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张力与同步系统

一、 概述
  在产业界，在产品的加工生产制程上，如果该项产品为一连续性材质，则在加工过程中，张力与同步控制的需求就运应而生。虽然张力不是拉力，但实际应用过程中近似于控制拉力。同步控制从出发点而言是为了保证几个马达之间按照一定的比率去运行，在张力系统方面就效果而言，同步控制和张力控制没有太多本质的区别，一般而言，张力控制最后的效果也是一种形式上同步控制的效果。当然同步控制不仅仅应用于张力系统方面，比如位置定位类的加中机床的多轴同步就不属于张力控制了，所以同步控制要广泛于张力控制了，这里讨论的主要是张力系统方面的张力与同步控制。

  从控制介质和执行机构而言，气动，液压和马达都可以完成对系统的张力和同步进行控制，不过马达是当代工业设备的心脏，所以研究张力与同步控制最多的也是研究对马达的控制。早期主要是使用直流马达和直流伺服来作为张力与同步控制的执行期间，随着电力电子技术的发展，因为交流马达存在价格低廉，维护方便的特点，普通异步马达和交流伺服马达的控制算法也开始完善起来了，而且交流马达的控制应用已经慢慢占据了主流位置了，目前新上的设备上大都采用高交流系统。从控制器的选择来看，张力控制目前还是以单片机嵌入式系统为主，即主要是采用仪表式的张力控制器去完成对张力的控制，而随着PLC，工控机等系统的完善，也有一些新项目上采用了这些可编程类的控制器来实现张力与同步控制。
　　 产品张力控制按产品加工流程大致可分为如下三个方面：1、给料（解卷）张力控制系统；2、线上加工张力控制系统；3、成品卷取（收卷）张力控制系统。
　　 对于给料张力控制系统，当加工材质为低强度，高可变性（塑胶、薄膜、极细纤维等材料），由静止到正常生产速度，在加速过程中的动/静磨擦力，静惯量等合力已超过被加工材质的破坏强度或造成永久变形的场合，就得考虑采用动力给料张力控制系统；对于其他场合，则只需考虑使用被动给料张力控制系统。
　　 对于线上加工张力控制系统，当被加工材质需做固定延伸/收缩加工，或是零张力加工，则考虑采用延伸率控制系统；当被加工材料具有弹性或弹性度极小时，加工过程中又需在任何速度下都得维持一定的张力值时，则考虑采用线上张力控制系统来确保加工的精度。
　　 对于成品卷取张力控制系统，它也分为两种情况，一为中心动力卷取，二为表面摩擦卷取。中心动力卷取适应的场合是：在材料卷取时，表面不能有受损的情况；表面摩擦卷取适应的场合是：材料卷取时，卷径比大于1：10以上，极脆弱产品或张力控制需求不高的收料，且材质不考虑表面可能受损的情况。

 

二、解决方案

冶金	薄膜	造纸	包装
电线电缆	染整	针织	玻璃
皮革	拉丝	管材	其他
分切	印刷	裁剪	纤维

三、分类
　 1、外径演算补偿式张力控制器。其工作原理是由生产线主速传动轴上装置编码器回授生产长度，卷取轴上装置一近接开关，回授卷轴的转速，二者合并计算出卷轴直径，然后依据操作者所设定的张力需求百分比自动演算调整扭力及刹车力的控制器。它可配合磁粉制动器，离合器，气压刹车，交流/直流马达做自动收料/放料张力控制系统
　　 2、回授式张力控制器。其工作原理是依据生产线上操作人员设定卷取或放料所需张力值，然后本控制器再读取由张力传感器量测的实际张力值，做比较演算后，输出修正指令，改变刹车力或卷取扭力的大小，自动达成实际张力与设定张力相同的高精度张力控制器。它可配合磁粉制动器，离合器，气压刹车，交流/直流马达做自动收料/放料张力控制系统
　　 3、高精度动力收/放料控制器。其工作原理是：在工作时，从变位检出器回授位置讯号，进入本控制器，经由内部16位元RSC的演算来控制收/放料马达的速度与扭距，达成高精度的收/放料控制。
　　 4、全数位式张力控制器。本控制器为一综合功能之数位式张力控制系统，内含PID张力控制、外径演算、主速偏压、张力渐减、介面传输、手动张力控制等功能。其特点：1、内部可设定COSθ方式与直线式两种张力渐减功能；2、具有两组类比输出DC0-10V，可同时做速度与张力控制；3、具有MODBUS RTU模式介面；4、在零速时，张力不演算执行修正。

四、控制原理

从控制原理大方向来看，张力控制可以分成两种，一种是开环控制，另外一种就是闭环控制了。

1、开环张力与同步控制

开环，顾名思义就是没有直接张力或者同步信号反馈回来的控制，而只是通过一些算法的推测去对系统进行单方向的执行而已，虽然精度不是特别高，但一般都能够满足现实中很多设备的要求，因为目前机械加工精度都比较高，所以有比较好的执行模型来满足这样的控制需求。张力的开环控制，其实就是控制了马达的电流，这是一种电流之间的开环同步。对于线上加工中的产品而言，两条辊之间的张力和两个马达的电流大小是成线性关系的，所以只要控制好两个马达之间的电流大小，就可以保证两个辊之间的张力的大小控制。而对于同步控制而言，一般是控制两个马达之间的速度比率，只要保证速度给定是准确的，马达本身的特性足够硬，则就可以满足了同步要求，比如拉伸膜生产过程，就是通过速度同步控制而达到要求的。而对于卷取类的系统，因为涉及到卷径的变化，单纯靠控制单一的电流是无法满足要求的，必须要通过卷径推算来完成对电流的控制，卷径推算是通过测量线速度和角速度的比率来达到目的的。

2、闭环张力与同步控制

闭环控制，就是要采集各类信号，特别是直接的张力控制信号来满足控制要求。张力传感器是通过一些压变式电阻来检测当前的张力，控制算法一般采用传统的PID方式，一般这类系统采用张力环直接处理后给电流环比较多，直接达到控制张力的目的，但响应速度不够快，精度虽然比较高；在一些高速响应的场合，必须采用速度环的控制方式，但因为环路较多，系统鲁棒性比较差，调试比较费时间，同时需要推算卷径大小。卷径大小除了用线速度和角速度比率来处理外，还可以通过外加超声波等外加传感器来实现。另外一种采用位移传感器来间接控制张力，其实不是直接控制张力，而是控制位移传感器的位置而已，在其跳舞轮的位置相对稳定时，就当作张力稳定而已，因为这样系统有个缓冲的余地，所以调试比较容易，响应速度也比较高，但需要制作张力架，同时精度也不算特别高，一般在线材来控制场所使用比较多。

 

五、张力控制的几种形式

1、恒张力控制

恒张力控制就是保持张力值在设备运行过程中不变的控制方式，这是最常用的方式，采用上边的开环或者闭环控制方式都可以达到这个控制目的，张力给定是不变的，实际张力围绕给定张力波动，最终的目的是要控制给张力的实际值在很精确的范围以内，象钢板和铜丝的收卷，基本上就是恒张力控制，线上加工的张力一般也是恒张力控制。

2、变张力控制

很多塑料材料的卷取，是采用变张力控制来完成的，比如PVC薄膜。因为这类型材料不能够使用恒张力，否则会造成中心材料因为压迫变形，从而造成产品不合格，所以在卷取过程中必须根据直径大小来调整给定张力值，就是要实现所谓的锥度控制，锥度是一条类似于双曲线类的曲线给定值，保证在收卷过程中慢慢减少了张力值，而控制的其他地方和恒张力控制一样，只是给定值不断调整而已，实际张力实时跟踪了给定值，保证这个过程的恒定。