摘要：本文介紹表面卷繞和中心卷繞的結構特點和控制原理，對中心卷繞中的恒張力控制和錐度張力控制的實現策略進行了詳盡分析。
1  引言
      卷繞是造紙、紡織、印染等行業生產中把半制品和成品按一定規律繞成各種卷裝的工藝過程。卷繞的目的是便于制品的存儲、運輸和喂給下道工序加工。有時為了改變卷裝容量、去除疵點和提高質量，還要進行再卷繞或復繞。為了獲得卷材邊緣平齊、卷筒密實的最佳卷繞效果，必須結合生產工藝和材料對張力控制的要求，選擇合理經濟、適合產品的卷繞驅動控制方式，保證卷繞過程張力穩定可控。
2  卷繞驅動控制系統組成
      卷繞驅動方式有兩種：即中心驅動卷繞和表面驅動卷繞。不管那種驅動方式其控制系統一般均由牽引輥傳動控制系統；卷繞張力控制系統以及PLC、操作臺等部分組成。其中牽引輥傳動控制系統由一對覆橡膠的軋輥、變頻器和變頻電機等組成，牽引輥的線速度即為車速，通過操作員面板設定后保持不變。卷繞張力控制系統由卷繞軸、變頻器、變頻電機、減速機等組成。對于表面驅動卷繞裝置而言卷繞張力控制較為簡單，對于中心驅動卷繞裝置其卷繞張力控制相對要復雜一些。
3  表面卷繞張力控制系統
      表面卷繞是通過驅動輥的摩擦力驅動待卷材料表面進行的收卷，是一種被動卷繞。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動被卷材料，驅動輥分別采用變頻器U2、U3控制變頻電機和減速機，通過調節密度電位器R2，使兩驅動輥表面產生速差，從而建立表面卷繞的基本張力控制模式，滿足卷繞產品密實度，表面卷繞裝置只能提供準恒定張力控制。

      表面卷繞中卷筒與兩驅動輥間的摩擦力大小與卷筒的質量有關，并非常量；而摩擦力的大小影響卷筒打滑的程度，所以，當電動機轉速恒定時，卷筒線速度也不可能完全不變，特別是在驅動輥表面磨光后或者在卷繞起始部分，由于卷筒與驅動輥間的摩擦力相對較小會出現打滑，其張力不易控制，這樣會出現卷筒軸芯卷材不密實，而隨著卷筒直徑增大，卷筒垂直向上移動，卷筒重量也在不斷增加，卷筒與驅動輥間獲得較大的摩擦力，卷繞張力增大，如果速差調整不合適，就會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，采用氣動或液壓方式給卷筒軸施加垂直向下作用力，通過對配重輥壓力大小自動調節，獲得卷筒與兩驅動輥表面理想的摩擦力，保證卷繞過程張力穩定，滿足卷材密度和硬度要求，達到良好的卷繞效果。
      由于表面卷繞靠的是表面摩擦接觸作用卷繞卷材，卷筒與驅動輥間必須具有足夠的摩擦力，所以驅動輥需定期更換所覆橡膠或草皮，表面不能太光滑。而對于某些織物表面卷繞的摩擦會損傷織物或產生靜電，因此必須選用中心驅動卷繞方式。
4 中心卷繞張力控制系統
      中心驅動卷繞由變頻器控制電動機傳動卷繞軸，通過加在卷繞軸上的旋轉力完成卷繞過程。其控制系統原理如圖2所示。

      圖2中牽引輥驅動機構采用速度閉環控制卷繞過程的線速度，卷繞軸采用張力閉環控制驅動卷繞機構按預設張力曲線工作，保證卷繞過程張力控制達到最佳效果。速度閉環中浮動輥位置檢測采用非接觸式可變電阻，信號檢測準確可靠，該信號作為速度附加信號與主給定速度疊加后送入牽引輥變頻器1的AIN端，對牽引輥速度進行調節控制。張力傳感器把檢測到卷材的張力反饋到PLC的模擬量輸入端，同時張力檢測信號與變頻器1的速度輸出信號AOUT疊加后送入變頻器2中進行PID調節，實現卷繞張力閉環控制。
      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：張力設定 = 80%時，當錐度系數HW=100%，卷繞張力曲線為A，卷繞過程中張力大小始終不變，即為恒張力控制；若錐度系數HW=50%，則卷繞到最大直徑時，張力下降50%，理想卷繞曲線為B'，實際卷繞曲線接近B；若錐度系數HW=0%，則卷筒到最大直徑時張力將降到0（見曲線C和C'）。

      恒張力卷繞當卷筒直徑變化時，必須保證轉速n與卷徑D成反比，且電機轉矩M變化與卷材卷徑D成正比，這樣才能達到卷材里外緊度均勻。使用這種方式時，應注意卷繞結束時的轉矩最大，要根據最大轉矩和減速機的減速比來選擇電動機的額定轉矩。由于卷繞過程中，卷筒的直徑在不斷的變化，同時電動機傳動機構及卷筒支承軸上的摩擦力矩Mm，卷繞機構在加、減速過渡過程所需的動態力矩Md及線速度 v也在變化，這些變化都會引起張力波動，為了獲得織物恒定的表面張力，電動機輸出電磁轉矩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、機械慣量等變化，也就是說在卷繞過程中需進行相應的動態轉矩補償、靜態補償及加速補償等，以保證變頻器2控制電機轉速和轉矩能自動適應跟隨變化。
      錐度張力控制在卷繞過程中轉矩M保持不變，隨著卷徑d的逐漸增大，卷繞角速度ω相應降低，卷材張力F相應減小，達到內緊外松的卷繞效果，這就是錐度張力控制原理。錐度張力控制方式實質上就是變頻器的轉矩控制模式，在卷繞驅動中，給定張力F_set，線速度恒定V_line= constant，卷繞軸轉速n隨著卷筒直徑D的增大而降低，卷材張力相應地減小，轉矩模式正好滿足這個要求。在轉矩控制模式中，給定的是轉矩，根據設定張力F_set和卷材直徑可以計算出變頻器的轉矩給定值
M = F_set×D_min /2i
其中：M    變頻器轉矩給定值（NM）
F_set   張力設定值(N)
D_min   最小卷徑
i    機械傳動比
      如果實際轉矩低于給定轉矩，則轉速升高，否則，轉速降低，整個卷繞過程速度在給定轉矩對應速度的上下浮動。
      由于錐度張力控制的是電機轉矩，而在卷繞爬行階段（卷材穿引過程及卷繞起始階段）材料是松弛的，卷軸上卷材張力很小，卷繞電機阻轉矩幾乎為零，如果電機仍處于轉矩控制模式下，此時就要瞬間加速到最高轉速，直到卷材繃緊，這時電機轉速遠遠高于按當前線速度和卷徑折算出來的理想速度，在繃緊瞬間必然對材料造成沖擊，致使材料繃斷。所以爬行階段必須采用速度控制，也就是在卷取電機理想轉速基礎上疊加一個較小的附加給定，同時對電機的輸出轉矩限幅。當材料松弛時，電機處于速度控制模式，運行速度比理想速度略高一點，材料被逐漸繃緊不會產生瞬間沖擊。待材料繃緊后，由于轉矩限幅作用卷繞電機將無法達到給定速度，速度控制飽和退出，此時控制轉矩限幅相當于電機的實際轉矩。錐度張力卷繞控制中轉矩基本恒定，所以不會損傷卷軸。

      圖4為中心卷繞張力控制系統框圖，為了實現卷繞張力平穩控制，提高張力閉環控制系統的動態性能，控制系統中PLC、變頻器等必須具備當前卷徑計算功能；動靜態摩擦補償和慣量補償功能及參數信號自適應能力等；能夠根據當前卷徑和線速度計算計算出卷繞變頻器的設定值，以控制卷繞電機達到理想轉速，從而實現漸減張力控制或基本恒張力控制。
5、結束語
      無論表面卷繞還是中心卷繞，其卷繞張力控制是產品成卷的關鍵。卷繞張力過大會造成織物拉伸變形甚至斷裂；張力過小會出現卷筒松弛不密實；張力大小不穩定會造成卷筒松緊不一、端面不齊、出現分層等。因此，要獲得好成卷質量，必須完善卷繞張力控制系統，實現張力控制的穩定性。

參考文獻
楊公源  《常用變頻器應用實例》  電子工業出版社 2006年10月

      作者簡介  馮建修（1963-）高級工程師   從事自動控制系統的研究和實際應用工作。
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《控制與傳動》
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