在實(shí)際生產(chǎn)中，有非常多的行業(yè)都需要對(duì)卷料進(jìn)行加工，而張力控制就是其中的一大應(yīng)用難點(diǎn)。貝加萊作為機(jī)器制造領(lǐng)域的主要“玩家”，常年耕耘于印刷、塑料、包裝、制藥等需要張力控制的應(yīng)用領(lǐng)域中，這也使得貝加萊對(duì)于廣泛張力控制有著深厚積累與獨(dú)到理解。

　　文/貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(中國(guó))有限公司

　　1　張力控制普遍存在于機(jī)器的控制中

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，有非常多的行業(yè)都需要對(duì)卷料進(jìn)行加工，如：

　　l 凹版、柔版、衛(wèi)星式柔版等機(jī)器均需對(duì)材料收放卷控制;

　　l 塑料薄膜：吹膜、流延膜線、熱復(fù)合成型等設(shè)備;

　　l 鋰電領(lǐng)域：極片涂布、輥壓、卷繞以及電池隔膜產(chǎn)線、涂覆線;

　　l 紡織機(jī)械：梳棉/并條、粗紗/細(xì)紗、并軸、漿紗、織機(jī)、經(jīng)編類;

　　l 光伏設(shè)備：多線切割;

　　l 包裝設(shè)備：水平/立式、熱膜包、瓦楞紙線、嬰兒紙尿褲、紙包裝類……

　　在這類加工中，都會(huì)存在“張力”控制這個(gè)問(wèn)題——材料通常經(jīng)由拉力而在材料兩側(cè)形成牽引力，在傳動(dòng)上來(lái)說(shuō)，如果兩個(gè)傳動(dòng)軸產(chǎn)生“速差”才能產(chǎn)生張力。

　　張力控制需要避免材料在整個(gè)傳輸過(guò)程中不能打滑、防止材料的變形——因?yàn)檫@會(huì)影響材料的尺寸規(guī)格，尤其像印刷套色，這會(huì)影響到顏色的疊加套印精度。

圖1　收放卷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

　　2　多種張力控制形式下的應(yīng)用

　　貝加萊作為機(jī)器制造領(lǐng)域的主要“玩家”，常年耕耘于印刷、塑料、包裝、制藥等需要張力控制的應(yīng)用領(lǐng)域中，這也使得貝加萊對(duì)于廣泛張力控制有著深厚積累與獨(dú)到理解。

　　(1)各種場(chǎng)景均有應(yīng)用

圖2　各種模式的收放卷

　　圖2展示了張力控制的各種模式，包括a1-a4多種放卷模式，以及在b1-b3的各種張力測(cè)量，直接的應(yīng)變片張力傳感器、擺輥位置測(cè)量、超聲波位置測(cè)量(以消除擺輥死區(qū)問(wèn)題)，以及在b4中對(duì)于卷徑的實(shí)際值測(cè)量。在c1-c4中包括了各種收卷方式。

　　貝加萊在卷筒料、線材等多種場(chǎng)景有豐富的張力控制經(jīng)驗(yàn)，因此，這種來(lái)自于工程實(shí)踐的Know-How為各個(gè)機(jī)器領(lǐng)域提供了快速開發(fā)的支撐。

　　(2)張力控制系統(tǒng)的建模仿真

　　貝加萊的Automation Studio，可與MapleSim、MATLAB/Simulink這樣的仿真軟件，通過(guò)FMU/FMI接口進(jìn)行連接。在圖3中，可以看到，系統(tǒng)可以針對(duì)材料收放卷、張力檢測(cè)傳感器、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)的PID參數(shù)等進(jìn)行建模。并通過(guò)虛擬仿真以獲得在不同的材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)鏈下的最佳控制參數(shù)。

圖3　張力控制系統(tǒng)的建模與仿真

　　針對(duì)張力的仿真，包括了實(shí)際卷徑、線速度、張力、卷繞軸扭矩、卷軸速度、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、擺輥臂長(zhǎng)度、擺輥扭矩，均可作為張力系統(tǒng)的仿真參數(shù)。

　　(3)mappTension庫(kù)

　　在大量的積累后，貝加萊會(huì)將張力控制作為mapp的專用模塊來(lái)封裝，為用戶提供快速的開發(fā)支持。圖4就是用于張力控制的各個(gè)模塊，包括卷徑計(jì)算、張力控制器、軸控制器、速度環(huán)控制。整個(gè)結(jié)構(gòu)適用性廣，針對(duì)各種場(chǎng)景配置所需參數(shù)，即可快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器的張力調(diào)試。

圖4　貝加萊張力控制模塊結(jié)構(gòu)

　　4　張力控制亮點(diǎn)

　　如圖5所示，針對(duì)于各種場(chǎng)景中的張力閉環(huán)，支持各種控制功能：

　　l 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：由于放卷、牽入、牽出、收卷等會(huì)構(gòu)成完整的張力控制區(qū)間，這些軸包括了放/收卷輥的直徑變化(慣量變化)，以及牽引輥。只有各個(gè)電機(jī)傳動(dòng)軸的高速同步，才能確保在高速下的穩(wěn)定張力控制。貝加萊的ACOPOS P3系列可以提供50μS級(jí)別的速度環(huán)響應(yīng)能力—百微秒級(jí)的POWERLINK通信提供了硬件基礎(chǔ)，而張力前饋控制提供了高動(dòng)態(tài)的張力輸出;

圖5-貝加萊張力庫(kù)的特點(diǎn)

　　l 慣量補(bǔ)償：除了軸間同步來(lái)確保張力，通常的張力系統(tǒng)還是一個(gè)“變慣量機(jī)械系統(tǒng)”，因?yàn)槭辗啪磔S的卷徑分別是漸近變小/變大—這需要根據(jù)系統(tǒng)的變化，當(dāng)然，它也需要結(jié)合卷徑精準(zhǔn)預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)械慣量補(bǔ)償，在速度環(huán)參數(shù)方面給出更優(yōu)的值，確保穩(wěn)定;

　　l 張力解耦：對(duì)于多區(qū)間張力控制而言，還要確保張力區(qū)內(nèi)的調(diào)整不影響其他區(qū)間的張力，這本身是需要全局的張力控制來(lái)保障的。這就像在電池涂布中的多區(qū)間張力控制，消除這種影響至關(guān)重要;

　　l 對(duì)于收卷也是如此，張力錐度控制確保了穩(wěn)定的張力輸出，使得收卷非常精準(zhǔn)，也無(wú)需額外壓輥來(lái)機(jī)械保障;

　　l 易用性：主要是以mapp模塊方式調(diào)用，簡(jiǎn)化編程，快速調(diào)試。

　　5　應(yīng)用領(lǐng)域

　　貝加萊參與的卷筒料應(yīng)用非常得多，下面簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)大型應(yīng)用場(chǎng)景。

　　(1)筒紙印刷機(jī)控制系統(tǒng)

　　對(duì)于印刷機(jī)而言，像凹版印刷機(jī)由于較大的壓印力會(huì)造成各個(gè)色組間的張力隔斷，而帶來(lái)套色的難度。但是，貝加萊的張力控制在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)被驗(yàn)證，達(dá)到550m/min印刷速度。

圖6　高速衛(wèi)星式柔版印刷系統(tǒng)

　　另一種衛(wèi)星式柔版(如圖6)就看上去似乎更好一些，因?yàn)樗牟牧瞎苍诹酥行膲河≥伾稀１M管它沒(méi)有像凹版那樣的張力隔斷問(wèn)題。但是，由于它通常會(huì)用于較大幅面(甚至高達(dá)2400mm)以及高速(超過(guò)1000m/min的速度)——因此，在大幅面、高速機(jī)器上，張力的穩(wěn)定也同樣需要極高的傳動(dòng)精度和響應(yīng)能力來(lái)保障。

　　(2)熱復(fù)合成型

　　對(duì)于熱復(fù)合成型，這有可能用于日常的塑料餐飲盒，也會(huì)在泡罩包裝、杯裝酸奶的成型中會(huì)被用到，如圖　所示，由于經(jīng)過(guò)熱成型、裁切等，確保穩(wěn)定張力，才能確保產(chǎn)品的高一致性。

圖7　熱復(fù)合機(jī)控制

　　當(dāng)然，這種熱復(fù)合工藝也會(huì)被用于像軟包裝類如三邊切的粉體/塊狀食品包裝、鋰電的熱復(fù)合、嬰兒紙尿褲類的設(shè)備材料熱復(fù)合。

　　(3)多線切割設(shè)備

　　在硬質(zhì)材料如LED、光伏晶片、半導(dǎo)體硅晶圓切割中，由直徑僅數(shù)十微米的線材進(jìn)行速度高達(dá)2400m/min甚至以上的裁切中，為了控制好張力，它需要放卷軸、牽引軸、切割輥、收卷軸間進(jìn)行良好的同步—考慮到他們之間的慣量差異，以及需要沿輥直徑方向的排線、往復(fù)切割等機(jī)械動(dòng)作對(duì)于張力的影響，這需要非常高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)能力，對(duì)于張力僅數(shù)N.m的控制而言。采用ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這需要百微秒級(jí)的同步性，由POWERLINK來(lái)保障，以及驅(qū)動(dòng)器本身的速度環(huán)/位置環(huán)高速響應(yīng)能力。

圖8　多線切割中的收放卷控制

　　(3)薄膜設(shè)備

　　薄膜類設(shè)備包括吹膜、流延膜，它們的材料容易變形，尤其是像PE膜這類，對(duì)于張力控制的精度也提出了極高的要求。而這類設(shè)備的速度也會(huì)達(dá)到400m/min，甚至后道分切會(huì)達(dá)到更高的速度，如1000m/min的牽引速度。

圖9　貝加萊系統(tǒng)應(yīng)用于薄膜的收卷控制

　　6　總結(jié)

　　貝加萊開發(fā)的張力控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種卷材加工生產(chǎn)過(guò)程中，具有成熟而又豐富的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，確保了貝加萊在相關(guān)領(lǐng)域機(jī)器的高品質(zhì)方案輸出，可謂收放自如。