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關(guān)鍵詞：
收卷機(jī)
張力控制系統(tǒng)
- 摘要：本文介紹了張力控制變頻收卷的控制原理。
在實(shí)際生產(chǎn)中如果以中心收卷方法來(lái)收卷的話，收卷軸的直徑是不斷變更的。不斷變更的收卷直徑引起角速度的變更，從而引起材料上張力也隨之出現(xiàn)的波動(dòng)：張力過(guò)小，材料收卷時(shí)會(huì)松弛起皺、橫向走偏;張力過(guò)大則導(dǎo)致材料拉伸過(guò)度，在縱向上會(huì)出觀張力紋，甚至出現(xiàn)縱向隆起。
在收卷的過(guò)程中為確保生產(chǎn)效率和收卷的質(zhì)量，張力控制系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。張力控制模式一般有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制兩種模式，其中開(kāi)環(huán)控制模式?jīng)]有張力檢查和反饋環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單但控制精度和穩(wěn)定性較差。閉環(huán)控制模式一般有卷徑檢查裝配和張力反饋環(huán)節(jié)，控制的隨機(jī)性很強(qiáng)，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，但系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)比較麻煩而且元器件較多，在小型設(shè)備上的應(yīng)用受到一定的限制。
張力控制是生產(chǎn)過(guò)程中極其重要的一環(huán)，良好的張力控制能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。本文主要介紹了張力控制變頻收卷的控制原理。此技術(shù)能夠確保收卷的整個(gè)過(guò)程很穩(wěn)定,避免小卷時(shí)張力過(guò)大；大卷啟動(dòng)時(shí)張力過(guò)小的現(xiàn)象。收卷中張力的控制就現(xiàn)在來(lái)說(shuō)還是個(gè)難題，文章中基于建立的數(shù)學(xué)模型，介紹了變頻收卷的原理,按照一定的控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)。通過(guò)PLC進(jìn)行卷徑的計(jì)算，改變變頻器的輸出頻率，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。對(duì)收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，轉(zhuǎn)矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減小，符合收卷的基本原理，同步張力也在控制之中。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了收卷張力的工藝定量化，完成了轉(zhuǎn)矩和速度的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)變。
1控制系統(tǒng)工作原理及組成
本文選擇基于伺服系統(tǒng)及plc系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)張力控制系統(tǒng)，應(yīng)用在0.1mm級(jí)材料的收卷上，而且收卷質(zhì)量等同于閉環(huán)控制的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)選用伺服控制系統(tǒng)是基于它的轉(zhuǎn)矩控制模式在收卷方面具有控制簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)矩模式下，不需求對(duì)收卷的速度進(jìn)行控制，只需給出一個(gè)速度限制值即可使收卷軸的角速度根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小而自動(dòng)浮動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)恒線速度收卷。同步伺服控制器的里面轉(zhuǎn)矩檢查性能可以精確的檢查輸出的電流，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的高精度控制。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、速度指令及收卷的半徑等參數(shù)通過(guò)plc系統(tǒng)里面計(jì)算得出，使系統(tǒng)得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。
該系統(tǒng)以PLC作為控制器，它主要包含：主機(jī)、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，步進(jìn)/伺服電機(jī)控制模塊和LCD彩色液晶觸摸顯示屏等部件，如圖1所示為控制系統(tǒng)的硬件組成圖。
圖1控制系統(tǒng)的硬件組成圖
開(kāi)關(guān)量（包含高速計(jì)數(shù)）輸入/輸出模塊：主要實(shí)現(xiàn)操控按鈕的輸入，收縮桿的零位檢查，光電編碼器的計(jì)數(shù)及開(kāi)關(guān)量的控制和狀態(tài)指示等性能。
模擬量輸入模塊：用于張力的檢查，收卷過(guò)程中，由傳感器將張力的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)經(jīng)張力變送器送入PLC模擬量輸入模塊，用于張力的控制和顯示。
模擬量輸出模塊：通過(guò)張力的檢查和給定張力經(jīng)過(guò)PLC的PID運(yùn)算產(chǎn)生時(shí)下控制量，經(jīng)模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)磁粉制動(dòng)器的勵(lì)磁電流控制，確保張力的恒定；對(duì)變頻器的調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)收卷過(guò)程的轉(zhuǎn)速控制，自動(dòng)降速及定位等控制性能。
步進(jìn)電機(jī)控制模塊：用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。根據(jù)設(shè)置的收卷直徑通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)桿的地方。根據(jù)卷材厚度給定由步進(jìn)電機(jī)控制收卷過(guò)程中每次收卷直徑的微調(diào)量。
液晶觸摸顯示屏：作為人機(jī)操控界面，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制參數(shù)輸入，系統(tǒng)工作過(guò)程，工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，控制參量的顯示及系統(tǒng)的操控性能。
2伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
三菱mr-j2s伺服系統(tǒng)有地方控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式三種控制方法，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇轉(zhuǎn)矩控制模式。
其中速度、轉(zhuǎn)矩指令在觸摸屏上設(shè)定，然后傳送到plc中，經(jīng)過(guò)plc的計(jì)算后通過(guò)a1s68dav形成0～10v的模擬信號(hào)，傳送給伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受信號(hào)后再經(jīng)過(guò)里面單元轉(zhuǎn)換成電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，從而控制電機(jī)精確運(yùn)行。在伺服電機(jī)運(yùn)行過(guò)程，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器(pg)將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速經(jīng)a1s64ad模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入plc中，然后計(jì)算出瞬時(shí)卷徑，再根據(jù)計(jì)算卷徑的大小變更輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)張力穩(wěn)定有規(guī)律的控制。±8v對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，±8v輸入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩可用在伺服系統(tǒng)no.26#參數(shù)改變，例如：no.26=50%,體現(xiàn)當(dāng)輸入電壓為±8v時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩=最大轉(zhuǎn)矩×50%。
由于受系統(tǒng)精度限制，在輸入電壓低于0.05v時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)無(wú)法準(zhǔn)確地設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩。在使用時(shí)，可以通過(guò)設(shè)定輸出電壓的極性來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
伺服轉(zhuǎn)矩模式下，伺服控制器只控制輸出轉(zhuǎn)矩，張力屬于間接張力控制。一般張力曲線模型有遞減、遞增、恒定等三種，但實(shí)際上無(wú)論那一種模型，要完全符合是很困難的，因此根據(jù)不同材料、不同厚度等情況選取不同的收卷曲線，這就要求張力曲線是可調(diào)的。
由于本系統(tǒng)中張力是由轉(zhuǎn)矩間接控制的，因此實(shí)際控制對(duì)象就變?yōu)榭刂妻D(zhuǎn)矩了。一般認(rèn)為收卷電機(jī)輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩由下公式體現(xiàn)：
m=mo+mj+mz
式中：m—實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩;mo為空載時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩mj為系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩;mz為增加的負(fù)載慣量轉(zhuǎn)矩。
一般mj，mo均為常數(shù)，因此實(shí)際上變更的是收卷過(guò)程中逐漸增加的負(fù)載慣量轉(zhuǎn)矩。因此在轉(zhuǎn)矩算法中務(wù)必要使收卷輸出轉(zhuǎn)矩隨著卷徑的增加而自動(dòng)變更。
(1)卷徑的自動(dòng)計(jì)算
設(shè)v為線速度(米/分鐘)，d為收卷軸直徑(mm)，n為收卷軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分鐘)，nd為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分鐘)，i為傳動(dòng)比，有
v=π×d×n=π×d×nd×i
d=v/(π×nd×i)=kv/nd=k×(∫vdt/∫nddt)=k×(線速度/角速度)
由于線速度是恒定的，因此只需要出收卷軸的角速度，就可計(jì)算出收卷軸的實(shí)時(shí)卷徑。
(2)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
根據(jù)m=(mo+mj)+mz=mo+mj，需求補(bǔ)償?shù)氖莔z值，因此設(shè)定一個(gè)遞增(遞減)系數(shù)k，采用設(shè)定的曲線函數(shù)使m能夠隨半徑的變更而變更。
3張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)加工對(duì)象為布匹，在卷繞過(guò)程中務(wù)必確保卷繞的松緊程度及材料的拉伸情況。因此我們需求對(duì)收卷過(guò)程中張力的大小進(jìn)行控制。張力測(cè)量原理如圖2所示。
圖2張力測(cè)量原理
把布匹穿過(guò)如圖所示的三個(gè)平行滾軸，在卷繞時(shí)，滾軸受到重力、布匹拉力的效用，其承受的布匹拉力大小為2倍的張力的大小，方向豎直向上，在滾軸的一側(cè)裝上角度傳感器，就可以把布匹的張力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。
所得電信號(hào)再經(jīng)過(guò)張力變送器效用，把這一信號(hào)規(guī)一化，最終送入模擬量輸入模塊，由模擬量輸入模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波等處理后就可送PLC運(yùn)算處理了。
模擬量輸入單元操控過(guò)程框圖如圖3所示：
圖3模擬量輸入單元操控過(guò)程框圖
由于需求進(jìn)行數(shù)字濾波等處理，故每次程序運(yùn)轉(zhuǎn)中要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，以便進(jìn)行處理。
張力信號(hào)經(jīng)前述的一系列整理后，成為二進(jìn)制形式的數(shù)字量送達(dá)PLC的PID運(yùn)算后，得到控制輸出值，以模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，所得模擬電信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)張力控制了。
磁粉制動(dòng)器裝于放卷機(jī)軸上，它在放卷機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上產(chǎn)生的阻力矩大小，取決于加于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的制動(dòng)電流的大小，制動(dòng)電流越大，其產(chǎn)生的阻力矩就越大，放卷機(jī)就越不易轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)布匹上的張力也就增大了，反之亦然。這樣，實(shí)現(xiàn)了放卷機(jī)放卷過(guò)程的張力自動(dòng)控制。
4收卷直徑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
收卷過(guò)程中，由于收卷材料有一定的厚度，故隨著收卷圈數(shù)的增加，實(shí)際收卷長(zhǎng)度會(huì)越來(lái)越大，致使外圈布匹周長(zhǎng)大于內(nèi)圈布匹，剪切鋪平時(shí)就出現(xiàn)了明顯的浪費(fèi)，因此，為了避免這一現(xiàn)象，在收卷過(guò)程中，每收卷一定的圈數(shù)N（其大小隨收卷材料的厚度而定）將來(lái)，要對(duì)收卷直徑進(jìn)行微調(diào)。
本控制系統(tǒng)中卷材厚度由LCD觸摸屏輸入，由公式：
[卷繞微調(diào)增量]=卷材厚度*微調(diào)頻率*10
計(jì)算出微調(diào)增量，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果每隔一定的時(shí)間間隔進(jìn)行一次微調(diào)。
本系統(tǒng)中收卷筒由二十四根平行的圓筒構(gòu)成，其間由收縮桿控制圓筒的間距，進(jìn)而控制了收卷時(shí)布匹的周長(zhǎng)，收縮桿的角度不同，圓筒間距就不同，使用伺服電機(jī)控制收縮桿的角度，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)收卷周長(zhǎng)的控制了。
步進(jìn)電機(jī)的功用是將輸入的電脈沖信號(hào)變換為階躍性的角位移，亦即給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。
本系統(tǒng)中，PLC根據(jù)LCD觸摸屏的輸入的卷材厚度計(jì)算出微調(diào)頻度，同步也計(jì)算出微調(diào)量，由PLC的伺服電機(jī)控制模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)伺服電機(jī)按照預(yù)定的頻度和大小運(yùn)動(dòng)，這樣就可以精確地實(shí)現(xiàn)收卷過(guò)程中對(duì)收卷直徑的微調(diào)。
5結(jié)論
在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)過(guò)程中，基于伺服及plc的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于在應(yīng)用上不需求很準(zhǔn)確的精度數(shù)學(xué)模型，只需按負(fù)荷分配、按實(shí)際效果設(shè)定遞增系統(tǒng)的特征，能夠應(yīng)用在多種不同厚度、不同品種的材料收卷上，而且效果很好。觸摸屏可通過(guò)菜單系統(tǒng)來(lái)控制與監(jiān)控過(guò)程，這樣，便能通過(guò)值的輸入或通過(guò)觸摸已組態(tài)的按扭來(lái)輸入給定值或控制定位元素，能在畫面上顯示過(guò)程、設(shè)備及系統(tǒng)。觸摸屏除了能將過(guò)程變量（例如輸出域、棒圖、趨勢(shì)或狀態(tài)）顯示外，還可使事件信息與報(bào)警信息可視化。便宜操控和提高了界面質(zhì)量。
