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　　在實際生產中，有非常多的行業都需要對卷料進行加工，而張力控制就是其中的一大應用難點。貝加萊作為機器制造領域的主要“玩家”，常年耕耘于印刷、塑料、包裝、制藥等需要張力控制的應用領域中，這也使得貝加萊對于廣泛張力控制有著深厚積累與獨到理解。

　　文/貝加萊工業自動化(中國)有限公司

　　1　張力控制普遍存在于機器的控制中

　　在實際生產中，有非常多的行業都需要對卷料進行加工，如：

　　l 凹版、柔版、衛星式柔版等機器均需對材料收放卷控制;

　　l 塑料薄膜：吹膜、流延膜線、熱復合成型等設備;

　　l 鋰電領域：極片涂布、輥壓、卷繞以及電池隔膜產線、涂覆線;

　　l 紡織機械：梳棉/并條、粗紗/細紗、并軸、漿紗、織機、經編類;

　　l 光伏設備：多線切割;

　　l 包裝設備：水平/立式、熱膜包、瓦楞紙線、嬰兒紙尿褲、紙包裝類……

　　在這類加工中，都會存在“張力”控制這個問題——材料通常經由拉力而在材料兩側形成牽引力，在傳動上來說，如果兩個傳動軸產生“速差”才能產生張力。

　　張力控制需要避免材料在整個傳輸過程中不能打滑、防止材料的變形——因為這會影響材料的尺寸規格，尤其像印刷套色，這會影響到顏色的疊加套印精度。

圖1　收放卷現場應用場景

　　2　多種張力控制形式下的應用

　　貝加萊作為機器制造領域的主要“玩家”，常年耕耘于印刷、塑料、包裝、制藥等需要張力控制的應用領域中，這也使得貝加萊對于廣泛張力控制有著深厚積累與獨到理解。

　　(1)各種場景均有應用

圖2　各種模式的收放卷

　　圖2展示了張力控制的各種模式，包括a1-a4多種放卷模式，以及在b1-b3的各種張力測量，直接的應變片張力傳感器、擺輥位置測量、超聲波位置測量(以消除擺輥死區問題)，以及在b4中對于卷徑的實際值測量。在c1-c4中包括了各種收卷方式。

　　貝加萊在卷筒料、線材等多種場景有豐富的張力控制經驗，因此，這種來自于工程實踐的Know-How為各個機器領域提供了快速開發的支撐。

　　(2)張力控制系統的建模仿真

　　貝加萊的Automation Studio，可與MapleSim、MATLAB/Simulink這樣的仿真軟件，通過FMU/FMI接口進行連接。在圖3中，可以看到，系統可以針對材料收放卷、張力檢測傳感器、電機與驅動的PID參數等進行建模。并通過虛擬仿真以獲得在不同的材料、機械結構、傳動鏈下的最佳控制參數。

圖3　張力控制系統的建模與仿真

　　針對張力的仿真，包括了實際卷徑、線速度、張力、卷繞軸扭矩、卷軸速度、調節機構轉動慣量、擺輥臂長度、擺輥扭矩，均可作為張力系統的仿真參數。

　　(3)mappTension庫

　　在大量的積累后，貝加萊會將張力控制作為mapp的專用模塊來封裝，為用戶提供快速的開發支持。圖4就是用于張力控制的各個模塊，包括卷徑計算、張力控制器、軸控制器、速度環控制。整個結構適用性廣，針對各種場景配置所需參數，即可快速實現機器的張力調試。

圖4　貝加萊張力控制模塊結構

　　4　張力控制亮點

　　如圖5所示，針對于各種場景中的張力閉環，支持各種控制功能：

　　l 高動態響應能力：由于放卷、牽入、牽出、收卷等會構成完整的張力控制區間，這些軸包括了放/收卷輥的直徑變化(慣量變化)，以及牽引輥。只有各個電機傳動軸的高速同步，才能確保在高速下的穩定張力控制。貝加萊的ACOPOS P3系列可以提供50μS級別的速度環響應能力—百微秒級的POWERLINK通信提供了硬件基礎，而張力前饋控制提供了高動態的張力輸出;

圖5-貝加萊張力庫的特點

　　l 慣量補償：除了軸間同步來確保張力，通常的張力系統還是一個“變慣量機械系統”，因為收放卷軸的卷徑分別是漸近變小/變大—這需要根據系統的變化，當然，它也需要結合卷徑精準預測來實現更好的機械慣量補償，在速度環參數方面給出更優的值，確保穩定;

　　l 張力解耦：對于多區間張力控制而言，還要確保張力區內的調整不影響其他區間的張力，這本身是需要全局的張力控制來保障的。這就像在電池涂布中的多區間張力控制，消除這種影響至關重要;

　　l 對于收卷也是如此，張力錐度控制確保了穩定的張力輸出，使得收卷非常精準，也無需額外壓輥來機械保障;

　　l 易用性：主要是以mapp模塊方式調用，簡化編程，快速調試。

　　5　應用領域

　　貝加萊參與的卷筒料應用非常得多，下面簡單介紹幾個大型應用場景。

　　(1)筒紙印刷機控制系統

　　對于印刷機而言，像凹版印刷機由于較大的壓印力會造成各個色組間的張力隔斷，而帶來套色的難度。但是，貝加萊的張力控制在這個領域已經被驗證，達到550m/min印刷速度。

圖6　高速衛星式柔版印刷系統

　　另一種衛星式柔版(如圖6)就看上去似乎更好一些，因為它的材料裹覆在了中心壓印輥上。盡管它沒有像凹版那樣的張力隔斷問題。但是，由于它通常會用于較大幅面(甚至高達2400mm)以及高速(超過1000m/min的速度)——因此，在大幅面、高速機器上，張力的穩定也同樣需要極高的傳動精度和響應能力來保障。

　　(2)熱復合成型

　　對于熱復合成型，這有可能用于日常的塑料餐飲盒，也會在泡罩包裝、杯裝酸奶的成型中會被用到，如圖　所示，由于經過熱成型、裁切等，確保穩定張力，才能確保產品的高一致性。

圖7　熱復合機控制

　　當然，這種熱復合工藝也會被用于像軟包裝類如三邊切的粉體/塊狀食品包裝、鋰電的熱復合、嬰兒紙尿褲類的設備材料熱復合。

　　(3)多線切割設備

　　在硬質材料如LED、光伏晶片、半導體硅晶圓切割中，由直徑僅數十微米的線材進行速度高達2400m/min甚至以上的裁切中，為了控制好張力，它需要放卷軸、牽引軸、切割輥、收卷軸間進行良好的同步—考慮到他們之間的慣量差異，以及需要沿輥直徑方向的排線、往復切割等機械動作對于張力的影響，這需要非常高的驅動系統的響應能力，對于張力僅數N.m的控制而言。采用ACOPOSmulti伺服驅動系統來實現，這需要百微秒級的同步性，由POWERLINK來保障，以及驅動器本身的速度環/位置環高速響應能力。

圖8　多線切割中的收放卷控制

　　(3)薄膜設備

　　薄膜類設備包括吹膜、流延膜，它們的材料容易變形，尤其是像PE膜這類，對于張力控制的精度也提出了極高的要求。而這類設備的速度也會達到400m/min，甚至后道分切會達到更高的速度，如1000m/min的牽引速度。

圖9　貝加萊系統應用于薄膜的收卷控制

　　6　總結

　　貝加萊開發的張力控制技術已被廣泛應用于各種卷材加工生產過程中，具有成熟而又豐富的現場驗證，確保了貝加萊在相關領域機器的高品質方案輸出，可謂收放自如。