okl 09 2011.cdr - Przegląd Papierniczy

MASZYNY I URZĄDZENIA
Przekrawacz rotacyjny do produkcji kartonu
– dokładność cięcia
Cutoff for the production
of corrugated board: cutting accuracy
STANISŁAW MUSIELAK
W artykule przedstawiono problematykę dokładności cięcia na tekturnicy, w której wiodącą rolę odgrywa przekrawacz rotacyjny. Wymagania klientów dotyczące dokładności cięcia przekrawacza rotacyjnego
wciąż rosną, a wymagania stawiane obecnie układom regulacyjnym
pod względem właściwości dynamicznych w procesie są coraz
wyższe. Dokładność cięcia jest jednym z ważniejszych wskaźników
technologicznych dla klientów posiadających te maszyny i odbiorców
tektury. Dochodzi bowiem do sytuacji, gdy producent na wskutek
złej jakości kartonu, zbyt dużych odchyłek od tolerancji cięcia traci
klientów i to nieraz bezpowrotnie! Na rynku tekturnic panuje ostra
walka konkurencyjna: duże spółki oraz małe firmy rodzinne. Ciągle
zmieniające się warunki na rynkach tektury wymagają prowadzenia
procesu technologicznego niezawodnie i dokładnie. Tekturnica (1)
jest obiektem złożonym i drogim, pracującym z reguły w systemie
3-zmianowym, a postoje i zakłócenia procesu są niewskazane.
In the corrugated process, the original material is the corrugated
board. In the final phase of the production, the board is cut to a certain
format. This is the last phase in corrugated board production with
the cutoff in the leading role.
The cutting accuracy is among the major features of the cutoff. The
final result of the product and the success of the board manufacturer
depend on cut, cutting accuracy and on the technological “look” of
the cut off board.
The presentation compares two knife systems, the encoder application as a classical measurement concept and a laser application
as alternative. How large are the standard deviations of the cutting
process? What is the main fault cause?
The major factors for negative influence on the cutoff control system
are: the influence of speed of the corrugator line and the technological
process per se. The article describes the results of the research work
performed on cutoffs. Growing requirements on cutting accuracy and
the target to achieve a high frequency of the board cut within an order
are among the most relevant criteria as to state-of-the-art cutoffs in
the technological corrugator system.
The author presents frequent system errors for both measurement
methods in industry. An analysis of their advantages and disadvantages is available.
The cutting allowance was defined, as well as the difference for the
cutoff systems “Simplex”, “Duplex” and “Triplex”. The cutoff, type
“Triplex”, is becoming more frequent, and this is where problems as
to cutting differences may occur – particularly in cases concerning
the work of the complete module, i.e. the work of all three modules.
Results relating to the German company Polytec, who are among
the worldwide leading companies in this category, are presented.
Examples of inconsistent processes are given and proposals for
optimization by stabilization of the cutting process with laser application in daily industrial routine are made. Moreover, the laser system
as outstanding alternative to service and diagnostics is discussed.
Target of this presentation is to introduce new corrugator customers
to the alternative measurement method and the introduction of new
application possibilities of the laser as to the corrugator, and not only
in terms of latest state-of-the-art machines. Likewise the reduction
of production costs and complaints is to be considered.
564
Wprowadzenie
Dokładność cięcia to jedna z najważniejszych funkcji przekrawacza. Od jakości przekrawacza i jakości uciętej tektury
zależy jakość końcowego produktu oraz sukces producenta. Do
najważniejszych czynników, które negatywnie wpływają na system regulacyjny przekrawacza, można zaliczyć wpływ prędkości
linii tekturnicy oraz sam proces technologiczny. Zdefiniowano
tolerancje cięcia oraz przedstawiono różnice cięcia dla systemów
przekrawaczy simplex, duplex i triplex. W przypadku używanych
coraz częściej przekrawaczy typu triplex mogą pojawiać się
problemy dotyczące dokładności cięcia, szczególnie przy pracy
wszystkich trzech modułów. Do badań posłużył laser niemieckiej firmy Polytec, która ma opinią wiodącej w tej technologii na
świecie. Podano przykłady procesów nieprawidłowych oraz ich
optymalizację, w wyniku cięcia z zastosowaniem lasera w praktyce przemysłowej.
Podstawowe założenia, cel,
zakres i przedmiot badań
Jednym z celów badań było porównanie dwóch systemów
pomiarowych: klasycznego z zastosowaniem encoderów oraz
lasera w aplikacji dla tekturnicy, a także uzyskanie odpowiedzi,
jak duże są odchylenia procesu cięcia i co jest głównym źródłem
zakłóceń?
Przedstawiono fragment wyników z prac badawczych przeprowadzonych na tekturnicach. Rosnące wymagania dotyczące
dokładności cięcia oraz osiągnięcie jak najwyższej powtarzalności ciętego kartonu w danym zleceniu są jednym z niezmiernie
ważnych obecnie kryteriów dla przekrawaczy w systemie technologicznym tekturnicy. Zaprezentowano spotykane zakłócenia
systemowe dla obydwóch metod pomiarowych w środowisku
przemysłowym. Dokonano także analizy ich zalet oraz wad.
Dalszym celem jest przybliżenie użytkownikom tekturnic nowej
metody pomiarowej oraz przedstawienie nowych możliwości
zastosowania lasera na tekturnicach, nie tylko w maszynach
należących do najnowszych generacji technicznych. Nie należy
Mgr inż. S.K. Musielak, BHS CORRUGATED MASCHINEN- UND
ANLAGENBAU GmbH, Paul-Engel-Str. 1, 92729 Weiherhammer, Niemcy,
[email protected]
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · WRZESIEŃ 2011
MASZYNY I URZĄDZENIA
zapominać również o konieczności obniżenia kosztów produkcji
tektury oraz o zmniejszeniu ilości reklamacji.
Wyniki badań z procesu
Zmieniające się spektra prędkości linii produkcyjnej oraz ilości
ciętych formatów, z tendencją coraz krótszych zleceń, stawiają
stronie regulacji przekrawacza coraz wyższe wymagania. Mimo
nowoczesnych systemów napędowych oraz rafinowanych
układów regulacji, w systemie mogą pojawiać się zakłócenia,
które doprowadzają do odchyłek w procesie cięcia. Często układ
regulacyjny nie jest w stanie ich skompensować.
Proces może przebiegać bezzakłóceniowo lub z zakłóceniami
sporadycznymi albo ciągłymi. Przyczyn może być wiele, typowymi są starzenie i rozregulowanie maszyn, które mogą także
wpływać na proces cięcia. Wpływ zakłóceń dominuje szczególnie
w maszynach starzejących się oraz systemach niesprawnych.
Rys.2. Przykłady zakłóceń w procesie
Intensywność uszkodzeń λ (t) to podstawowa charakterystyka
rozkładu trwałości dla wyrobów nienaprawialnych. O przebiegu
tej funkcji decydują procesy zachodzące podczas pracy maszyny
(procesu adaptacyjne oraz zużycie) (2). Istnieje wiele modeli
matematycznych, które opisują wyroby nienaprawialne (3), jak
rozkład: Weibulla, wykładniczy, logarytmiczno-normalny. Przyczyny przedstawiono na rysunku 1. Jednymi z dominujących są
zakłócenia w torze pomiarowym prędkości.
Rys. 3. Rozkłady triplex
Rys. 1. Zakłócenia w systemie tekturnicy
Typowym zjawiskiem zakłóceń w klasycznym systemie pomiarowym (koła pomiarowe) jest encoder. Główne źródła błędów,
to: poślizgi związane z jakością papierów, zmiany średnicy koła
pomiarowego wskutek temperatur lub zużycia bieżnika, zużycia
łożysk tocznych podzespołów mechanicznych, uszkadzanie
materiału/kartonu, odgnioty i występowanie wibracji.
Zjawiska te bywają nieraz trudno uchwytne, szczególnie kiedy
jeszcze ewolucja stanu obiektu jest w fazie początkowej (4). Efekty
tych zjawisk można podać jako przykłady cięcia (rys. 2).
Również w pracy systemu triplex może dochodzić do dodatkowych zakłóceń z powodu wzajemnego wpływu na prace
wszystkich trzech przekrawaczy. Przykłady rozkładów cięcia
przedstawia rysunek 3.
Uwaga: aby histogramy były bardziej czytelne, wyniki pomiarów
nie podano randomizacji.
Statystyczne sterowanie procesem produkcji (SPC) (5) możemy ocenić już wcześniej, stosując wskaźniki procesu: wskaźnik
rozrzutu parametrów procesu Cp, położenie wartości średniej
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · WRZESIEŃ 2011
Rys. 4 i 5. Przykład procesu niezdolnego
565
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 6. Wibracje koła pomiarowego
Rys. 9. Porównanie wyników między laserem i encoderem
Rys.10. Proces wyregulowany
Rys. 7 i 8. System lasera
rozkładu parametru diagnostycznego procesu Cpk i wskaźnik
położenia procesu Cpm, Cpmk.
Wskaźniki procesu podają, jak przebiega proces, jego monitorowanie, kierunek trendów wczesnego rozregulowania procesu,
jakie jest stałe nadzorowanie jego stabilności, i mogą służyć do
wykrycia zakłóceń na pewnym etapie procesu. Uwaga: wskaźniki te nie są standardem użytkowników tekturnic. Podstawą
SPC są trzy kryteria: znajomość procesu, pobieranie danych na
wszystkich etapach produkcji, ich analiza, służąca do wykrycia
ewentualnych przyczyn, ale z pewnymi ograniczeniami.
Niestety, jak wykazała praktyka, bywają sytuacje trudne
i wyregulowanie procesu, szczególnie dla kół pomiarowych,
w przypadku wcześniej wymienionych zakłóceń, bywa kłopotliwa.
Mimo że wiemy, iż proces nie spełnia kryterium poprawności,
uzyskanie poprawy bywa niełatwe. Dobrą alternatywą jest wówczas aplikacja systemu lasera (6). Porównania dokonano dla encoderów papieru i lasera. Wykonano ok. 1500 serii pomiarowych.
Typowe serie liczyły 20-50 pomiarów. Pomiary zostały zebrane
z okresu kilku tygodni z rejestracji odchyłek cięcia dla systemu
klasycznego oraz później, po wykonaniu modyfikacji. Rysunek
6 przedstawia analizę koła pomiarowego za pomocą kamery
wykonującej ok. 1000 klatek na sekundę. Doskonale widoczne
są przemieszczenia koła pomiarowego w obu kierunkach osi X
i Y. Rysunki 7 i 8 przedstawiają mieszaną aplikację – klasyczny
encoder i laser. Pomiar z użyciem lasera ma wiele zalet w stosunku do typowych encoderów.
Są to np.: rozróżnianie kierunku przemieszczania materiału,
dokładność pomiaru nieuzależniona od prędkości materiału oraz
jego rodzaju, wysoka powtarzalność cięcia, jednorazowa kalibracja, niskie koszty eksploatacyjne, brak kontaktu z materiałem
(pomiar nie powoduje odcisków na kartonie).
Zastosowanie lasera wpływa na poprawę dokładności cięcia
i jest niezbędne, zwłaszcza dla klientów posiadających bardzo
szerokie spektrum produkcji (np. 500 różnych jakości od fali E
simplex do fal CAA triplex lub Quatruplex, czy długości ciętych
formatów od 500 mm do 7000 mm). Jednak dla pewnych zakresów formatów, np. przy produkcji 700-1500 mm, wyniki związane
z dokładnością cięcia mogą być zbliżone dla dwóch systemów.
Jest sprawdzone, że serie cięcia tektury w stosie za pomocą
lasera cechuje bardzo duża powtarzalność, wyższa niż przy klasycznych metodach pomiarowych, i proces jest wycentrowany.
Jedną z negatywnych stron lasera dla systemu regulacyjnego
dokończenie na str. 568
566
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · WRZESIEŃ 2011
MASZYNY I URZĄDZENIA
dokończenie ze str. 566
przekrawacza jest statyczne odchylenie w przypadku cięcia, kiedy
następuje wyjście lasera z przedziału tolerancji (tolerancja ±35
mm, przy tak zwanym efekcie wrap, który występuje podczas
produkcji tektury złej jakości). Wówczas rozwiązaniem jest zastosowanie rolki lub szczotki dociskowej. Laser nie jest lekarstwem
na niesprawności w systemie tekturnicy.
Na rysunku 9 przedstawiono porównanie trzech systemów
pomiarowych – dwóch encoderów oraz lasera. Rozkład przedstawia skumulowane dane pomiarowe w ilości około 1500 serii
pomiarowych dla różnych formatów (od 500 mm do 7000 mm,
zachowując równomierność) oraz różne jakości fal. Dla lasera
prawie 82% wyników pomiarowych znajduje się w przedziale
poniżej ±1 mm. Wyniki te w praktyce mogą być dodatkowo
skompensowane programowo dla formatów powyżej 2500 mm.
Rysunek 10 przedstawia proces wyregulowany.
Wnioski końcowe
Badania wykazały znakomite zachowanie się systemu lasera
w przypadkach przyspieszania lub zwalniania tekturnicy (bardzo
małe odchyłki od tolerancji cięcia). Ponad 85% wyników, nawet
dla spektrów cięcia długich formatów, spełnia wymagane tolerancje.
Na dokładność cięcia wpływa wiele zakłóceń procesowych.
Sukces zapewnia dobry stan techniczny tekturnicy.
Nowe techniki pomiarowe mogą pomóc, ale nie rozwiązują
samych źródeł niesprawności.
System lasera, mimo wysokiej ceny, nabiera dużego znaczenia
w procesie i przyczynia się do poprawy jakości tektury oraz obniża
koszty produkcji.
W ciągu roku dla systemu 3-zmianowego tekturnicy, w produkcji formatów 500-6000 mm oraz bogatej gamie fal można
osiągnąć oszczędności 70000 EUR.
Literatura
1. Drzewińska E., Czechowski J., Stanislawska A.: „Technologia wytwarzania
tektury falistej”, Łódz 2006.
2. Firkowicz S.: „Statystyczne badania wyrobów“, WTN, Warszawa 1972.
3. Gniedienko B., Bielejew J., Sołowin A.: „Metody matematyczne w teorii
niezawodnosci”, WNT Warszawa..
4. Żółtowski B.: „Podstawy diagnostyki maszyn”, Bydgoszcz 1996.
5. Sałaciński T.: „SPC Statystyczne sterowanie procesami produkcji, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009.
6. „Laser Surface Velocimeter Berührungslos und hochgenau Geschwindigkeit und Länge messenLSV Serie 6000“, www.polytec.de
 
568
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · WRZESIEŃ 2011