高速分切機張力控制系統研究

潘頌哲 潘玉軍 吳江壽 張明亮

摘要：針對分切機張力控制系統設計不合理、張力控制精度低等問題，提出了3種基于PLC的高速分切機張力控制系統，即磁粉控制系統、氣動控制系統及伺服控制系統，并通過分析各類控制系統的優缺點，實現張力控制系統的優化設計。

關鍵詞：分切機;磁粉控制系統;氣動控制系統;伺服控制系統

0 引言

隨著我國經濟快速發展，包裝行業迅速興起，并展現出了巨大的市場潛力。對于軟包裝行業來說，其原材料離不開紙張、膠帶、薄膜等產品[1]，而分切機作為這些原材料的重要加工設備，受到了市場的廣泛重視。為了滿足市場對不同材料的分切需求，提高產品分切的質量和分切效率，許多分切機生產企業不斷改進設備性能，提高設備自動化程度，從而節省勞動力[2]。但就目前來說，這類設備仍然存在張力控制系統設計不合理、張力控制精度低、產品收卷質量差等問題[3]，限制了分切機的整體速度。選擇不合理的張力控制系統方案，也會制約設備的生產效率，影響設備的整體競爭力。

針對上述問題，筆者了提出了3種基于PLC的高速分切機張力控制系統，通過不同的張力控制系統設計，滿足不同層次、差異化的設備需求。

1 磁粉控制系統

磁粉控制系統主要由磁粉控制器、張力板控制板配合變頻系統實現。磁粉控制器主要包括磁粉制動器和磁粉離合器。磁粉制動器用于放卷張力控制，磁粉離合器用于收卷張力控制。磁粉控制器是根據電磁原理并利用磁粉傳遞轉矩的，PLC通過模擬量輸出0～10 V信號，控制磁粉的張力輸出。此外，收卷軸的轉動是通過變頻系統速度控制實現的。變頻系統包括變頻器和變頻電機，PLC通過模擬量輸出0～10 V的速度信號，控制收卷軸的速度。磁粉控制系統控制原理如圖1所示。

磁粉控制系統具有響應速度快、無污染、噪聲低、結構簡單等優點[4]。其缺點也比較明顯，磁粉輸入的激磁電流與輸出的轉矩正比例線性關系較差，雖能滿足大部分中低端材料的分切需求，但是對于高端的開環控制的設備，磁粉控制系統效果一般。就目前而言，磁粉控制系統主要應用于氣脹軸的張力控制。

2 氣動控制系統

氣動控制系統主要針對以滑差式氣脹軸為核心、變頻系統為動力的收卷張力控制系統和以氣剎盤為核心的放卷張力控制系統。

滑差式氣脹軸機構設計有特殊的功能，使用空氣的方法來使滑差軸運動起來，滑差軸適用的產品范圍較廣，對于厚、薄、寬、窄的各種產品都適合使用[5]。滑差軸主要用于分切產品質量要求比較高、速度比較快的分切設備，且滑差軸特殊分段、獨立打滑及扭力設定結構，能較好地解決材料因厚薄及張力不均造成的脫卷現象，從而提升產品的分切品質。氣剎盤能提供極大的扭矩張力，主要用于大卷徑、寬材料的放料。無論是滑差軸張力控制或氣剎盤張力控制，其控制的流程基本一致，即通過PLC輸出0～10 V模擬信號，控制電控比例閥輸出對應的氣壓給滑差軸或氣剎盤，從而完成相應的張力控制。收卷軸的變頻系統控制方式與磁粉控制系統的變頻控制模式一致，即PLC通過模擬量輸出0～10 V的速度信號，控制收卷軸的速度。氣動控制系統控制流程如圖2所示。

氣動控制系統適用范圍廣，分切質量高、速度快，可解決分切材料因厚薄及張力不均造成的脫卷現象。但是其整體價格較高，對于低端分切市場來說，競爭力一般，廣泛適用于中高端的分切市場。

3 伺服控制系統

全伺服控制系統是目前分切機張力控制系統中性能最好、精度最高的系統。伺服控制系統控制簡單，在轉矩模式下，不需要對收放卷速度進行精確控制，只需要給出相應的速度限制以及對應的扭矩輸出即可完成相應的張力控制，即通過PLC輸出兩路模擬量信號，一路用于伺服速度限制，其速度要大于設備正常運行的線速度，另一路用于張力控制，即可完成分切系統的張力控制。

全伺服控制系統控制張力控制精度高，響應快，但是與其他系統相比，價格昂貴。在一般的中低端生產線上，很少用全伺服系統實現張力控制。

4 張力控制算法

在實際生產過程中，以中心收卷方式為例，隨著收卷長度的變化，收卷直徑也會不斷變化，如收卷軸直徑逐漸變大，而放卷軸逐漸減小。卷徑的變化會引起收卷或放卷角度及以角速度的變化，從而影響張力的控制。因此在收放卷過程中，選擇合適的張力控制算法尤為重要。傳統的張力控制模式分為兩種，一種是開環控制，另一種是閉環控制。

開環控制模式對張力控制算法的要求較高，需要通過一定的補償機制，才能確保不同材料、不同寬度、不同卷徑下的張力穩定性。一般來說，開環控制精度相對較差，可以滿足絕大部分中低端材料的生產需求。通過大量實驗，本文提出了一種精度相對較高、適用性較強的開環控制算法，其計算公式如下[6]：

式中：N為實時張力輸出（N）;N0為初始設定張力（N）;W為材料寬度（mm）;D為實時卷徑（mm）;K為張力-半徑曲線系數（%）。

K值是根據實際測試效果設定的，即在不同的材料下，通過試運行分切，根據材料的實際收卷效果，設置不同卷徑下的張力系數輸出值，從而使張力控制更穩定，其曲線系數設置如圖3所示。

針對材料的多樣性和操作的便捷性，設置多組曲線參數，操作人員可以根據設置好的曲線，完成對應材料或相似材料的張力控制。

5 結語

分切機的張力控制系統配置多樣，可通過不同的搭配設計，實現性能和效益最大化。除了上述3種張力控制系統以外，還可以通過收卷滑差軸加放卷磁粉制動器、收卷伺服電機加氣剎盤等組合，實現分切設備張力控制系統的優化設計。

[參考文獻]

[1] 王韜，王恒升，周君.自適應滑模摩擦補償在隔膜張力控制中的應用[J].自動化與儀表，2020，35（3）：88-93.

[2] 廖黎莉，芮曉光，王傳洋，等.基于智能算法的高速噴氣織機恒張力控制技術的研究[J].工業控制計算機，2020，33（5）：115-118.

[3] 李會榮.鋁箔分切機套筒夾持裝置的設計[J].機械制造，2019，57（11）：87-88.

[4] 高云澤，許號永，張華杰，等.一種控制卷繞壓輥張力的系統設計[J].機電工程技術，2019，48（11）：49-51.

[5] 谷向磊，黃長清，蔡央，等.基于PID控制器的鋁熱連軋張力控制系統的設計與實現[J].測控技術，2019，38（2）：133-136.

[6] 潘頌哲，鄭巧美，邊立健，等.基于PLC的高速分切機自動控制系統的研制[J].南方農機，2020，51（8）：143-144.

收稿日期：2020-07-28

作者簡介：潘頌哲（1989—），男，浙江溫州人，碩士研究生，助教，主要從事分切機、水鉆機、模切機等PLC控制系統研發工作。