针布收卷恒张力机构研究

奶茶色月季 2020-10-17

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本文发表在2011年出版的第21期《梳理技术》杂志上，更多好文章期待您的投稿。投稿、咨询邮箱：shulijishu@geron-china.com

针布收卷恒张力机构研究

朱永书 [金轮针布（江苏）有限公司]

0 前言

在纺织、造纸、印染等生产线的收料过程中，随着收卷的不断进行，收料料盘的直径也随之变大，而控制收料料盘速度的电机转速恒定不变，从而导致收料的线速度增大，进而收料张力逐渐变大，这对生产线实现收料的恒速控制或恒张力控制提出要求。随着产品质量需求越来越高，传统的应用同步控制器来实现恒速控制已渐渐不能满足市场的需求，用人机、PLC、变频器、伺服以及传感器等产品实现高精度恒速和恒张力控制已经是大势所趋^［1］。

目前市场上存在各种各样的恒张力控制方案，爱默生网络能源有限公司深圳分公司的周孚宏采用变频器实现对线缆设备的恒张力控制，该系统放卷装置中的摆杆位置变化能直接反应系统的张力变化，所以该控制系统以摆杆的位置量作为直接的控制对象，从而达到控制张力的目的^［2］。长春工业大学的杨光等人采用压电式测力传感器实时对张力进行测量，将实测张力值输入到DSP中，由DSP对实测数值和设定值进行比较得出偏差，经运算放大偏差后以励磁电流的形式输出给磁粉制动器，从而改变输出转矩，达到恒张力控制的目的^［3］。王锁弘和张永利用位移传感器测得收卷半径变化，进而输出相应变化的电流，实现对转矩的自动调节，达到恒张力控制的目的^［4］。另外王锁弘等利用一个单片机闭环控制系统，并设定一个张力范围，由称重传感器反馈回来实际张力值与给定值进行比较，所得的张力差即为调节的依据，其调节元件为磁粉制动器^［5］。

尽管国内很多人在恒张力控制上进行了深入研究，但是由于产品收卷的精度、场合和性能不同，张力控制的实现形式也就具有多样性和复杂性，设计一套合理的经济实用的张力控制系统便是企业采购设备前所要考虑的首要条件。本文首先介绍几种常用的张力控制结构，着重对针布齿条在收卷过程的恒张力控制进行了研究，为设计合理的恒张力机构提供理论参考。

1 常用的张力控制方式

常用的张力控制方式可分为两大类：间接张力控制和直接张力控制。前者是通过电气传动理论对恒张力卷绕系统进行静态的和动态的分析，从中找出影响张力的所有物理量，并分别对他们进行控制，这些物理量有功率、电流、电枢反电势、卷径等；后者是用张力传感器直接检测张力值，经张力控制器投入系统中进行闭环调节^［6］。

1.1 间接控制方式

1.1.1 转矩控制恒张力机构

转矩控制模式是指变频器控制的是电机的转矩，而不是频率，输出频率是跟随材料的速度自动变化。根据公式F=T/R（其中F为材料张力，T为收卷轴的扭矩，R为收卷的半径），可看出，如果能根据卷径的变化调整收卷轴的转矩，就可以控制材料上的张力，这就是开环转矩模式控制张力的根据，其可行性还有一个原因是材料上的张力只来源于收卷轴的转矩，收卷轴的转矩主要作用于材料上。武汉理工大学的郑长征和唐艳等正是根据这种原理设计了一种张力控制模块，其转矩的产生由执行器（磁粉制动器）提供，该执行器是电流控制器件，故通过控制电流便实现转矩的控制。由上述思想，设计的张力控制方法无需传感器，只要根据张力与半径、转矩之间的关系，通过检测收放卷材料的半径，利用单片机的运算功能实现张力控制^［7］。

1.1.2 利用调节辊的恒张力控制

图1是利用调节辊进行张力控制的示意图。调节辊利用弹簧、气压、重锺在一定方向上施加一定大小的力，不管其位置是否变动始终使加工物保持一定的张力。使用调节辊时，张力与变频器的控制没有直接关系，但所提供的阻力的大小为F的一半。调节辊的张力控制功能只限于在其容许的行程以内。安装在调节辊上的同步信号机，将偏离中心位置的位移量变为电信号并取出，作为补偿信号加到变频器1上作为频率指令，当调节辊向上偏移时，此信号的极性应使滚筒1的速度下降；反之向下偏移时应使速度上升。这样，调节辊被控制在行程的中心位置。这种控制方式的优点在于振动误差可以在机械侧被吸收，所以用简单的V/F控制通用变频器即可构成控制系统。

图1 调节辊恒张力调节示意

1.1.3 闭环速度控制模式

此外，随着时间的推移收卷料直径逐渐增大，收卷转速应同步变化以控制收料的张力和速度保持一定关系，这要求变频器具有恒功率输出特性。由于在放卷料的过程中材料的线速度对张力有直接影响，故保持线速度恒定能间接保证张力恒定，这就需要检测一个线速度信号，进行闭环反馈控制。此处的闭环反馈是指构成闭环调节的速度检测反馈信号，速度控制模式是指变频器根据反馈信号调节收卷输出频率，从而达到控制的目的（见图2）。

图2 恒张力闭环速度控制示意

该种控制模式的原理是通过微机计算材料线速度与收卷料盘角速度之间的一个关系式，并设定一个匹配值，通过线速度反馈信号对料盘的角速度进行控制，使收卷过程中材料的收卷线速度保持在一个恒定范围内。

1.2 直接恒张力控制

对于高精度张力控制场合，可采用张力检测器的反馈控制。张力检测器有差动变送器式和测力传感器式等类别。图3为造纸厂的最后工序卷取机和卷放机采用张力检测器的张力控制系统图。该系统要求把已卷在卷筒（卷放机）上的纸再次以恒定张力从卷取机上高质量地卷下来。卷取机传动的电动机以恒速运转卷取纸张，卷放机的电动机则以再生制动状态运转产生张力。卷取机的滚筒运行与张力控制无关。在此仅以卷放机为重点进行说明。卷放机采用矢量控制变频器并带有再生运转功能，用转换开关来选择用张力控制或速度控制。速度控制仅在开机穿通纸张时使用，正常运转使用张力控制。速度控制器SC上输入速度指令和反转微速指令，因此SC的输入总是以偏差的形式给定。利用张力给定信号调节SC的输出限制器，可使实际的转矩指令值增减。在稳定状态下，由转矩控制器IC输入端比较张力给定和张力反馈值来修正限制器的值，其控制作用是使两者相等。本系统采用这种结构方式，由于卷放机的转速不会超过反转的微速，即使卷取过程中纸张发生断裂，也不会超速运转。

图3 直接恒张力控制示意

2 针布类成品收卷的恒张力控制设计

针布类成品在收卷时，当收卷张力过大时，导致收卷过紧，使成品存在拉伸力，当收卷张力过小时导致收卷材料存在褶皱，所以导致包卷的成品质量不稳定，甚至严重影响产品的质量，这就要求精确的控制收料过程中的张力大小。

参考1.2节张力控制方案，将针布收料部分恒张力控制结构设计成如图4形式，实施原理为：由阻尼辊拖动针布给收料盘收料施加拉力，这样可紧密的将针布包覆在料盘上。由张力传感器测得下压力大小，经张力控制仪计算得出针布所受的张力值，与设定的张力值比较后，通过偏差信号对电机进行控制，从而达到恒张力控制目的。该张力控制仪中包含设计的张力值，微机（其作用是将张力传感器测得张力进行计算并与设定值比较）、电机控制器等。所设计的针布收料恒张力结构控制过程相对简单，由于控制的是真实张力，所以在收卷过程中材料的张力相对恒定。