繞線機繞線張力控制方法分析

曹施展

（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 210028）

繞線機在紡織紗線和漆包線的卷繞、纖維復合材料及膠管和電纜纖維織物的編織和纏繞等工程領域有著廣泛的應用[1-4]。在繞線機的應用中，穩定的繞線張力對產品質量影響重大[5-7]，如在紡紗過程中，繞線張力直接影響織物的質量、性能和加工效率[8-9]；漆包線繞線張力對高速繞線質量和絕緣層缺陷等影響頗大[10]；纖維復合材料纏繞時，穩定的繞線張力可提高纖維的增強特性[11]。然而，繞線機在不同的應用過程中對繞線張力的精度和穩定性要求不同，需要采取差別化的控制方法，以適應經濟性和實用性的要求。

膠管和電纜等纖維織物編織和纏繞工序所用的線坨一般較小，以便其跟隨錠子在編纏機上高速運轉。因此，需要將大線坨上的線經過繞線機卷繞在小線軸上形成小線坨。繞線過程控制參數一般包括繞線張力、線長、速度和導程，其中繞線張力和線長為關鍵控制參數，決定著線軸的質量；速度為過程從動參數，由控制要求和控制方式確定；導程只取決于線直徑，控制較為簡單。本工作主要分析膠管和電纜等行業常用繞線機對繞線張力控制方法的選擇和應用。

由于通常使用的聚酯纖維或棉纖維經拉伸后發生彈性形變，在一定范圍內伸長率與拉力成正線性關系[12]，因此，繞線機的繞線張力大小和變化會導致線長的誤差。

1 繞線過程分析

1.1 繞線機的結構及工作過程

繞線機一般結構如圖1所示。大線坨上的線依次經過張力控制裝置、計米裝置和排線裝置，最后卷繞在小線軸上，形成小線坨。小線軸由電動機提供卷繞動力。排線裝置可使線按照調節好的排線方式從小線軸一端到另一端均勻卷繞，然后反向排線。隨著排線層數增多，卷繞直徑增大，直到達到長度要求。

圖1 繞線機結構示意Fig.1 Diagram of winding machine structure

1.2 繞線速度分析

繞線速度取決于小線軸卷繞轉速（同電動機轉速ω）和線卷繞直徑（即小線軸小直徑d）。對小線軸的排線進行分析，如圖2所示（d0為線直徑，D為小線軸大直徑，L為線軸長度）。

圖2 小線軸排線示意Fig.2 Diagram of small spool line layout

設排線導程為P，繞線速度為V。為使小線坨排線緊密而平整（沒有空隙和壓線情況），P應等于d0，則卷繞到每一層的線速度（Vi，i=1…n，i為層數，n為自然數）滿足下式：

1.3 繞線張力分析

對繞線過程分析可知，卷繞電動機提供牽引動力，而張力控制裝置提供恒定阻力。等速繞線時，二力平衡，繞線張力保持恒定；躍層提速時，由于張力控制裝置的轉子需跟隨線同步加速，于是將對線產生額外的拉力，導致張力變化。對張力控制裝置的轉子進行動力學分析，如圖3所示。圖中M為阻力矩；F＋ΔF為繞線張力，F為恒定張力，ΔF為躍層提速時張力變化。

圖3 轉子的動力學分析示意Fig.3 Diagram of rotor dynamic analysis

張力控制器的轉子可視為圓盤，設其質量為m，旋轉半徑為r，轉動慣量為J，角加速度為α，線加速度為A，繞線張力變化率為λ，根據牛頓第二定律和轉子的動力學分析，可得：

由式（11）可知，ΔF與m，d0，ω2成正比，而F越大，所需的m也越大，所以，λ主要取決于d0和ω。假定卷繞電動機勻速旋轉，ΔF僅在躍層時發生，且相等，躍層后繞線張力恢為F。

2 繞線張力控制方法的選擇

2.1 恒轉速控制方法

選取普通三相異步電動機作為卷繞動力，輸出ω為23.5 r·s-1；選取永磁制動器（型號為MB-2）作為張力控制裝置提供恒定阻力矩，m為0.1 kg；F＋ΔF設定為（5±0.25） N；d0為0.000 5 m。由此計算出的ΔF為0.075 N，λ為0.015，ΔT為0.043 s。可以看出，張力波動較小，且持續的時間較短，滿足工藝要求。該張力控制方式從系統硬件和控制方法上都較為簡單、經濟和實用。

進一步分析發現，ω和d0增大影響張力變化。將ω從23.5 r·s-1遞增到70.5 r·s-1，d0分別選取0.000 2，0.000 6，0.001，0.001 4 m，其他參數保持不變，λ的變化如圖4所示。很明顯，隨著ω的增大，λ快速增大，并且與d0基本成正比例關系。鑒于λ在不大于0.10范圍內的ω和d0滿足膠管和電纜等生產的繞線工藝要求，因此，該計算模型可用于繞線機的設計參考。

圖4 λ，ω和d0的關系Fig.4 Relationship between λ，ω and d0

2.2 恒線速度控制方法

對于λ＞0.10的ω和d0，通常采用恒線速度控制方法。即控制卷繞電機的ω，使得排線躍層時，仍然保持繞線速度不變，進而保持張力穩定。通常選擇編碼器作為計米裝置，并實時測量輸出繞線速度；選擇伺服電機用于卷繞驅動。當排線發生躍層時，編碼器將繞線轉速變化信號實時傳輸給控制系統，并與繞線速度設定值進行對比運算，然后輸出信號給到伺服電機進行降速，即對繞線速度進行實時跟蹤的閉環控制。此控制系統可通過優化硬件配置和控制方法參數來實現低延時、高響應和低震蕩的穩態。如利用交流伺服電機響應時間短、加減速度快、轉速穩定性好的特點，可快速跟蹤繞線速度的變化；采用光電式編碼器及帶有脈沖輸入捕捉和脈寬調頻輸出模塊的數字式控制器，通過全數字式的信號采集傳輸和控制，可降低模擬信號的處理和轉化時間，使控制系統更加精簡和穩定[13]；通過采取模糊PID算法[在過程控制中，按照偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的方法]和H∞算法（現代控制理論中設計多變量輸入輸出魯棒控制系統的一種方法）等方式來提高系統的動態響應和抗干擾性能[14]。顯然，此種控制方式對硬件和算法都有更高的要求，系統復雜性和成本顯著提高。

2.3 兩種方法對比分析

針對恒線速度控制方法，選取宋辰亮等[13]的試驗研究進行分析。該試驗選取的ω為2 500 r·min-1（41.7 r·s-1），d為78 mm，d0為0.000 2 m，并給予頻率為1 Hz、大小為250 r·min-1的擾動速度。通過換算，其擾動速度變化率為1 m·s-2。結果顯示，系統參數雖經整定和優化，但仍然有至少3.5 ms的純滯后，λ為0.009 6。按照恒轉速輸出的計算模型，在同樣的參數下，其躍層產生的速度變化率約為1 m·s-2，λ為0.019。對比結果可知，在同樣的參數設置下，采用恒線速度控制方法的λ明顯更小。

3 結論

繞線機的λ正比于d0和ω2，ΔF僅發生在排線躍層提速時，采用恒轉速的控制方法，可滿足膠管和電纜等行業繞線的一般工藝要求，具有系統結構簡單，經濟性好，實用性強等優點。當繞線過程需選取的ω和d0較大時，可采用恒線速度控制方法，其張力控制效果明顯更優，但系統復雜性和成本顯著提高。