張力控制及多機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)概述

一般在線纜、造紙、紡織印染、印刷、食品、薄膜生產(chǎn)中，在處理如線纜、紙張、絲、線、布、膜等材料，進(jìn)行復(fù)卷、分切、排繞、復(fù)合、印刷時(shí)，都會(huì)用上卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線，在此類線上，常須實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)速度、張力同時(shí)受控的目標(biāo)，即通常所說(shuō)的張力控制及多機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。 為保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率及可靠性，目前國(guó)內(nèi)常成套進(jìn)口整套控制系統(tǒng)。為幫助各廠家完善設(shè)備、提高效率、降低成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，我們精心設(shè)計(jì)制作了一系列張力控制及多機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及進(jìn)口設(shè)備、舊設(shè)備的改造更新，提出了現(xiàn)實(shí)張力伺服控制及多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的優(yōu)化方案。

1.張力伺服控制系統(tǒng)組成

張力伺服控制系統(tǒng)常包含張力檢測(cè)單元、張力控制運(yùn)算單元、張力錐度控制單元、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

2.張力檢測(cè)單元

張力伺服控制系統(tǒng)中所用的張力檢測(cè)單元一般為力傳感器式和氣壓浮輥式兩種。 力傳感器式張力檢測(cè)單元是通過(guò)檢測(cè)輪將卷料張力以微變形的方式反映到壓力傳感器上，然后通過(guò)應(yīng)變檢出裝置檢出張力，再將信號(hào)經(jīng)放大后送張力控制運(yùn)算單元處理（如下圖）。由于傳感器自重及檢測(cè)輪及卷料的重量的存在，即使張力為零，力傳感器的輸出也不為零，而是隨傳感器安裝角度、檢測(cè)輥的重量及卷料的重量變化，因此必須調(diào)節(jié)傳感器的零位?；诖藛卧且晕⒆冃螜z測(cè)張力，因此當(dāng)處于平衡態(tài)的系統(tǒng)受到較強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)一般瞬間來(lái)不及發(fā)生反應(yīng)，卷料上張力的變化幅值較大，對(duì)張力控制系統(tǒng)盡快重新進(jìn)入平衡不利。 力傳感器檢測(cè)方式

氣壓浮輥式張力檢測(cè)單元通過(guò)對(duì)連接在檢測(cè)輥浮動(dòng)擺臂上的氣缸氣壓的調(diào)節(jié)來(lái)檢測(cè)卷料的張力，當(dāng)氣缸氣壓設(shè)定后，擺臂上的氣缸推力F1即為定值，如浮動(dòng)輥上的卷料拉力2F（F為卷料張力）加擺輥重力的水平分量不能與F1平衡，則擺臂即偏離原來(lái)的位置，而使連接于擺臂端的電位器發(fā)生偏轉(zhuǎn)，忽略擺輥重力的影響，此偏轉(zhuǎn)即為實(shí)際張力與設(shè)定值的偏差。通過(guò)張力伺服系統(tǒng)控制糾偏后，浮動(dòng)輥應(yīng)停流在圖示的平衡位置，此時(shí)，擺輥重力的影響亦自然消除，實(shí)際卷料張力與期望值相等。處于平衡態(tài)的該類系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生較強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，如系統(tǒng)瞬間來(lái)不及發(fā)生反應(yīng)，則卷料上的張力波動(dòng)可暫時(shí)因浮動(dòng)輥的偏擺而得到有效緩解。在某些機(jī)構(gòu)中，圖中的氣缸可由彈簧及阻尼機(jī)構(gòu)替代，從而演化為下圖所示的模式。

氣壓浮輥式張力檢測(cè)方式

浮輥式張力檢測(cè)方式

3.張力運(yùn)算控制單元及張力錐度控制單元

在獲取張力反饋信號(hào)（來(lái)自力傳感器式張力檢測(cè)單元）或張力誤差信號(hào)（來(lái)自氣壓浮輥式張力檢測(cè)單元）以后，張力控制單元協(xié)同卷料的線速參考信號(hào)，決定控制單元的輸出。 張力運(yùn)算控制單元的原理框圖如下： 張力錐度及張力初

張力錐度及張力初值含義如圖，圖中F是卷料半徑最小（等于卷芯半徑）時(shí)的實(shí)際張力，角α即為錐度角，當(dāng)卷料半徑卷至x時(shí)，實(shí)際張力f由下式得到： f=F-（x-r）tgα 張力錐度角α的設(shè)置應(yīng)使卷徑達(dá)到最大卷徑R時(shí)張力值不出現(xiàn)負(fù)值為限。 如果采用恒張力控制，則張力錐度為零。

4.張力執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)常有磁粉離合器、矢量變頻器、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)等幾種，本專題中著重介紹MFC系列寬調(diào)速矢量變頻器、SC系列直流伺服系統(tǒng)及NC系列交流伺服系統(tǒng)作為張力執(zhí)行機(jī)構(gòu)和進(jìn)行多機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的應(yīng)用情況。 在中高檔張力控制及多機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中，由于更高的速度及生產(chǎn)工藝對(duì)張力控制提出了更高的要求，使得磁粉離合器已不能勝任該類系統(tǒng)的執(zhí)行單元，目前進(jìn)口的中高檔印刷機(jī)、分切機(jī)、復(fù)合機(jī)、印染機(jī)等均采用交、直流伺服系統(tǒng)。

5.MFC系列寬調(diào)速矢量變頻器用于張力控制及多機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的主傳動(dòng)

在多機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)線各運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械加工精度的限制，各部件的振動(dòng)、摩擦阻力的變化常會(huì)造成對(duì)主傳動(dòng)速度的擾動(dòng)，主傳動(dòng)的速度的過(guò)度波動(dòng)常導(dǎo)致從動(dòng)系統(tǒng)跟蹤精度下降乃至控制失敗。在這種機(jī)構(gòu)中，主傳動(dòng)的穩(wěn)速能力已經(jīng)成為收、放卷張力控制精度進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。隨著這類系統(tǒng)對(duì)主傳動(dòng)的要求越來(lái)越高，主傳動(dòng)經(jīng)歷了普通電機(jī)——滑差電機(jī)——VVVF變頻驅(qū)動(dòng)的發(fā)展。VVVF通用變頻器在5Hz以下就很難穩(wěn)定工作，所以設(shè)備啟動(dòng)時(shí)總是要經(jīng)過(guò)一段速度波動(dòng)時(shí)間，使張力控制及整機(jī)工作無(wú)法順利進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并且在運(yùn)行過(guò)程中遇到負(fù)載變化時(shí)，速度波動(dòng)較大，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。 MFC系列變頻器具有優(yōu)秀的寬調(diào)速特性及穩(wěn)速特性，它可驅(qū)動(dòng)最普通的Y系列三相異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)200倍以上的開(kāi)環(huán)調(diào)速比，可以使您的設(shè)備從零速開(kāi)始真正做到平滑升速，讓您的用戶一開(kāi)機(jī)就能得到滿意的印刷包裝成品。在機(jī)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，MFC的速度控制精度可達(dá)0.2%，即使出現(xiàn)外部因素強(qiáng)烈變動(dòng)帶來(lái)100%的負(fù)載變化（即負(fù)載轉(zhuǎn)矩在零轉(zhuǎn)矩至滿轉(zhuǎn)矩之間突變），MFC控制下的速度變化率也不超過(guò)額定速度的±1.5% 。 MFC系列寬調(diào)速變頻器是一種無(wú)速度傳感器的矢量變頻器，它具有進(jìn)口矢量變頻器所不能比擬的參數(shù)自適應(yīng)能力，MFC是變頻器中的“傻瓜機(jī)”，它真正做到了免調(diào)試，它的高性能不依賴調(diào)試水平的高低，而是與生俱來(lái)的，每個(gè)人都是MFC的使用專家！

MFC獨(dú)有的快速反應(yīng)性能亦是設(shè)備生產(chǎn)廠家期待已久的。通過(guò)簡(jiǎn)單地改變升降速梯度，可使電機(jī)在0.1—0.2秒內(nèi)由零速度升到額定轉(zhuǎn)速，并且可以連續(xù)快速啟動(dòng)、減速停機(jī)、換向，而且在整個(gè)過(guò)程中電機(jī)絕不過(guò)流！

MFC系列寬調(diào)速變頻器可廣泛應(yīng)用于復(fù)卷機(jī)、分切機(jī)、復(fù)合機(jī)、連續(xù)輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)、多色連續(xù)印刷機(jī)、制袋機(jī)等。由于MFC系列寬調(diào)速變頻器所配的電機(jī)為Y系列電機(jī)，因而配套價(jià)格低廉，免維護(hù)性能好，與傳統(tǒng)的滑差電機(jī)或進(jìn)口矢量變頻器相比，具有明顯的性能、價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

下表是幾種主要控制模式變頻器的性能、特色比較：

6.MFC系列寬調(diào)速矢量變頻器用作張力控制的執(zhí)行單元

不同于普通的VVVF變頻器，MFC系列寬調(diào)速矢量變頻器可以象伺服系統(tǒng)那樣用-10V～+10V的設(shè)定電壓直接控制廉價(jià)的Y系列三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，并且在電機(jī)速度過(guò)零時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)現(xiàn)平滑換向，同時(shí)，MFC系列變頻器具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，用于收、放卷機(jī)構(gòu)的張力控制閉環(huán)中，可平滑控制收、放卷張力，快速適應(yīng)負(fù)載變化和整機(jī)線速度的變化。在放卷料卷在直徑由大變小的過(guò)程中，MFC可使放卷電機(jī)自動(dòng)從拉料漸變?yōu)橹鲃?dòng)送料，而在以前，該控制必須采用價(jià)格昂貴的伺服系統(tǒng)，而較為廉價(jià)的磁粉制動(dòng)器維護(hù)困難，并且必須配有助走電機(jī)以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)放卷。

7.SC系列直流伺服系統(tǒng)/NC系列交流伺服系統(tǒng)用作張力控制的執(zhí)行單元

SC系列直流脈寬伺服系統(tǒng)是一類高性能的直流伺服系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各類要求快速相應(yīng)、精密跟蹤的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。NC系列感應(yīng)式交流伺服系統(tǒng)是基于交流調(diào)速原理的最新突破而開(kāi)發(fā)的，它使廉價(jià)的感應(yīng)電機(jī)達(dá)到了無(wú)刷直流電機(jī)或同步電機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，并且NC系列交流伺服系統(tǒng)的價(jià)格相當(dāng)于同等伺服精度進(jìn)口交流伺服系統(tǒng)價(jià)格的2/3～1/2，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

8.多機(jī)聯(lián)動(dòng)控制原理

多機(jī)聯(lián)動(dòng)是基于對(duì)系統(tǒng)中的某一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行跟蹤而實(shí)現(xiàn)控制的，跟蹤方式可以是多種多樣的，如速度直接跟蹤伺服、位置隨動(dòng)伺服、通過(guò)張力伺服控制器進(jìn)行速度跟蹤等。

下圖是簡(jiǎn)單的速度-張力聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于真空鍍膜機(jī)、復(fù)卷機(jī)、印刷機(jī)、線纜設(shè)備等，是該類設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和技術(shù)關(guān)鍵。其中，電機(jī)M2為主傳動(dòng)電機(jī)，對(duì)它的速度控制決定了整條生產(chǎn)線的走料線速度，M1為放卷電機(jī)，系統(tǒng)通過(guò)張力伺服控制器和引入的主線速度信號(hào)及通過(guò)計(jì)算或測(cè)量得到的放卷卷料半徑來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主線速度的跟蹤。M3為收卷電機(jī)，它與放卷電機(jī)的區(qū)別是引入了收卷張力錐度，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的初始張力、張力錐度、當(dāng)前主線速度及通過(guò)計(jì)算或測(cè)量得到的收卷半徑來(lái)計(jì)算、控制收卷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。M4是一個(gè)獨(dú)立的速度跟蹤部件，如在線纜設(shè)備中的排纜機(jī)構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)速度跟蹤的方法是直接速度跟蹤，即根據(jù)收卷速度及跟蹤比例調(diào)節(jié)器進(jìn)行線性跟蹤。如果M2電機(jī)的控制器為雙向驅(qū)動(dòng)控制器，則整個(gè)系統(tǒng)成為可逆系統(tǒng)，即可正向走料也可反向退料。

在圖示聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)，主動(dòng)放卷M1和收卷M3系統(tǒng)中常有一個(gè)是處于發(fā)電狀態(tài)的，聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)將其發(fā)出的電能以泵能方式回饋至公用的直流母線供處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的分系統(tǒng)使用，因而系統(tǒng)同時(shí)還具備很好的節(jié)能效果。