隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，高精度、高質(zhì)量和高速度作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，如絲綢印花機(jī)、紡織機(jī)、印刷機(jī)等，對(duì)張力控制提出了更高的要求。張力控制成為了工業(yè)和生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的重要因素，成為提高生產(chǎn)效率、保障產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備運(yùn)行精準(zhǔn)度的關(guān)鍵。

　　文/深圳市威科達(dá)科技有限公司

　　張力是指受到拉力作用時(shí)，物體內(nèi)部任一截面兩側(cè)存在的相互牽引力。長(zhǎng)材料的加工過(guò)程中，比如：紙、膠片、線、電纜、各種薄膜和繩等都存在張力。張力控制是對(duì)在兩個(gè)加工設(shè)備之間作連續(xù)運(yùn)動(dòng)或靜止的被加工材料所受的張力進(jìn)行自動(dòng)控制的技術(shù)。

　　如圖1所示，張力=扭矩/半徑(T=X/R)。當(dāng)張力過(guò)大時(shí)，不適當(dāng)?shù)膹埩?huì)導(dǎo)致材料伸長(zhǎng)，破壞卷的形狀，如果張力超過(guò)材料的剪切強(qiáng)度，甚至?xí)茐木硗?。另一方面，張力不足也?huì)導(dǎo)致收卷卷筒伸縮或下垂，最終導(dǎo)致成品質(zhì)量低下。

　　圖1 張力控制

　　1 張力控制的三種方式

　　實(shí)現(xiàn)張力控制需要應(yīng)用到張力控制器，這是一種實(shí)現(xiàn)恒張力或者錐度張力控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其作用主要是實(shí)現(xiàn)輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制。整個(gè)系統(tǒng)主要由張力控制器、張力檢測(cè)器、制動(dòng)器和離合器構(gòu)成。控制方式主要有手動(dòng)控制、開(kāi)環(huán)張力控制、閉環(huán)張力控制三種。

　　(1)手動(dòng)控制

　　手動(dòng)張力控制就是在收卷和放卷過(guò)程中，通過(guò)人工分階段調(diào)整張力的幅值，以滿足不同階段的張力控制。當(dāng)卷徑變化時(shí)，操作人員需要通過(guò)感覺(jué)來(lái)調(diào)整控制輸出以保證張力不會(huì)過(guò)大或過(guò)小。手動(dòng)控制方式擁有以下三個(gè)特點(diǎn)：

　　①成本低;

　?、诟鶕?jù)人的手感調(diào)整材料拉伸;

　?、壑荒苓M(jìn)行階段性的控制。

　　由于采用手動(dòng)控制，無(wú)法保證整個(gè)過(guò)程中張力的恒定，張力控制的調(diào)節(jié)精度比較差。該方式一般應(yīng)用在張力控制精度要求不高，自動(dòng)化程度低的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　(2)開(kāi)環(huán)張力控制

　　開(kāi)環(huán)張力控制就是在變頻器收卷和放卷過(guò)程中，自動(dòng)檢測(cè)卷徑的變化，并實(shí)時(shí)調(diào)整收卷和放卷的力矩的方法，又稱(chēng)為半自動(dòng)式張力控制或者卷徑檢測(cè)方式。開(kāi)環(huán)張力控制有以下三個(gè)特點(diǎn)：

　?、龠M(jìn)行相對(duì)穩(wěn)定的控制;

　?、诓恍枰獜埩z測(cè)器;

　?、塾袡C(jī)械損耗，不能把握控制張力。

　　由于受到執(zhí)行機(jī)扭矩變化、線性和機(jī)械損耗等影響，張力絕對(duì)控制精度有限，多應(yīng)用在用戶無(wú)法安裝張力反饋裝置的場(chǎng)合。

　　(3)閉環(huán)張力控制

　　閉環(huán)張力控制亦稱(chēng)為全自動(dòng)張力控制方式，在開(kāi)環(huán)張力控制的基礎(chǔ)上，使用張力傳感器、浮動(dòng)輥、自由式浮動(dòng)輥等反饋器件，通過(guò)PID調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)修正電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)較高的張力控制精度。閉環(huán)張力控制有以下三個(gè)特點(diǎn)：

　?、倏刂凭攘己?

　?、谥苯幼x取和控制張力數(shù)值;

　?、鄢杀靖撸枰獙?duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)作和控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。

　　對(duì)于該種張力控制方式，由于其進(jìn)行了閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度的張力控制，能夠滿足高精度、高質(zhì)量和高速度作業(yè)的機(jī)械設(shè)備。因?yàn)樾枰惭b張力檢測(cè)器，成本會(huì)相對(duì)其他方式會(huì)有所增加。

　　這里分享一個(gè)典型應(yīng)用案例：威科達(dá)貼邊滾焊機(jī)張力方案中的過(guò)程張力A閉環(huán)控制。

　　2 威科達(dá)貼邊滾焊機(jī)張力方案

　　圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　傳統(tǒng)的張力控制方法一般是：主動(dòng)輥和壓焊印A兩根輥通過(guò)電氣或機(jī)械加工形成速差來(lái)使里面的材料繃緊，這種做法需靠材料的拉伸或其中的一根棍自然打滑方可使用，拉伸度不夠的材料不適合使用;還有一種方法是用浮輥，這種方法不適合小張力。

　　圖3 威科達(dá)的張力控制示意圖

　　威科達(dá)的張力控制方法則是(圖3)：在此區(qū)域安裝一個(gè)張力傳感器以檢測(cè)其實(shí)際張力大小，先根據(jù)機(jī)械參數(shù)算出主動(dòng)輥和壓焊印A的速度比例關(guān)系，然后再慢速將機(jī)器開(kāi)起來(lái)讓傳動(dòng)輥運(yùn)轉(zhuǎn)幾圈，系統(tǒng)根據(jù)張力傳感器的張力反饋大小和編碼器脈沖反饋雙閉環(huán)來(lái)修正電子齒輪比系數(shù)，精準(zhǔn)匹配速度比例關(guān)系，使兩者的線速度基本同步，從而保證在運(yùn)行過(guò)程中PID調(diào)節(jié)范圍小，過(guò)程張力更穩(wěn)定。

　　3 實(shí)現(xiàn)張力控制優(yōu)化的三種途徑

　　實(shí)現(xiàn)張力控制優(yōu)化主要有三種途徑：一是卷徑計(jì)算;二是閉環(huán)張力控制;三是慣量計(jì)算。

　　(1)卷徑計(jì)算

　　卷徑計(jì)算是張力控制的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。在生產(chǎn)過(guò)程中，開(kāi)卷機(jī)的卷徑是在不斷變小，卷取機(jī)的卷徑是在不斷變大，因此轉(zhuǎn)矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩(wěn)定的張力。由此可見(jiàn)，卷筒的瞬時(shí)卷徑計(jì)算是必需的。常見(jiàn)的卷徑計(jì)算方式有以下三種：

　?、偻ㄟ^(guò)牽引、收放卷的角速度和線速度來(lái)計(jì)算卷徑;

　?、谕ㄟ^(guò)材料的厚度計(jì)算面積，從而得到卷徑;

　?、弁ㄟ^(guò)傳感器直接測(cè)量卷徑。

　　圖4 卷徑計(jì)算

　　卷徑計(jì)算是實(shí)現(xiàn)張力控制優(yōu)化的方法之一。隨著卷徑的變化，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的增加和減小，從而得到穩(wěn)定的開(kāi)卷、卷取張力，順利地進(jìn)行生產(chǎn)。

　　(2)閉環(huán)張力控制

　　通過(guò)上文的三種張力控制方式介紹可知，閉環(huán)張力控制相對(duì)于另外兩種方式，在穩(wěn)定性和精度上均有優(yōu)勢(shì)。想要實(shí)現(xiàn)張力控制效果的進(jìn)一步提升，閉環(huán)張力控制無(wú)疑是必然選擇。

　　據(jù)介紹，威科達(dá)閉環(huán)張力控制會(huì)在收放卷上增加卷徑計(jì)算和慣量計(jì)算，這樣就不會(huì)完全依賴于PID調(diào)節(jié)，使得張力控制更加平穩(wěn)。

　　(3)慣量計(jì)算

　　在收放卷加、減速的過(guò)程中，需要提供額外的轉(zhuǎn)矩用于克服整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。如果不加補(bǔ)償，將出現(xiàn)收卷過(guò)程加速時(shí)張力偏小，減速時(shí)張力偏大，放卷過(guò)程加速時(shí)張力偏大，減速時(shí)張力偏小的現(xiàn)象。因此，想要實(shí)現(xiàn)張力控制優(yōu)化，慣量計(jì)算必不可少。

　　慣量計(jì)算是收放卷在加減速過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性，威科達(dá)通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)抵消掉慣性，從而使張力控制更加穩(wěn)定。

　　圖5 VC510張?控制專(zhuān)?型伺服

　　針對(duì)張力控制的諸多難點(diǎn)，威科達(dá)提供了全伺服張?控制解決?案，以VC510張?控制專(zhuān)?型伺服為核?，針對(duì)不同的機(jī)械采?不同的張?控制模式，將張?控制器集成于伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)收放卷開(kāi)環(huán)張?控制、收放卷閉環(huán)張?控制、過(guò)程張?控制等，達(dá)到?精度、?穩(wěn)定性、免維護(hù)且節(jié)能的效果。

　　作為運(yùn)動(dòng)控制整案定制專(zhuān)家，威科達(dá)專(zhuān)注運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域19年，旗下產(chǎn)品涵蓋有通用型伺服，張力控制、鏈刀、輪切、追剪、獨(dú)立模切、雙閉環(huán)專(zhuān)用、全閉環(huán)壓力控制等專(zhuān)用伺服，對(duì)電子凸輪、同步控制、張力控制、各種運(yùn)動(dòng)疊加，有深入的研究和廣泛的應(yīng)用，深度解決工業(yè)自動(dòng)化控制痛點(diǎn)，讓設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定、高效。