摘要：本文介紹表面卷繞和中心卷繞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制原理，對(duì)中心卷繞中的恒張力控制和錐度張力控制的實(shí)現(xiàn)策略進(jìn)行了詳盡分析。
1  引言
      卷繞是造紙、紡織、印染等行業(yè)生產(chǎn)中把半制品和成品按一定規(guī)律繞成各種卷裝的工藝過(guò)程。卷繞的目的是便于制品的存儲(chǔ)、運(yùn)輸和喂給下道工序加工。有時(shí)為了改變卷裝容量、去除疵點(diǎn)和提高質(zhì)量，還要進(jìn)行再卷繞或復(fù)繞。為了獲得卷材邊緣平齊、卷筒密實(shí)的最佳卷繞效果，必須結(jié)合生產(chǎn)工藝和材料對(duì)張力控制的要求，選擇合理經(jīng)濟(jì)、適合產(chǎn)品的卷繞驅(qū)動(dòng)控制方式，保證卷繞過(guò)程張力穩(wěn)定可控。
2  卷繞驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成
      卷繞驅(qū)動(dòng)方式有兩種：即中心驅(qū)動(dòng)卷繞和表面驅(qū)動(dòng)卷繞。不管那種驅(qū)動(dòng)方式其控制系統(tǒng)一般均由牽引輥傳動(dòng)控制系統(tǒng)；卷繞張力控制系統(tǒng)以及PLC、操作臺(tái)等部分組成。其中牽引輥傳動(dòng)控制系統(tǒng)由一對(duì)覆橡膠的軋輥、變頻器和變頻電機(jī)等組成，牽引輥的線速度即為車速，通過(guò)操作員面板設(shè)定后保持不變。卷繞張力控制系統(tǒng)由卷繞軸、變頻器、變頻電機(jī)、減速機(jī)等組成。對(duì)于表面驅(qū)動(dòng)卷繞裝置而言卷繞張力控制較為簡(jiǎn)單，對(duì)于中心驅(qū)動(dòng)卷繞裝置其卷繞張力控制相對(duì)要復(fù)雜一些。
3  表面卷繞張力控制系統(tǒng)
      表面卷繞是通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥的摩擦力驅(qū)動(dòng)待卷材料表面進(jìn)行的收卷，是一種被動(dòng)卷繞。卷繞控制原理如圖1所示，它使用兩根直徑相同的卷繞輥驅(qū)動(dòng)被卷材料，驅(qū)動(dòng)輥分別采用變頻器U2、U3控制變頻電機(jī)和減速機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)密度電位器R2，使兩驅(qū)動(dòng)輥表面產(chǎn)生速差，從而建立表面卷繞的基本張力控制模式，滿足卷繞產(chǎn)品密實(shí)度，表面卷繞裝置只能提供準(zhǔn)恒定張力控制。

      表面卷繞中卷筒與兩驅(qū)動(dòng)輥間的摩擦力大小與卷筒的質(zhì)量有關(guān)，并非常量；而摩擦力的大小影響卷筒打滑的程度，所以，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，卷筒線速度也不可能完全不變，特別是在驅(qū)動(dòng)輥表面磨光后或者在卷繞起始部分，由于卷筒與驅(qū)動(dòng)輥間的摩擦力相對(duì)較小會(huì)出現(xiàn)打滑，其張力不易控制，這樣會(huì)出現(xiàn)卷筒軸芯卷材不密實(shí)，而隨著卷筒直徑增大，卷筒垂直向上移動(dòng)，卷筒重量也在不斷增加，卷筒與驅(qū)動(dòng)輥間獲得較大的摩擦力，卷繞張力增大，如果速差調(diào)整不合適，就會(huì)將卷筒芯部卷材擠出，造成卷材端面不齊。為了得到均勻的卷繞張力，卷繞裝置上常加有配重輥，該輥緊貼在卷筒軸頂部，采用氣動(dòng)或液壓方式給卷筒軸施加垂直向下作用力，通過(guò)對(duì)配重輥壓力大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，獲得卷筒與兩驅(qū)動(dòng)輥表面理想的摩擦力，保證卷繞過(guò)程張力穩(wěn)定，滿足卷材密度和硬度要求，達(dá)到良好的卷繞效果。
      由于表面卷繞靠的是表面摩擦接觸作用卷繞卷材，卷筒與驅(qū)動(dòng)輥間必須具有足夠的摩擦力，所以驅(qū)動(dòng)輥需定期更換所覆橡膠或草皮，表面不能太光滑。而對(duì)于某些織物表面卷繞的摩擦?xí)p傷織物或產(chǎn)生靜電，因此必須選用中心驅(qū)動(dòng)卷繞方式。
4 中心卷繞張力控制系統(tǒng)
      中心驅(qū)動(dòng)卷繞由變頻器控制電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)卷繞軸，通過(guò)加在卷繞軸上的旋轉(zhuǎn)力完成卷繞過(guò)程。其控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

      圖2中牽引輥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用速度閉環(huán)控制卷繞過(guò)程的線速度，卷繞軸采用張力閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)卷繞機(jī)構(gòu)按預(yù)設(shè)張力曲線工作，保證卷繞過(guò)程張力控制達(dá)到最佳效果。速度閉環(huán)中浮動(dòng)輥位置檢測(cè)采用非接觸式可變電阻，信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確可靠，該信號(hào)作為速度附加信號(hào)與主給定速度疊加后送入牽引輥?zhàn)冾l器1的AIN端，對(duì)牽引輥速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。張力傳感器把檢測(cè)到卷材的張力反饋到PLC的模擬量輸入端，同時(shí)張力檢測(cè)信號(hào)與變頻器1的速度輸出信號(hào)AOUT疊加后送入變頻器2中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)卷繞張力閉環(huán)控制。
      中心卷繞張力控制方式有兩種，即恒張力控制和錐度張力控制。從某種意義上講恒張力控制是錐度張力控制的一種特殊情況。圖3為錐度張力控制曲線，從中可以看出：張力設(shè)定 = 80%時(shí)，當(dāng)錐度系數(shù)HW=100%，卷繞張力曲線為A，卷繞過(guò)程中張力大小始終不變，即為恒張力控制；若錐度系數(shù)HW=50%，則卷繞到最大直徑時(shí)，張力下降50%，理想卷繞曲線為B'，實(shí)際卷繞曲線接近B；若錐度系數(shù)HW=0%，則卷筒到最大直徑時(shí)張力將降到0（見曲線C和C'）。

      恒張力卷繞當(dāng)卷筒直徑變化時(shí)，必須保證轉(zhuǎn)速n與卷徑D成反比，且電機(jī)轉(zhuǎn)矩M變化與卷材卷徑D成正比，這樣才能達(dá)到卷材里外緊度均勻。使用這種方式時(shí)，應(yīng)注意卷繞結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)矩最大，要根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩和減速機(jī)的減速比來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。由于卷繞過(guò)程中，卷筒的直徑在不斷的變化，同時(shí)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及卷筒支承軸上的摩擦力矩Mm，卷繞機(jī)構(gòu)在加、減速過(guò)渡過(guò)程所需的動(dòng)態(tài)力矩Md及線速度 v也在變化，這些變化都會(huì)引起張力波動(dòng)，為了獲得織物恒定的表面張力，電動(dòng)機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩M_D除了保證卷繞力矩M_f=F·R（t）外，還需克服摩擦力矩M_m、機(jī)械慣量等變化，也就是說(shuō)在卷繞過(guò)程中需進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、靜態(tài)補(bǔ)償及加速補(bǔ)償?shù)?，以保證變頻器2控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能自動(dòng)適應(yīng)跟隨變化。
      錐度張力控制在卷繞過(guò)程中轉(zhuǎn)矩M保持不變，隨著卷徑d的逐漸增大，卷繞角速度ω相應(yīng)降低，卷材張力F相應(yīng)減小，達(dá)到內(nèi)緊外松的卷繞效果，這就是錐度張力控制原理。錐度張力控制方式實(shí)質(zhì)上就是變頻器的轉(zhuǎn)矩控制模式，在卷繞驅(qū)動(dòng)中，給定張力F_set，線速度恒定V_line= constant，卷繞軸轉(zhuǎn)速n隨著卷筒直徑D的增大而降低，卷材張力相應(yīng)地減小，轉(zhuǎn)矩模式正好滿足這個(gè)要求。在轉(zhuǎn)矩控制模式中，給定的是轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)定張力F_set和卷材直徑可以計(jì)算出變頻器的轉(zhuǎn)矩給定值
M = F_set×D_min /2i
其中：M    變頻器轉(zhuǎn)矩給定值（NM）
F_set   張力設(shè)定值(N)
D_min   最小卷徑
i    機(jī)械傳動(dòng)比
      如果實(shí)際轉(zhuǎn)矩低于給定轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)速升高，否則，轉(zhuǎn)速降低，整個(gè)卷繞過(guò)程速度在給定轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)速度的上下浮動(dòng)。
      由于錐度張力控制的是電機(jī)轉(zhuǎn)矩，而在卷繞爬行階段（卷材穿引過(guò)程及卷繞起始階段）材料是松弛的，卷軸上卷材張力很小，卷繞電機(jī)阻轉(zhuǎn)矩幾乎為零，如果電機(jī)仍處于轉(zhuǎn)矩控制模式下，此時(shí)就要瞬間加速到最高轉(zhuǎn)速，直到卷材繃緊，這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于按當(dāng)前線速度和卷徑折算出來(lái)的理想速度，在繃緊瞬間必然對(duì)材料造成沖擊，致使材料繃斷。所以爬行階段必須采用速度控制，也就是在卷取電機(jī)理想轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上疊加一個(gè)較小的附加給定，同時(shí)對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩限幅。當(dāng)材料松弛時(shí)，電機(jī)處于速度控制模式，運(yùn)行速度比理想速度略高一點(diǎn)，材料被逐漸繃緊不會(huì)產(chǎn)生瞬間沖擊。待材料繃緊后，由于轉(zhuǎn)矩限幅作用卷繞電機(jī)將無(wú)法達(dá)到給定速度，速度控制飽和退出，此時(shí)控制轉(zhuǎn)矩限幅相當(dāng)于電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。錐度張力卷繞控制中轉(zhuǎn)矩基本恒定，所以不會(huì)損傷卷軸。

      圖4為中心卷繞張力控制系統(tǒng)框圖，為了實(shí)現(xiàn)卷繞張力平穩(wěn)控制，提高張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，控制系統(tǒng)中PLC、變頻器等必須具備當(dāng)前卷徑計(jì)算功能；動(dòng)靜態(tài)摩擦補(bǔ)償和慣量補(bǔ)償功能及參數(shù)信號(hào)自適應(yīng)能力等；能夠根據(jù)當(dāng)前卷徑和線速度計(jì)算計(jì)算出卷繞變頻器的設(shè)定值，以控制卷繞電機(jī)達(dá)到理想轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)漸減張力控制或基本恒張力控制。
5、結(jié)束語(yǔ)
      無(wú)論表面卷繞還是中心卷繞，其卷繞張力控制是產(chǎn)品成卷的關(guān)鍵。卷繞張力過(guò)大會(huì)造成織物拉伸變形甚至斷裂；張力過(guò)小會(huì)出現(xiàn)卷筒松弛不密實(shí)；張力大小不穩(wěn)定會(huì)造成卷筒松緊不一、端面不齊、出現(xiàn)分層等。因此，要獲得好成卷質(zhì)量，必須完善卷繞張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)張力控制的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)
楊公源  《常用變頻器應(yīng)用實(shí)例》  電子工業(yè)出版社 2006年10月

      作者簡(jiǎn)介  馮建修（1963-）高級(jí)工程師   從事自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和實(shí)際應(yīng)用工作。
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《控制與傳動(dòng)》
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