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兩種卷繞驅(qū)動(dòng)方式張力控制分析綜述

時(shí)間:2011-01-10 16:48:42來(lái)源:huyafei

導(dǎo)語(yǔ):?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。

      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)䲟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MD除了保證卷繞力矩Mf=F·R(t)外,還需克服摩擦力矩Mm、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Fset,線速度恒定Vline= 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Fset和卷材直徑可以計(jì)算出變頻器的轉(zhuǎn)矩給定值
M = Fset×Dmin /2i
其中:M    變頻器轉(zhuǎn)矩給定值(NM)
Fset   張力設(shè)定值(N)
Dmin   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。
      聯(lián)系方法  地址:陜西省興平市陜西華特新材料股份有限公司技術(shù)中心
      郵編:713100
      電話  029-38362022       
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