在上一章节中，我们介绍飞锯应用的工艺描述，控制原理，飞锯功能的实现，西门子提供的解决方案以及不同方案的对比。本章节的内容我们将介绍轮切应用，由于轮切应用的工艺和适用场景相对比较复杂，我们会分几期分别进行介绍，本期介绍的内容是轮切工艺描述、常见机械结构以及轮切的工艺需求。

轮切工艺描述：

轮切又名“飞剪”，轮切机组一般由一组旋转辊组成,一个或多个刀附加到周长。如图1所示，刀辊旋转时，把原材料按照工艺要求剪切成相同长度的部分，轮切应用常用于钢铁加工、造纸行业等生产线上，是一种能快速切断铁板、钢管、纸卷、塑料的加工设备，轮切工艺的任务主要是将送进辊驱动的带状或棒状材料在送进过程中驱动剪切刀运动实现材料的定长剪切，因为飞剪运动在剪切过程中不需停止送料，并能在加工过程中自由修改剪断长度和送料速度，所以能大大提高剪切的加工效率。由于飞剪式是连续生产，材料在送进过程中无需频繁启停，对材料板面光洁度及是否含油等要求不高，不会在板材表面产生划伤擦痕。轮切在剪切过程中不需要停止送料轴，相对于飞锯应用特别适合用于加工高送料速度短板剪切。采用飞剪有利于使生产迅速向高速化、连续化方向发展。因此，它是连续物料加工行业发展的重要环节之一。

 图1 轮切的工艺描述

轮切的基本机械结构：

为了在生产机械上实现快速连续剪切，需要一种机械结构，可以将电机的旋转动作转化为直线方向的剪切动作。目前，剪切设备从机械结构上来讲有两种常见形式，如图 2 所示。图中虚线表示既有可能是单刀辊结构，也有可能是对称的双刀辊结构：

图 2 轮切机的常见形式

这两种结构的共同点是，随着刀辊的旋转，每一个刀头也沿着一个圆形的轨迹运动，并且其线速度与刀辊的圆周速度成正比。而两种结构的不同点是（a）的结构简单，刀头直接固定在刀辊上，运动部件少，可以达到较高的运行速度，而且容易保证刀头的位置控制精度；而缺点是刀头的纵向行程比较短，无法切割较厚的材料。因为对于较厚的被切割材料，需要较长的刀头来获得较长的纵向行程。当较长的刀头与材料发生接触时，刀头与材料之间的夹角会比较小，从而对刀头产生比较大的横向作用力，一方面容易损坏刀头，另一方面也容易使被切割材料的切口发生变形。因此，使用这种刀辊结构的刀头通常不会很长，刀头的纵向行程也比较短，只适合切割较薄的材料，或对较厚的材料进行轧花。而（b）的结构较为复杂，运动部件比较多，不适合剧烈的快速运转。所以运行速度相对较低，能够达到的刀头位置控制精度也相对差一些。但是这种机构也有很明显的优势，在刀辊的运动过程中，刀头始终与被切割材料保持垂直，不存在结构（a）中的刀头横向应力的问题。因此使用这种机械结构可以将刀头做得比较长，来获得较大的刀头纵向行程，可以切割较厚的材料。因此，结构（a）常用于对速度和精度要求较高，但刀头的剪切行程较短的场合，如厚料轧花或薄膜切割设备，如折痕机、轧花机和切纸机等；而结构（b）常用于对速度和精度要求比较低，但刀头的剪切行程又较长的场合，如钢板剪切、垂直落袋机的横封机构等。虽然这两种结构各有优缺点，但是对于刀头的位置控制，两者是没有本质差别的。除了上面两种常见刀辊结构外，还有一些较为特殊的结构，如图 3 所示，这几种机械结构较为复杂，运动零件较多，而且随着旋转机构的旋转，每一个刀口的运动轨迹也不规则，刀口的位置控制不像前面介绍的两种刀辊方便。所以与前面的两种结构相比，这几种结构在实际应用需要特殊规划CAM同步曲线。

图 3 几种特殊的剪切设备结构

我们这里介绍的轮切应用采用的就是图 2 中的机械结构。由于对于刀头的位置控制来讲，（a）与（b）没有区别，所以在下文中我们选择更加高速的结构（a）来进行介绍，如图 1 所示。使用不同的横切机构，即不同的“刀辊”，也可以完成一些类似的处理工艺，如冲孔（Perforating）、轧花（Embossing）和横封（Cross Sealing）等，如图4 所示：

图 4 与轮切类似的冲孔和横封工艺

另外，在实际应用中为了减小剪切阻力，我们会使用飞剪（Flying Shear）。实现方法有两种：第一种，刀头与刀辊的中轴不平行，那么在切割的过程中，刀头将与被切割材料进行点接触而非线接触，从而构成飞剪，这种刀辊常用于薄膜切割设备；第二种，刀头与刀辊中轴平行，但刀刃是不平的，即刀头上各点到刀辊中轴的距离不相等，这样也构成了飞剪，这种刀辊常用于金属切割设备。

无论是冲孔、轧花、横封还是飞剪，这些工艺实际上都属于轮切，也都属于这一解决方案的适用范畴。所以在本文中，我们将这些处理工艺统一称作“轮切”，而不再加以区分。

轮切的类型很多，主要有圆盘回转式飞剪、曲柄连杆式飞剪、双滚筒式飞剪，等等 。轮切应用在纸机、金属板材、金属棒线材等加工行业的应用案例如图5所示：

图5 轮切应用案例

轮切应用中的工艺需求：

1．轮切工艺基本要求

- 剪切时，飞剪剪刃在材料运动方向的分速度应该与材料运动速度相等或稍大，若刀轴速度慢则剪刃阻挡材料前进造成材料变形或事故，若刀轴速度大太多，剪刃将对材料产生拉力，影响剪切质量切对飞剪产生冲击

- 能剪切不同规格的产品

- 能剪切不同长度要求的产品

- 剪切长度精度满足要求

- 剪切断面的质量满足要求

- 能满足轧机机组的速度和生产率要求

2．轮切应该具备的核心功能的属性

- 线性剪切曲线可选的叠加速度

在材料和刀轴相同的速度移动,或者选择性地增加刀轴速度。

- 多项式曲线剪切

剪切曲线可定义增加速度分别在剪切起始点、在0点位置及剪切结束的位置

- 凸轮轮廓

跨刀轴运动控制凸轮曲线的定义。下面的凸轮轮廓可以配置参数：线性（恒定加速度），梯形（急加速度限制），多项式和正弦。

- 色标校正通过可调速度校正

在操作过程中,通过使用叠加运动，用户可以纠正印刷标志的偏差。

- 多刀系统

轮切应用程序支持多刀系统

- 轮切刀轴的静止位置可以调整

刀轴在两个剪切之间的静止位置可以参数化。

- 定义启动和停止的行为

轮切刀轴开始和停止使用特殊CAM曲线实现。因此,轮切刀轴的运动控制在剪切之前和之后可以精确控制。

- 剪切过程中保持匀速

当刀在切的过程中有强烈干扰运行时，应激活此功能。在这种情况下，当旋转刀在进入同步切割区域时，辅助轴将与主值分离，并将继续以在进入切割区域之前最后测量的速度移动。在切割区域结束时，辅助轴再次耦合到主值，并对可能发生的长度误差进行检测和校正 (无论是否激活打印标记校正，此校正均有效)。

- 剪切长度管理

额外的核心功能来管理剪切长度并计算CAM曲线,精确到一段,这取决于确切的区段长度决定使用色标。这意味着可以使用色标快速改变剪切长度。

- 加速转矩的预先控制

轮切轴根据加速度曲线精确预控加速和减速的所需的电动转矩。

- 轮切机在自动模式可被中断

当材料处于静止状态,轮切机在自动模式下可被中断。材料轴和轮切轴被禁用。轮切机可以自由移动;但是,材料轴只能向后移动(通常发生由于材料的张力故障)。一旦故障已经解决,轮切轴恢复中断的操作位置并自动运行没有任何浪费。

- 剪切扭矩的预先控制

在切割范围内可以输入额外的扭矩叠加给定。

- 预先控制的直流环节电压控制电容器储能达到优化能源使用

这个功能用于减少整流单元功率损耗，通过电容器储能加速和制动功率。

- 通过整流单元,逆变单元和电机参数计算材料最大速度Vmax

使用当前需要凸轮(格式长度、凸轮轮廓和超速)使用迭代技术,该函数考虑整流、逆变器和电动机的极限的值定义，计算的最大可能的材料速度。

- 利用惯性使用钟摆

切割长度的4倍以上同步长度、凸轮计算允许摆，摆曲线自动生成。

如果满足以下条件:

        启动角+ 5°< 180°<停止角+ 5° 　

当启动和停止位置适当选择“单切”操作模式允许 “利用惯性”类型。

- 在多个主值之间切换

标准应用程序可以管理多个不同的主值和在它们之间准确地切换。

以上内容都是对轮切中机械部分的基本知识和工艺介绍，这些内容是轮切的理论基础，西门子的解决方案也不例外。下期分享的内容为《运动控制应用天地—轮切应用（2）》，介绍西门子轮切解决方案，谢谢！

 

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