隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，高精度、高質量和高速度作業(yè)的機械設備，如絲綢印花機、紡織機、印刷機等，對張力控制提出了更高的要求。張力控制成為了工業(yè)和生產過程中不可或缺的重要因素，成為提高生產效率、保障產品質量、提高設備運行精準度的關鍵。

　　文/深圳市威科達科技有限公司

　　張力是指受到拉力作用時，物體內部任一截面兩側存在的相互牽引力。長材料的加工過程中，比如：紙、膠片、線、電纜、各種薄膜和繩等都存在張力。張力控制是對在兩個加工設備之間作連續(xù)運動或靜止的被加工材料所受的張力進行自動控制的技術。

　　如圖1所示，張力=扭矩/半徑(T=X/R)。當張力過大時，不適當?shù)膹埩е虏牧仙扉L，破壞卷的形狀，如果張力超過材料的剪切強度，甚至會破壞卷筒。另一方面，張力不足也會導致收卷卷筒伸縮或下垂，最終導致成品質量低下。

　　圖1 張力控制

　　1 張力控制的三種方式

　　實現(xiàn)張力控制需要應用到張力控制器，這是一種實現(xiàn)恒張力或者錐度張力控制的自動控制系統(tǒng)，其作用主要是實現(xiàn)輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制。整個系統(tǒng)主要由張力控制器、張力檢測器、制動器和離合器構成?？刂品绞街饕惺謩涌刂?、開環(huán)張力控制、閉環(huán)張力控制三種。

　　(1)手動控制

　　手動張力控制就是在收卷和放卷過程中，通過人工分階段調整張力的幅值，以滿足不同階段的張力控制。當卷徑變化時，操作人員需要通過感覺來調整控制輸出以保證張力不會過大或過小。手動控制方式擁有以下三個特點：

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　?、诟鶕?jù)人的手感調整材料拉伸;

　?、壑荒苓M行階段性的控制。

　　由于采用手動控制，無法保證整個過程中張力的恒定，張力控制的調節(jié)精度比較差。該方式一般應用在張力控制精度要求不高，自動化程度低的應用場景。

　　(2)開環(huán)張力控制

　　開環(huán)張力控制就是在變頻器收卷和放卷過程中，自動檢測卷徑的變化，并實時調整收卷和放卷的力矩的方法，又稱為半自動式張力控制或者卷徑檢測方式。開環(huán)張力控制有以下三個特點：

　?、龠M行相對穩(wěn)定的控制;

　?、诓恍枰獜埩z測器;

　?、塾袡C械損耗，不能把握控制張力。

　　由于受到執(zhí)行機扭矩變化、線性和機械損耗等影響，張力絕對控制精度有限，多應用在用戶無法安裝張力反饋裝置的場合。

　　(3)閉環(huán)張力控制

　　閉環(huán)張力控制亦稱為全自動張力控制方式，在開環(huán)張力控制的基礎上，使用張力傳感器、浮動輥、自由式浮動輥等反饋器件，通過PID調節(jié)，實時修正電機速度、轉矩，從而實現(xiàn)較高的張力控制精度。閉環(huán)張力控制有以下三個特點：

　?、倏刂凭攘己?

　?、谥苯幼x取和控制張力數(shù)值;

　　③成本高，需要對機械運動動作和控制進行協(xié)調。

　　對于該種張力控制方式，由于其進行了閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)高精度的張力控制，能夠滿足高精度、高質量和高速度作業(yè)的機械設備。因為需要安裝張力檢測器，成本會相對其他方式會有所增加。

　　這里分享一個典型應用案例：威科達貼邊滾焊機張力方案中的過程張力A閉環(huán)控制。

　　2 威科達貼邊滾焊機張力方案

　　圖2 系統(tǒng)結構圖

　　傳統(tǒng)的張力控制方法一般是：主動輥和壓焊印A兩根輥通過電氣或機械加工形成速差來使里面的材料繃緊，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 威科達的張力控制示意圖

　　威科達的張力控制方法則是(圖3)：在此區(qū)域安裝一個張力傳感器以檢測其實際張力大小，先根據(jù)機械參數(shù)算出主動輥和壓焊印A的速度比例關系，然后再慢速將機器開起來讓傳動輥運轉幾圈，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)來修正電子齒輪比系數(shù)，精準匹配速度比例關系，使兩者的線速度基本同步，從而保證在運行過程中PID調節(jié)范圍小，過程張力更穩(wěn)定。

　　3 實現(xiàn)張力控制優(yōu)化的三種途徑

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

　　(1)卷徑計算

　　卷徑計算是張力控制的一個關鍵內容。在生產過程中，開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑是在不斷變大，因此轉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，卷筒的瞬時卷徑計算是必需的。常見的卷徑計算方式有以下三種：

　?、偻ㄟ^牽引、收放卷的角速度和線速度來計算卷徑;

　?、谕ㄟ^材料的厚度計算面積，從而得到卷徑;

　?、弁ㄟ^傳感器直接測量卷徑。

　　圖4 卷徑計算

　　卷徑計算是實現(xiàn)張力控制優(yōu)化的方法之一。隨著卷徑的變化，控制電機的轉矩發(fā)生相應的增加和減小，從而得到穩(wěn)定的開卷、卷取張力，順利地進行生產。

　　(2)閉環(huán)張力控制

　　通過上文的三種張力控制方式介紹可知，閉環(huán)張力控制相對于另外兩種方式，在穩(wěn)定性和精度上均有優(yōu)勢。想要實現(xiàn)張力控制效果的進一步提升，閉環(huán)張力控制無疑是必然選擇。

　　據(jù)介紹，威科達閉環(huán)張力控制會在收放卷上增加卷徑計算和慣量計算，這樣就不會完全依賴于PID調節(jié)，使得張力控制更加平穩(wěn)。

　　(3)慣量計算

　　在收放卷加、減速的過程中，需要提供額外的轉矩用于克服整個系統(tǒng)的轉動慣量。如果不加補償，將出現(xiàn)收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大，減速時張力偏小的現(xiàn)象。因此，想要實現(xiàn)張力控制優(yōu)化，慣量計算必不可少。

　　慣量計算是收放卷在加減速過程中會產生一個慣性，威科達通過改變電機轉矩的大小來抵消掉慣性，從而使張力控制更加穩(wěn)定。

　　圖5 VC510張?控制專?型伺服

　　針對張力控制的諸多難點，威科達提供了全伺服張?控制解決?案，以VC510張?控制專?型伺服為核?，針對不同的機械采?不同的張?控制模式，將張?控制器集成于伺服驅動器內，實現(xiàn)收放卷開環(huán)張?控制、收放卷閉環(huán)張?控制、過程張?控制等，達到?精度、?穩(wěn)定性、免維護且節(jié)能的效果。

　　作為運動控制整案定制專家，威科達專注運動控制領域19年，旗下產品涵蓋有通用型伺服，張力控制、鏈刀、輪切、追剪、獨立模切、雙閉環(huán)專用、全閉環(huán)壓力控制等專用伺服，對電子凸輪、同步控制、張力控制、各種運動疊加，有深入的研究和廣泛的應用，深度解決工業(yè)自動化控制痛點，讓設備運行更加穩(wěn)定、高效。