印包行业知识及其工艺算法介绍(五)——张力控制工艺

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#楼主# 2019-8-27

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本帖最后由 师程工_李 于 2019-9-3 16:08 编辑

印刷工艺分类——张力控制


       张力控制是印包所有工艺的基础。这部分讲张力控制工艺。
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一、断续运行:弹性储料架、风箱吸风
       在实际应用中有一些工艺,材料不是匀速运行的,需要频繁的启停、加减速或者正反转,这样在高速运行中,很难保证材料的张力稳定。这种运行中的波动,需要在放卷与牵引之间、牵引与收卷之间增加缓冲的机构。这种缓冲机构一般采用两种方式:弹性储料架和风箱吸风。如右图。
       弹性储料架的方式,材料会绕在缓冲辊上,多辊可以减少储料架的行程。储料架上会安装位移传感器,储料架的移动会触发送料电机或者收料电机的启停,以此保持张力稳定。
       风箱吸风的方式,材料会依靠重力及风力下垂在风箱当中,风箱中会安装一上一下两个传感器,根据材料下垂的多少,来控制收放卷电机在高速与低速之间切换。两个传感器可以有3种状态(下传感器有信号,上传感器无信号的情况被排除)。
       除了增加缓冲机构,还可以使用机械方式保持张力,比如增加棉条压紧,或者使用重锤,等等,这里不作讨论。
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二、连续运行:表面卷取
       在匀速运行场合,材料张力的控制可分为中心卷取与表面卷取。
       表面卷取方式,电机只驱动摩擦辊,而材料收卷在卷取辊上。摩擦辊一般靠气缸压在卷取辊上,气缸使用恒压阀,保证压力恒定,这样可以通过摩擦的形式,把电机扭矩恒定地传递到材料表面。因为电机直接控制材料表面张力,所以不受卷径变化的影响,不需要卷径计算。
       一般表面卷取方式使用电机扭矩模式运行,保证表面张力稳定可控即可。根据要求,可适当增加补偿。
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三、连续运行:中心卷取
       若采用中心卷取方式,会发现材料的张力、线速度,与电机的输出转矩、转速之间不是线性的关系,而是跟卷径大小有关,他们的关系是T=F*R,V= ω*2πR。通过控制电机的输出转矩(转矩模式)或者运行频率(速度模式),就可以获得稳定的张力。核心是取得准确的实时卷径
       一般我们使用开环转矩模式和闭环速度模式。
       在开环转矩模式下,通过牵引轴,我们可以得到系统线速度,再通过收放卷轴的转速,我们就可以得到实时卷径。这样我们就可以得到电机应有的输出转矩,保证材料张力一定。
       在闭环转矩模式下,根据系统线速度和实时卷径,我们可以匹配一个运行频率f1,根据张力闭环PID,我们可以得到一个调节频率f2,电机实际运行频率f=f1+f2。因为f2的存在,对f1 和R的要求并不是很高,f也会反过来修正R,保证材料张力一定。
       除了线速度计算卷径的方式,我们还可以采用厚度累计法。只需在负载轴上安装传感器来计算圈数,设定材料厚度,根据圈数计数即可知道实时卷径。这种方式的好处是,结构和算法简单,线性度好,稳定可靠。但控制精度不高,卷径出错后无法消除。
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       随着多轴运动控制器和高速实时运动总线的发展,还有一类设备是使用位置模式进行张力控制的。可开环可闭环。
       若使用开环位置模式,一般会有前后两个牵引轴,是电子齿轮关系,线速度不相等。这样两个牵引轴之间会有持续的材料拉伸变形。根据杨氏模量理论,形变量的大小决定了张力大小。线速度差越大,形变越多,张力越大,直到一边牵引打滑。
       若前后两个牵引之间的材料过长,或无法通过拉伸变形产生合适的张力,那么需要增加张力反馈机构,使用闭环位置模式。类似于闭环速度模式,通过收放卷转过的角度和牵引转过的距离,即可求得实时卷径,进而确定实时电子齿轮比,并且叠加张力反馈PID进行调节,具有灵敏、准确的特点。
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四、连续运行:磁粉/气/液制动器
       在张力控制场合,除了上述电机的应用,磁粉的应用也非常广泛。
       磁粉是根据电磁原理并利用磁粉来传达转矩的,其传达之转矩与激磁电流基本成线性关系。因此,只要改变激磁电流之大小,便可轻易地控制转矩的大小。正常情况下,在5%至 100%的额定转矩范围内,激磁电流与其传达之转矩成正比例线性关系。当激磁电流保持不变时,其传达之转矩不受传动件与从动件之间差速(滑差转速)之影响,即静力矩与动力矩无差别。因此可以稳定地传达恒定之转矩。此特性若运用于张力控制,则用户只需调节激磁电流之大小,便能准确控制并传达所需转矩,从而简便、有效地达到控制卷料张力的目的。磁粉具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点,是一种多用途、性能优越的自动控制元件。
       同时,磁粉也有一些弱点:在低转矩下线性度差,高转速下发热严重,温度高容易退磁等。所以使用变频器取代磁粉做张力控制,是一个趋势。
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       磁粉分为磁粉离合器与磁粉制动器两种,它们的原理相同,只是结构上略有不同:磁粉离合器的驱动体(输入端)和从动体(输出端)是在同心轴上的,两者之间有磁隙并由轴支撑,可以自由旋转。在磁隙中间填放有高导磁性的磁粉(铁性磁粉)并在基外周配置了励磁线圈,以便保证磁通通过。在无励磁状态下旋转驱动体时,磁粉因离心力作用贴向驱动体工作面,驱动体与从动本不能连为一体。当线圈励磁后,磁粉沿着所产生的磁通,有如链条一样的形式连结起来,通过这些磁粉之间的连结力和磁粉与动作面的摩擦传导扭矩。因此也可以说是磁粉为介质的摩擦式离合器。如果把驱动体固定,只留个从动体出来,就是磁粉制动器了。
       不难理解,收卷适合使用磁粉离合器,驱动体连接电机,给定速度运行,从动体连接负载。速度给定略大于系统线速度,磁粉离合器就会打滑摩擦,负载就会获得磁粉给定的扭矩。
       放卷适合使用磁粉制动器,只需将驱动体连接负载即可,被动放料,磁粉制动器打滑摩擦,负载就会获得磁粉给定的扭矩。
       类似原理还有气动离合器、液压离合器,大型机械应用也比较广泛。
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(下期内容:印包工艺分类——纠偏控制)




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Apple 发表于 2020-3-21 20:51:28
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yyc99888 发表于 2020-3-21 22:45:42
好资料。。
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