張力是指受到拉力作用時(shí)，物體內部任一截面兩側存在的相互牽引力。長(cháng)材料的加工過(guò)程中，比如：紙、膠片、線(xiàn)、電纜、各種薄膜和繩等都存在張力。張力控制是對在兩個(gè)加工設備之間作連續運動(dòng)或靜止的被加工材料所受的張力進(jìn)行自動(dòng)控制的技術(shù)。

如下圖所示，張力=扭矩/半徑（T=X/R）。當張力過(guò)大時(shí)，不適當的張力會(huì )導致材料伸長(cháng)，破壞卷的形狀，如果張力超過(guò)材料的剪切強度，甚至會(huì )破壞卷筒。另一方面，張力不足會(huì )導致收卷卷筒伸縮或下垂，最終導致成品質(zhì)量低下。

隨著(zhù)現代工業(yè)的快速發(fā)展，高精度、高質(zhì)量和高速度作業(yè)的機械設備，如絲綢印花機、紡織機、印刷機等，對張力控制提出了更高的要求。張力控制成為了工業(yè)和生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的重要因素，成為提高生產(chǎn)效率、保障產(chǎn)品質(zhì)量、提高設備運行精準度的關(guān)鍵。

張力控制的三種方式

實(shí)現張力控制需要應用到張力控制器，這是一種實(shí)現恒張力或者錐度張力控制的自動(dòng)控制系統，其作用主要是實(shí)現輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制。整個(gè)系統主要由張力控制器、張力檢測器、制動(dòng)器和離合器構成?？刂品绞接?/span>手動(dòng)控制、開(kāi)環(huán)張力控制、閉環(huán)張力控制三種。

（1）手動(dòng)控制

手動(dòng)張力控制就是在收卷和放卷過(guò)程中，通過(guò)人工分階段調整張力的幅值，以滿(mǎn)足不同階段的張力控制。當卷徑變化時(shí)，操作人員需要通過(guò)感覺(jué)來(lái)調整控制輸出以保證張力不會(huì )過(guò)大或過(guò)小。手動(dòng)控制方式擁有以下三個(gè)特點(diǎn)：

①成本低；

②根據人的手感調整材料拉伸；

③只能進(jìn)行階段性的控制。

由于采用手動(dòng)控制，無(wú)法保證整個(gè)過(guò)程中張力的恒定，張力控制的調節精度比較差。該方式一般應用在張力控制精度要求不高，自動(dòng)化程度低的應用場(chǎng)景。

（2）開(kāi)環(huán)張力控制

開(kāi)環(huán)張力控制就是在變頻器收卷和放卷過(guò)程中，自動(dòng)檢測卷徑的變化，并實(shí)時(shí)調整收卷和放卷的力矩的方法，又稱(chēng)為半自動(dòng)式張力控制或者卷徑檢測方式。開(kāi)環(huán)張力控制有以下三個(gè)特點(diǎn)：

①進(jìn)行相對穩定的控制；

②不需要張力檢測器；

③有機械損耗，不能把握控制張力。

由于受到執行機扭矩變化、線(xiàn)性和機械損耗等影響，張力絕對控制精度有限，多應用在用戶(hù)無(wú)法安裝張力反饋裝置的場(chǎng)合。

（3）閉環(huán)張力控制

閉環(huán)張力控制亦稱(chēng)為全自動(dòng)張力控制方式，在開(kāi)環(huán)張力控制的基礎上，使用張力傳感器、浮動(dòng)輥、自由式浮動(dòng)輥等反饋器件，通過(guò)PID調節，實(shí)時(shí)修正電機速度、轉矩，從而實(shí)現較高的張力控制精度。閉環(huán)張力控制有以下三個(gè)特點(diǎn)：

①控制精度良好；

②直接讀取和控制張力數值；

③成本高，需要對機械運動(dòng)動(dòng)作和控制進(jìn)行協(xié)調。

對于該種張力控制方式，由于其進(jìn)行了閉環(huán)控制，可以實(shí)現高精度的張力控制，能夠滿(mǎn)足高精度、高質(zhì)量和高速度作業(yè)的機械設備。因為需要安裝張力檢測器，成本會(huì )相對其他方式會(huì )有所增加。

這里分享一個(gè)典型應用案例：威科達貼邊滾焊機張力方案中的過(guò)程張力A閉環(huán)控制。

傳統的張力控制方法

主動(dòng)輥和壓焊印A兩根輥通過(guò)電氣或機械加工形成速差來(lái)使里面的材料繃緊，這種做法需靠材料的拉伸或其中的一根棍自然打滑方可使用，拉伸度不夠的材料不適合使用；還有一種方法是用浮輥，這種方法不適合小張力。

  威科達的張力控制方法  

在此區域安裝一個(gè)張力傳感器以檢測其實(shí)際張力大小，先根據機械參數算出主動(dòng)輥和壓焊印A的速度比例關(guān)系，然后再慢速將機器開(kāi)起來(lái)讓傳動(dòng)輥運轉幾圈，系統根據張力傳感器的張力反饋大小和編碼器脈沖反饋雙閉環(huán)來(lái)修正電子齒輪比系數，精準匹配速度比例關(guān)系，使兩者的線(xiàn)速度基本同步，從而保證在運行過(guò)程中PID調節范圍小，過(guò)程張力更穩定。

實(shí)現張力控制優(yōu)化的三種途徑

實(shí)現張力控制優(yōu)化主要有三種途徑：一是卷徑計算；二是閉環(huán)張力控制；三是慣量計算。

（1）卷徑計算

卷徑計算是張力控制的一個(gè)關(guān)鍵內容。在生產(chǎn)過(guò)程中，開(kāi)卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑是在不斷變大，因此轉矩必須隨著(zhù)卷徑的變化而變化，才能獲得穩定的張力。由此可見(jiàn)，卷筒的瞬時(shí)卷徑計算是必需的。常見(jiàn)的卷進(jìn)計算方式有以下三種： 

①通過(guò)牽引、收放卷的角速度和線(xiàn)速度來(lái)計算卷徑；

②通過(guò)材料的厚度計算面積，從而得到卷徑；

③通過(guò)傳感器直接測量卷徑。

卷徑計算是實(shí)現張力控制優(yōu)化的方法之一。隨著(zhù)卷徑的變化，控制電機的轉矩發(fā)生相應的增加和減小，從而得到穩定的開(kāi)卷、卷取張力，順利地進(jìn)行生產(chǎn)。

（2）閉環(huán)張力控制

通過(guò)上文的三種張力控制方式介紹可知，閉環(huán)張力控制相對于另外兩種方式，在穩定性和精度上均有優(yōu)勢。想要實(shí)現張力控制效果的進(jìn)一步提升，閉環(huán)張力控制無(wú)疑是必然選擇。

據吳工介紹，威科達閉環(huán)張力控制會(huì )在收放卷上增加卷徑計算和慣量計算，這樣就不會(huì )完全依賴(lài)于PID調節，使得張力控制更加平穩。

（3）慣量計算

在收放卷加、減速的過(guò)程中，需要提供額外的轉矩用于克服整個(gè)系統的轉動(dòng)慣量。如果不加補償，將出現收卷過(guò)程加速時(shí)張力偏小，減速時(shí)張力偏大，放卷過(guò)程加速時(shí)張力偏大，減速時(shí)張力偏小的現象。因此，想要實(shí)現張力控制優(yōu)化，慣量計算必不可少。

慣量計算是收放卷在加減速過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一個(gè)慣性，威科達通過(guò)改變電機轉矩的大小來(lái)抵消掉慣性，從而使張力控制更加穩定。 

VC510張?控制專(zhuān)?型伺服

針對張力控制的諸多難點(diǎn)，威科達提供了全伺服張?控制解決?案，以VC510張?控制專(zhuān)?型伺服為核?，針對不同的機械采?不同的張?控制模式，將張?控制器集成于伺服驅動(dòng)器內，實(shí)現收放卷開(kāi)環(huán)張?控制、收放卷閉環(huán)張?控制、過(guò)程張?控制等，達到?精度、?穩定性、免維護且節能的效果。

作為運動(dòng)控制整案定制專(zhuān)家，威科達專(zhuān)注運動(dòng)控制領(lǐng)域19年，旗下產(chǎn)品涵蓋有通用型伺服，張力控制、鏈刀、輪切、追剪、獨立模切、雙閉環(huán)專(zhuān)用、全閉環(huán)壓力控制等專(zhuān)用伺服，對電子凸輪、同步控制、張力控制、各種運動(dòng)疊加，有深入的研究和廣泛的應用，深度解決工業(yè)自動(dòng)化控制痛點(diǎn)，讓設備運行更加穩定、高效！