卷材传输张力控制结构的研究与应用_李国林.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-03-28卷材传输张力控制结构的研究与应用李国林，邓珏琼，朱亚红(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)摘要：介绍了多种基于卷材传输的张力控制结构，阐述了2种改进型的张力控制机械结构的设计原理，结合虚拟主轴同步控制的方法，应用于叠层机薄膜卷材传输张力控制系统中，取得了较好的实际应用效果。关键词：卷材传输；张力控制；虚拟主轴；同步控制中图分类号：TN605文献标志码：B文章编号：1004-4507(2023)03-0049-06Research and Application of Tension Control Structure forRoll Material ConveyingLI Guolin，DENG Jueqiong，ZHU Yahong(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)Abstract:This paper introduces a variety of tension control structures based on roll materialconveying，and expounds the design principles of two improved tension control mechanical structures.Combined with the method of virtual spindle synchronous control，it has been applied to the tensioncontrol system of film roll material conveying of laminating machine，and achieved good practicalapplication results.Key words:Roll material conveying；Tension control；Virtual spindle；Synchronous control张力控制是以卷材为原料的机械设备制造与应用中非常重要的环节，广泛应用于各种以卷轴和滚筒结构组成的生产线上。张力的变化对加工材料会产生很大的影响，张力过小会使卷绕材料的层与层之间产生应力变形，造成收卷不整齐，张力过大会造成加工材料的拉伸变形甚至断裂，张力控制的稳定性会影响卷材的线速度及卷材的松紧程度，从而影响成品率。因此，保持卷材卷制过程中恒定的张力控制就成为提高产品成品率非常关键的技术。恒定的张力控制是指能够持久地控制卷绕材料在传输时张力稳定的能力，卷制设备中的恒定张力控制能够起到保持张力动态平衡、保证产品性能一致、减少人为因素影响和提高产品质量的作用，用于实现这一功能的技术，叫做张力控制技术，而实现这一功能，首先要有可靠稳定的张力控制结构。电子专用设备研究49（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 20231 3种张力控制结构1.1重力锤调节张力控制结构重力锤调节控制张力的原理是在放线轮和收线轮之间加一个重力锤，重力锤可以在垂直的滑槽内上下自由滑动，通过重力锤自身的重力来施加张力，并且在切割机走线过程中，通过重力锤的位置和速度来调节收线轮电机与放线轮电机之间的速度同步性1。切割机重力锤张力机械结构如图 1 所示。如图 1 所示，设定收线轮电机、放线轮电机的输出线速度及重力锤的速度分别为 v1、v2、vG，以图 1中所示方病向为正方向，并忽略钢丝线自身弹性伸缩的情况下，重力锤的速度为：vG=(v1-v2)/2(1)由式(1)可见，vG反映的是放线轮电机随动系统的跟随误差。设定切割线张力为 F，轴承摩擦作用力为 Ff，重力锤的质量为 m，重力加速度为 g，以重力锤为研究对象，其动力学方程为：2F-m g=mddtvG+Ff(2)摩擦力与重力锤的重力相比可以忽略不计，所以张力可写成：F=m g2+m2ddtvG(3)其中，式(3)中右边第一项是定值，第二项由重力锤质量 m 和运行过程中重力锤运动的加速度来共同决定。切割机在走线过程中要求张力保持恒定，经分析不难看出，张力波动的主要原因是由式(3)右边的第二项决定，而影响因素主要是 m和 vG，在重力锤质量 m 不变的情况下，vG的值越小则张力波动就越小。因此，可以通过控制收线放线电机的速度一致性来减小控制张力的波动。这种重力锤调节张力控制结构的原理相对简单，适用于张力不变且张力控制精度要求不高的设备中。1.2弹性体调节张力控制结构弹性体调节控制张力的原理是在放卷轴和收卷轴之间加一个弹性体，弹性体可以在垂直方向上下自由伸缩，通过弹性体自身的伸缩量来施加张力2。如图 2 所示，设定卷材张力为 F，轴承摩擦作用力为 Ff，弹性体的弹性系数为 K，变形量为 L，按照胡克的弹性定律得出张力为：F=12K L+Ff(4)摩擦力与弹性体的弹性力相比可以忽略不计，所以张力可写成：F=12K L(5)由式(5)可以看出，在弹性系数 K 一定的情况下，卷材的张力 F 的大小主要取决于弹性体的变形量 L，而变形量 L 的具体数值，可以通过在轴承端的支点处安装电位器，当实际张力与设定张力值不等时，产生电压反馈送到收卷轴驱动器的模拟量输入端口，通过比例积分微分（PID）调节器将电压差转变为轴的速度附加值，通过轴的转速调整稳定张力，如图 2 所示。这种弹性体调节张力控制结构的原理简单，相较于重力锤张力结构来说，在一定范围内可以适用于不同张力值的调节，但其张力控制精度受收放卷电机的速度同步性影响较大，常用于对张图1切割机重力锤张力机械结构示意图图2弹性体张力控制结构示意图V2EEV1EEE01放线轮02收线轮重力锤+50-501放卷轴EEEEE+50-5G电子专用设备研究50（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023力控制精度要求不高的设备中。1.3张力传感器调节张力控制结构张力控制系统结构示意图如图 3 所示，张力控制系统主要包括张力设定、张力检测和张力控制三部分，其控制张力的原理是收放卷轴的卷材张力控制采用闭环控制，通过张力传感器检测卷材所受的张力大小，实时的调节收放卷轴电机的电磁力矩，来实现对卷材恒定张力的控制。在控制力矩的同时，需要保证收卷部分的线速度与放卷部分的线速度一致，否则影响电磁力矩对张力的控制。图3张力控制系统结构示意图安装在收放卷轴上的伺服电机通过对卷材施加阻力矩使卷材上产生张力，产 生的张力作用在三角形结构最下方的导向辊上，可以转变成卷材对导向辊的压力，通过导向辊作用在安装在导向辊下方的张力传感器上，此张力传感器将检测信号输出给张力控制器后转换成计算机可识别的数字信号，并在计算机内对其进行数据处理，将处理后的指令信号再反馈给张力控制器，经过数模转换后变成模拟信号进入到伺服驱动器，控制伺服电机的运动，从而调整安装在卷轴上的伺服电机的输出扭矩，进而最终达到控制张力的目的3-5。以放卷机的张力传感器辊为研究对象，基于力矩的张力控制框图如图 4 所示。调节张力的原理为，张力的设定值 FSP与张力的实际反馈值 F 进行比较，通过张力传感器检测卷材的实时张力信号反馈给张力控制器，偏差值 e 经张力控制器处理后输出控制信号给驱动单元，控制驱动器调整伺服电机的输出力矩作为力矩补偿值，从而实现调节卷材张力的目的，以达到稳定的张力控制。这种基于张力传感器的张力控制结构的设计复杂，相较于重力锤和弹性体张力结构来说，由于是闭环控制，其张力控制精度较高，适用于对张力控制精度要求较高的设备中，但是制造成本相对较高。2改进型张力控制结构的设计通过研究，设计了两种改进型张力控制结构，机械设计相对简洁，电气控制相对简单，且控制精度较高，其类似设计广泛应用在国内外元器件设备的制造中。张力控制设计结构一，摆杆张力控制结构，其示意图如图 5、图 6 所示，该机械结构主要由张力电机、联轴器、角度测量仪（非接触式光学电位器）、轴承、上下摆杆、固定轴辊、摆杆轴辊等组成。其中，张力控制电机选用力矩电机或伺服电机（选用力矩模式），通过联轴器及轴承连接两根上下摆杆机构，而由于摆杆采用杠杆的机械结构设计，为保证作用于摆杆轴辊上的足够张力，一般选用较大功率的张力电机，且不采用减速机，这样可以减小张力稳定时的波动值。张力控制设计结构二，滑轨张力控制结构，其示意图如图 7、图 8 所示，该机械结构主要由张力电机、联轴器、丝杠、导轨、零位开关、轴承、滑轨基图4基于力矩的张力控制框图01放卷轴EEEEEEEEEEE02收卷轴E伺服电机驱动单元张力控制器 01PC/PLCPC/PLC工作台张力控制器 02伺服电机驱动单元张力传感器 02张力传感器 01检测信号检测信号FSPFe张力控制器驱动单元伺服控制器收/放卷轴伺服电机张力传感器电子专用设备研究51（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图9摆杆结构张力控制平面示意图03卷出轴02真空辊轴01剥离运动轴摆杆结构 01摆杆结构 0204卷取轴EEEEEEECEEEEED张力轴A张力轴B3015030150图5摆杆张力控制结构示意图图6摆杆张力控制结构侧视图座、固定轴辊、滑动轴辊等组成。其中，张力控制电机选用力矩电机或伺服电机（选用力矩模式），通过联轴器、轴承及丝杠连接导轨座连接块机构，滑轨基座固定在两条导轨上，滑动轴辊固定在滑轨基座上，可随滑轨基座移动。而由于采用丝杠导轨的机械机构设计，可以有效阻断张力稳定时的波动，为确保作用于滑动轴辊上的足够张力，一般选用较小功率的张力电机，外加减速机的机械设计结构。这两种改进型张力控制结构，主要差异在于张力电机与浮动轴辊之间的机械连接机构，摆杆张力结构相较于滑轨张力结构没有丝杠导轨，而是电机直连驱动，对张力稳定时的干扰影响较大，两种结构的电气控制原理相同。3改进型张力控制结构的应用基于 2 种改进型张力结构所设计的张力控制系统示意图如图 9、图 10 所示，这两种结构的张力控制系统在目前主流的片式电容叠压机设备中应用较为广泛。图 9 和图 10 中所标“E”的轴辊都是位置固定的轴辊，不随运动轴移动，而所标“E”的两个轴辊是与剥离运动轴 01 机械结构连接在一起，并跟随剥离轴 01 的运动一同动作。图中所标“C”和“D”的 2 个轴辊是分别固定在张力轴 A、B 上的浮动轴辊，图 9 中摆杆结构的轴辊摆角范围是 030，图 10 中滑轨结构的轴辊位移范围是 030 cm。浮动轴辊的设计主要是为了消除卷出轴 03 和卷取轴 04 半径测量误差、四轴同步控制过程中产生的系统误差，以及轴 03、轴 04出现干扰后减小对卷材跟随误差的影响，确保卷材的恒定张力输出。实际的应用中，无论哪一种结构的张力控制系图7滑轨张力控制结构示意图图8滑轨张力控制结构侧视图张力电机角度测量仪联轴器卷材轴承上下摆杆固定轴辊摆杆轴辊固定轴辊固定轴辊导轨滑轨基座零点开关丝杠联轴器张力电机卷材固定轴辊固定轴辊固定轴辊滑动轴辊电子专用设备研究52（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图10滑轨结构张力控制平面示意图统，都是基于虚拟主轴方法的多轴同步控制策略来实现的电气控制系统6，这种系统主要由 PLC 控制器和伺服电机以及光电开关、激光测距仪、纠偏装置、传感器等组成，主要包括剥离台回零程序和四轴同步控制程序两大部分，以及四轴同步运行完成后，根据