堆码机输送部分的故障会导致整条线停止生产。

3．输送部分的“飞边”

瓦楞纸板在通过堆码机输送前、后两部分时，如果任由其自由通过，则由于瓦楞纸板运动惯性的作用，瓦楞纸板前端不是紧贴于输送后部，易造成方向偏斜，或者瓦楞纸板前端撞击在输送部分后部，导致粘贴部分开裂，即所谓的“飞边”现象，如图2-30所示。“飞边”问题产生的主要是因为瓦楞纸板在通过输送部分前后两部分时不能紧贴在传送带上。解决方式是在瓦楞纸板堆码机输送部分的前后两段之间安装真空吸附装置，使瓦楞纸板在通过时产生向下的吸附力，这样既能保证瓦楞纸板不会产生“飞边”情况，并且能顺利通过中间部分，不会产生滞留现象。

在堆码机输送前后两部分之间安装如图2-31所示的真空吸附装置，利用真空气泵的抽气功能通过连接管路抽取吸盘组件上的空气，产生负压，防止“飞边”现象的产生。滤清器的功能是防止空气中的杂质进入到真空气泵中。

4．堆码部分

瓦楞纸板生产线堆码机的堆积码放部分主要作用是将输送部分运送过来的瓦楞纸板计数、堆积、码放，便于运输至印刷工序附近，堆码部分结构如图2-32所示。

瓦楞纸板从输送部分出来后落到堆码部分的升降平台上，升降平台上安装可调挡纸板，根据不同规格的瓦楞纸板，由电机拖动调整挡纸板位置。瓦楞纸板不断堆积在升降平台辊轮的同时，光电计数器记录瓦楞纸板的数量，同时升降平台缓慢降落。当升降平台的辊轮降落到与输出辊道平齐时，升降平台撞动行程开关，升降平台停止运动，堆码机输送部分停止瓦楞纸板的输送。升降平台电机2启动，带动辊轮滚动，输出辊道电机3启动，将堆积、码放好的瓦楞纸板输送到输出辊道上。当光电开关检测到瓦楞纸板输送完成后，升降平台重新提升，当上升到最高点时，撞到行程开关，停止上升，瓦楞纸板输送部分继续输送瓦楞纸板。输出辊道的电机3继续运转，将输出辊道的瓦楞纸板运送到已经准备好的小车上。

根据整条瓦楞纸板生产线的需要，堆码机的堆积码放部分具体技术要求如下：保持不停机运作整体宽幅输送，输纸平稳整齐；采用电脑控制，纸板输送、计数、堆积、自动完成行程开关控制升降；自动同步输入纸板，保持不停机运作。

堆码机堆积码放部分的关键问题是升降平台的牵引，提升装置如图2-33所示。当液压缸缩短，带动滑动小车在轨道上向右侧滚动，提升双排链轮顺时针转动，同时牵引提升单排链轮逆时针转动。提升双排链轮顺时针转动和提升单排链轮逆时针转动，共同提升升降平台。反之液压缸伸长，滑动小车向左滚动则升降平台下落。堆码机堆积码放部分共有两个箱体，其中各安放一套相同的提升装置，共同牵引升降平台的四角，使升降平台水平提升或者降落。