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如何实现张力控制优化?威科达带您一文读懂

2023/09/25 阅读量:501
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张力是指受到拉力作用时,物体内部任一截面两侧存在的相互牵引力。长材料的加工过程中,比如:纸、胶片、线、电缆、各种薄膜和绳等都存在张力。张力控制是对在两个加工设备之间作连续运动或静止的被加工材料所受的张力进行自动控制的技术。

如下图所示,张力=扭矩/半径(T=X/R)。当张力过大时,不适当的张力会导致材料伸长,破坏卷的形状,如果张力超过材料的剪切强度,甚至会破坏卷筒。另一方面,张力不足会导致收卷卷筒伸缩或下垂,最终导致成品质量低下。

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随着现代工业的快速发展,高精度、高质量和高速度作业的机械设备,如丝绸印花机、纺织机、印刷机等,对张力控制提出了更高的要求。张力控制成为了工业和生产过程中不可或缺的重要因素,成为提高生产效率、保障产品质量、提高设备运行精准度的关键。


张力控制的三种方式

实现张力控制需要应用到张力控制器,这是一种实现恒张力或者锥度张力控制的自动控制系统,其作用主要是实现辊间的同步,收卷和放卷的均匀控制。整个系统主要由张力控制器、张力检测器、制动器和离合器构成。控制方式有手动控制、开环张力控制、闭环张力控制三种。


1)手动控制

手动张力控制就是在收卷和放卷过程中,通过人工分阶段调整张力的幅值,以满足不同阶段的张力控制。当卷径变化时,操作人员需要通过感觉来调整控制输出以保证张力不会过大或过小。手动控制方式拥有以下三个特点:

成本低;

根据人的手感调整材料拉伸;

只能进行阶段性的控制。

由于采用手动控制,无法保证整个过程中张力的恒定,张力控制的调节精度比较差。该方式一般应用在张力控制精度要求不高,自动化程度低的应用场景。


2)开环张力控制

开环张力控制就是在变频器收卷和放卷过程中,自动检测卷径的变化,并实时调整收卷和放卷的力矩的方法,又称为半自动式张力控制或者卷径检测方式。开环张力控制有以下三个特点:

进行相对稳定的控制;

不需要张力检测器;

有机械损耗,不能把握控制张力。

由于受到执行机扭矩变化、线性和机械损耗等影响,张力绝对控制精度有限,多应用在用户无法安装张力反馈装置的场合。


3)闭环张力控制

闭环张力控制亦称为全自动张力控制方式,在开环张力控制的基础上,使用张力传感器、浮动辊、自由式浮动辊等反馈器件,通过PID调节,实时修正电机速度、转矩,从而实现较高的张力控制精度。闭环张力控制有以下三个特点:

控制精度良好;

直接读取和控制张力数值;

成本高,需要对机械运动动作和控制进行协调。

对于该种张力控制方式,由于其进行了闭环控制,可以实现高精度的张力控制,能够满足高精度、高质量和高速度作业的机械设备。因为需要安装张力检测器,成本会相对其他方式会有所增加。


这里分享一个典型应用案例:威科达贴边滚焊机张力方案中的过程张力A闭环控制。

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传统的张力控制方法

主动辊和压焊印A两根辊通过电气或机械加工形成速差来使里面的材料绷紧,这种做法需靠材料的拉伸或其中的一根棍自然打滑方可使用,拉伸度不够的材料不适合使用;还有一种方法是用浮辊,这种方法不适合小张力。

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  威科达的张力控制方法  

在此区域安装一个张力传感器以检测其实际张力大小,先根据机械参数算出主动辊和压焊印A的速度比例关系,然后再慢速将机器开起来让传动辊运转几圈,系统根据张力传感器的张力反馈大小和编码器脉冲反馈双闭环来修正电子齿轮比系数,精准匹配速度比例关系,使两者的线速度基本同步,从而保证在运行过程中PID调节范围小,过程张力更稳定。

实现张力控制优化的三种途径

实现张力控制优化主要有三种途径:一是卷径计算;二是闭环张力控制;三是惯量计算。

1)卷径计算

卷径计算是张力控制的一个关键内容。在生产过程中,开卷机的卷径是在不断变小,卷取机的卷径是在不断变大,因此转矩必须随着卷径的变化而变化,才能获得稳定的张力。由此可见,卷筒的瞬时卷径计算是必需的。常见的卷进计算方式有以下三种: 

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通过牵引、收放卷的角速度和线速度来计算卷径;

通过材料的厚度计算面积,从而得到卷径;

通过传感器直接测量卷径。

卷径计算是实现张力控制优化的方法之一。随着卷径的变化,控制电机的转矩发生相应的增加和减小,从而得到稳定的开卷、卷取张力,顺利地进行生产。

2)闭环张力控制

通过上文的三种张力控制方式介绍可知,闭环张力控制相对于另外两种方式,在稳定性和精度上均有优势。想要实现张力控制效果的进一步提升,闭环张力控制无疑是必然选择。

据吴工介绍,威科达闭环张力控制会在收放卷上增加卷径计算和惯量计算,这样就不会完全依赖于PID调节,使得张力控制更加平稳。

3)惯量计算

在收放卷加、减速的过程中,需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿,将出现收卷过程加速时张力偏小,减速时张力偏大,放卷过程加速时张力偏大,减速时张力偏小的现象。因此,想要实现张力控制优化,惯量计算必不可少。

惯量计算是收放卷在加减速过程中会产生一个惯性,威科达通过改变电机转矩的大小来抵消掉惯性,从而使张力控制更加稳定。 

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VC510张⼒控制专⽤型伺服

针对张力控制的诸多难点,威科达提供了全伺服张⼒控制解决⽅案,以VC510张⼒控制专⽤型伺服为核⼼,针对不同的机械采⽤不同的张⼒控制模式,将张⼒控制器集成于伺服驱动器内,实现收放卷开环张⼒控制、收放卷闭环张⼒控制、过程张⼒控制等,达到⾼精度、⾼稳定性、免维护且节能的效果。

作为运动控制整案定制专家,威科达专注运动控制领域19年,旗下产品涵盖有通用型伺服,张力控制、链刀、轮切、追剪、独立模切、双闭环专用、全闭环压力控制等专用伺服,对电子凸轮、同步控制、张力控制、各种运动叠加,有深入的研究和广泛的应用,深度解决工业自动化控制痛点,让设备运行更加稳定、高效!