【卷材工艺】关于张力控制介绍

一概述：
我们讨论的主要是卷材的张力控制，也就是诸如包装薄膜，金属箔，标签，造纸，塑料，胶片，无纺布，线缆，橡胶等长尺寸材料的张紧力度的控制。在卷材加工过程（如涂布、印刷、复合、分切、收卷）中，张力控制非常关键，是很多工艺过程实现的基础，没有好的张力控制，就不会有好的产品出来。一般的设备要求“恒张力”，有些收卷过程需要“锥度张力”。
自动控制的一些概念
控制系统大致分类：
按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统
按所控制变量的物理属性进行分类，如速度、位置、压力、温度、流量、液位等等
1)开环控制系统
开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2)闭环控制系统
闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
3)开环、闭环控制系统的各自特点：
在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都相对比较差。
闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。通常大多数重要的自动控制系统都采用闭环控制的方式。
闭环控制系统按控制和测量信号的不同，又可分为连续控制系统和离散控制系统。控制信号连续地作用于系统的，称为连续控制系统。控制信号断续地作用于系统的，称为离散控制系统
控制系统一般分为几个单元：控制单元，测量单元，执行单元，被控物体，还有一些信号转换单元。
对于所要控制的物理量，主要有两个值：给定值（目标值），实际值

二、开环和半闭环张力控制实现的方式
在有些设备中，张力控制是通过人工直接调节执行器件来控制张力的，比如直接调节调压阀，来调节气动制动器的输出扭矩，或直接调节磁粉
半闭环控制模式：
超声波测量卷径
计转数
三、闭环张力控制实现的方式
1，浮辊式
属于间接张力测量，张力作用于浮动辊上，与气缸实现二力平衡后会保持在一个位置上，当张力产生变化时，这个平衡会打破，浮辊会摆动，直联或通过齿轮连接（多数是为了放大转动角度）在浮辊回转中心的“角度传感器/电位器”检测到角度的变化，信号反馈到控制器，控制器调整执行器件（制动器或离合器）输出的扭矩，使浮辊回到平衡的位置，实现恒张力控制。注意：气缸的压力是可以调节的，这也是设定目标张力的器件。“浮辊式”多用于放卷与收卷过程。
优点：缓冲，吸收张力突变。
缺点：不能看到实际张力值
3，直接张力测量
用于收放卷的张力控制，通过调节扭矩，实现恒张力。（在某些应用中，如低速，也可以实现速度模式）
4，速度模式
控制两个传动点之间的张力。
实际上是利用传动点间的速度差来建立张力，需要注意的是，扭矩模式中，张力与扭矩有数学模型可以描述，可以用数学公式表达他们之间的关系。在速度模式中，速度差与张力没有线性关系（特别是施加于不同的材料）。
张力控制需要注意的几个问题：
闭环系统中，如缺少被控物（卷材），系统不能建立起张力。这点在调试设备时要注意。
关于张力分段：一般有夹送辊或者大包角的S辊结构，那么前后的张力就不是一段张力。
信号转换或放大：一般有电/气压转换，电/液压转换，功率放大等，在选型时需要特别注意。例如：控制器输出的控制信号是标准信号（0~10VDC或4~20mA）如果要控制气动制动器或离合器，需要选配
“电/气转换器”，如果控制器输出的24V控制信号用来控制磁粉制动器/离合器，当制动器/离合器扭矩比较大的时候（大于50NM），一般需要加“功率放大器”。
四、张力检测器的分类与选择
1）分类
按原理分类：
1，差接变压器（动圈式）-磁芯的位置变化，电压变化
KORTIS，三菱，NIRECO，只可以做成“座台式”
2，电阻应变片-弹性体（悬梁）变形，带动电阻变形，阻值变化
MONTALVO，DFE，CMC，RE，FAG，优点：可以做成很多安装形式
3，压磁式
ABB，座台式（或者叫轴台式）
按安装方式分类：轴台，法兰，圆形，悬臂等
2）选型：
需要考虑的因素有：实际张力，辊重，卷才在张力辊上的包角，安装方式
计算：T=张力，G=辊重
F合力=T*CosA+TCosB +G
F合力=T*CosA+TcosB
五、常用执行器件
1，气动制动器/离合器
优点：散热好，适应环境强，在扭矩大的情况下成本低
选型
需要从客户那里了解的参数
张力，线速度，最大卷径，最小卷径。如果用户不知道实际张力，需要了解材料的品种（如多少克重的纸，幅宽，或者什么膜（PE，BOPP等）多厚，多宽。
考虑两个因素：
张力与力矩关系：
其中：
F 张力 N（牛顿）
R 材料卷筒半径 m（米）
M 力矩 N•m（牛•米）
散热功率：
参照所选品牌选型表
2，磁粉制动器/离合器
磁粉制动器是一种以高导磁性的磁粉为工作媒介，以激磁电流为控制手段的性能优越的新型自动控制元件，其工作原理是接通直流电源后产生磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，制动扭矩的目的，其特点是快速反应，线性度好，控制力矩恒定，运转平稳，结构简单，无噪音，维修方便，具有快速制动，张力控制，位置控制，速度控制，微机等功能，它广泛用于造纸.印刷.纺织.包装.塑料，通用机械中。
磁粉离合器是由传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)合并而成。在两组单元之间的空间，填有粒状的磁粉（休积大约40微米）。当磁性线圈不导电时，转矩不会从传动轴传于从动轴，但如将线圈电磁通电，就由于磁力的作用而吸引磁粉产生硬化现象，在连继滑动之间会把转矩传达。
转矩和激磁电流成正比
磁粉制动器/离合器的区别在于：离合器有电刷。
优点：结构紧凑，控制方便，小扭矩情况下（低于100NM）有优势，缺点：散热差，潮湿环境磁粉易烧结。需要更换磁粉。
磁粉制动器的选型首先应参考实际工况，确定其安装方式。然后，以其最大制动扭矩和滑差功率来确定。在无变速机构的情况下，卷绕材料所需的最大张力与最大卷绕半径的乘积不应超过额定扭矩。同时应保证制动器的实际滑差功率小于允许滑差功率。
1）．张力与力矩关系：
其中：
F 张力 N（牛顿）
R 材料卷筒半径 m（米）
M 力矩 N•m（牛•米）
在有关卷曲加工的地方，常常需要用到张力控制，此时的线、带上的实际张力，即由以上公式确定。
2）．滑差功率计算
其中：
P 滑差功率 kw（千瓦）
n 实际滑差 rpm（转／分）
M 传递扭矩 N•m（牛•米）
在工作过程中，张力及扭矩控制器件消耗功率做功，转化为热量。因此，每一个控制器件都有额定的容许滑差功率。超过这个需用滑差功率，器件会因过热而烧毁。对于离合器而言，滑差为输入转速和输出转速的差。对于制动器而言，滑差即为输入转速。在选用张力或扭矩控制设备的时候，先要考虑器件的扭矩，然后用许用滑差功率来进行校核。
3，直流电机
4，力矩电机
5，交流变频电机
6，伺服系统
伺服系统(servosystem)及其工作原理简介
伺服系统(servosystem)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。
全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内的"位置"、"速度"、"转矩"三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制。一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式，用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力.