张力控制要点

1、中国生活用纸和市场发展前景：生活用纸是与消费者关系密切的日常生活用品之一，凡有人群特别是妇女、儿童、老人的地 方就有潜在的消费市场，属于日不落工业。二十世纪九十年代以来随着经济的发展和人民在思想 文化观念以及消费习惯上的变化，中国生活用纸市场异军突起，市场消费潜力得到了空前的提升， 据统计，1999年中国生活用纸市场消费总量约230万吨。目前生活用纸总的需求量仍在稳定增长， 在生产方面，企业向规模生产、集约化经营方面发展，技术装备向大型快速现代化方向发展，水 平明显提高；在市场方面由于生产能力的增加，供方市场的形成以及经济转向期造成的下岗人员 的增加，致使消费者对价格变动敏感性提高，生活用纸和

2、其他消费品一样进入微利时代，市场竞 争十分激烈。中国是全球人口最多的国家，在以往20年中，中国经济实现世人瞩目的快速增长，近两年即 使受到亚洲金融危机的影响，国内生产总值的增长率仍达到7%以上。随着中国经济的持续增长， 城乡人民收入稳定增加，致使对消费品的需求亦有强劲增长，随着人民生活水平的不断提高，生 活用纸市场在今后十几年内仍将持续繁荣，总量稳步增长并逐渐呈现小康型消费特征。消费层次 出现多样化且向中高档过渡，消费领域不断扩展，市场竞争也更加激烈。由于潜在的市场容量的 存在以及产品的升级换代，今后生活用纸有着非常好的发展前景，关键在于技术创新和降低成本， 开发适合市场的产品，拓展农村市场和

3、海外市场。目前我国生活用纸行业的设备状况及存在的问题：单机生产速度低，设备的柔性度低，自动化程度低，生产线的设备制造水平低,技术装备总体 水平低等方面。主要是台湾产或仿制台湾的大陆产设备，型号较旧、性能较差、单机生产能力低。 1991年后广州保洁纸品公司、邯郸舒尔美集团公司、威海信威卫生材料有限公司、福建恒安集团、 广东维达纸业股份有限公司等分别从日本瑞光、日本纸工机、日本东亚机工、意大利发明家、意 大利CCE、德国W+D、美国PCMC等公司引进数十条高速、高性能的功能纸生产线，大大提升了我 国技术装备的总体水平。在吸收消化国外设备先进技术的基础上，1997年后国产设备制造水平迅速提高，199

4、8年后， 功能纸生产线已基本实现国产化。大部分老设备也经过技术改造实现了第一轮更新换代。本人在这次毕业设计中从事的是功能纸生产系统中对原材料的张力控制，主要表现在利用三 菱FA工厂自动化系统中MR-J2S伺服控制系统及Q173-N运动控制器对自动化生产线原材料中心开 卷进行控制。传动设计-张力控制系统在整个生产线生产过程中起到了致关重要的作用，因生产 线自动化程度很高，所以张力控制系统的存在是对整条生产线利用原材料生产成品的过程中对原 材料的张力控制，保持原材料的拉伸、形状、温度与速度等等，并且与同步控制、自动化控制紧 密相关，存在着相辅相成的作用。在本次毕业设计中所采用的是日本三菱电机公司的

5、PLC控制系 统及伺服控制系统，通过对系统的选型及对控制方案的选择后，针对自己所设计的专题进行了图 文并貌的说明，并编制了 I/O地址表及PLC/SFC功能程序。此次张力系统设计进一步完善了以电 机控制的生产线自动化控制，并对自动化生产线原材料生产起到了极大的辅助作用，为自动化生 产的快速、高效、稳定发展奠定了坚实基础。生产线工艺流程对电气控制系统的要求1生产工艺流程及对电气控制系统的要求功能纸产品技术要求(根据GB-8939-1999标准卫生护垫部分)、产品规格及偏差全长：L=260mm偏差：L10%全宽：L=70 mm偏差：B10%条质量：吸水质偏差计算：上偏差(%)=(最大值一平均值)/

6、平均值X100%下偏差(%)=(平均值一最小值)/平均值X100%(注：平均值一10条样片的平均值)、产品应洁净且均匀一致，防渗层完好，无破损，无硬质块。、产品两端封口应牢固，在吸水倍率实验时不破裂。、产品背胶粘合强度应符合要求，即喷(刮)胶效果良好，产品频繁使用时不位移，离型膜 不应自行脱落，并能自然、完整撕下。生产线有关技术要求、稳定运行车速：P/MinN1200片/分、设备运行精度：生产速度1200片/分时，产品行为公差10%、设备动态性能：快速启动/停车时，产品过度偏差5% 、材料张力控制：在整个速度范围内，材料张力恒定。启/制动过程中无过度张力变化， 并能实现在线张力给定。卷芯驱动放

7、卷装置，以免损伤材料表面。在现实时计算材料卷 径(自动产生接料指令，并完成自动接料过程)、自动检测及自动控制：系统应配有相位自动检测装置并能实现相位自动补偿；无料(断料)检测并实现不停机换料；不良品检测实现自动剔除次品；系统运行故障检测。、人机界面：应具有运行参数自动/手动设定功能、操作指导功能、运行监视及故障点提示 功能等。、生产管理：各种单位时间的产量统计(班产量、日产量等)；成品率或废品率统计；各种消耗统计(包括原材料、辅料、电耗等)；正常运行时间及异常停机时间（停机率）统计;各种报表自动生成。生产线工艺流程说明1、工艺流程说明：（1）形式：左于横出式生产线、超薄型、离型膜快易包装；（2

8、）原料：芯料：采用高分子吸水纸并复合药芯无纺布；渗水层：采用热风无纺布；防水层：采用PE流延膜。2、工艺流程简述：（1） 药芯无纺布由伺服电机恒张力放卷，经自动接料器、浮辊及夹送辊 进行结构胶尖断式喷涂后，送至吸毂切刀，根据工艺长度要求切断；（2）切断后的药芯被负压吸毂“拉档”后（拉档距离由工艺参数决定）与吸水纸复合并送 入芯纸切刀，对芯纸按工艺要求进行成形切断；（3）渗水层无纺由恒张力放卷经接料器、浮辊、结构胶枪（连续）施胶，送入芯纸接料辊 并与芯纸复合后，再送入电热压花辊压花；（4）防水层流延膜，由恒张力放卷，经接料器、浮辊、结构胶枪（连续）施胶后与带有芯 纸并经压花后的无仿布复合，送入电

9、热周封辊进行周边热封，再经负压皮带送入成品 切刀进行成形切断。至此，产品成型全过程结束，以下为快易包装工艺流程。（5）离型包装膜由恒张力放卷，经接料器、浮辊、纠偏装置、低温胶枪（间断）施胶后， 再经导向料轴送入成切后活动式接料皮带，与成品护垫复合，送入包装机。（6）经包装机折叠后，再经压送皮带压实送入电热端封辊进行端部热封，再经负压皮带送 入端切辊切断。至此，产品单个包装过程结束。（7）一个包装成品经端切辊后皮带送入整列排队机构，由人工进行中包装、大包装；或自 动化装置实现自动中包装、大包装，最后入库。控制方案的比较和选择（系统选型及系统配置）1控制方案比较张力控制根据用途有各种方式，这里就下

10、面4中方式说明其概要及系统设计要求。（1）采用转矩电流控制的张力控制。（2）采用拉延的张力控制。（3）采用调节辊的张力控制。（4）采用张力检出器的张力控制。虽然根据控制方式有些不同，但张力控制多以转矩控制为基础，而其他控制对象多以速度控 制为基础。另外，不管哪一种控制方式，下面所述的都是以滚筒与加工物之间不产生滑动为前提 条件。2几种张力控制方式（1）采用转矩电流控制的张力控制：控制方式：图2-1所示的系统，用滚筒1移动加工物，给滚筒2施加与旋转方向相反的转矩，使两组 滚筒间的加工物具有张力。张力与传动滚筒2电机的再生制动转矩的大小成比例。因此，逆变 器1可以采用频率或速度控制方式的一般类型，

11、因而逆变器2必须使用具有转矩控制能力的矢 量控制方式。转矩电流控制方式采用直流机时，作为电枢电流张力控制最为简单，广泛被应用， 但采用逆变器传动的鼠笼机时，必须使用专用逆变器，所以应当与其它方式比较得失后再采用。设计要点：本方式当加工物断裂时滚筒2将反向恒转矩加速，有超速的危险，所以必须使用有速度限 制功能的逆变器。另外，为了滚筒间引入加工物的准备工作和维修作业等，逆变器2也设有通 常的速度控制功能，按需要可以考虑切换运转。图2.1根据转矩电流分量的张力控制Fig.2.1 According torque current weight tension control（2）采用拉延的张力控制:A

12、.控制方式：两组滚筒的速度差的比称为拉延。即，图2-2中拉延可用下式表出。S图2.2拉延产生的张力Fig. 2.2 Bringing service generated tensionD= （V1-V2） /V2式中，D：拉延V1、V2：各滚筒的加工物传送速度有拉延的两组滚筒间的加工物产生如下式的张力。T=E*S* （V1-V2） /V2=E*S*D式中，T：张力（kg）：加工物的弹性系数（kg/mm2） ，：加工物的截面积（mm 2）可见，张力与拉延成比例，但是对于弹性系数大的加工物，很小的拉延变化，周围温度、水分含量的变化，以及厚度不均和产生滑动等将引起张力很大变动，所以不太实用。对于像轮

13、胎那 样弹性系效J、的材料，同时要求一定张力和一定延伸率时控制比较容易实现。图2-3示出拉延控制的实例。图2.3采用拉延的张力控制Fig. 2.3 Using drag Spur tension controlB.设计要点：为了提高张力精度，就需要提高技延精度，也就是两台电机的转速精度。根据材料的种类，通常应该使用具有速度反馈控制的逆变器。还有，当滚筒2的机械系统损耗低、 滚筒2上侧加工物的张力非常小时，滚筒2也可能要 求负负载，所以根据需要逆变器2应具有制动功能。（3）采用调节熟的张力控制：A.控制方式：所谓调节辊就是如图2-4所示的装置，利用弹簧或气压、重锤在一定方向上施加一定大小的 力，

14、不管其位置是否变动始终使加工物保持定的张力。使用调节辊时，张力与逆变器的控制没 有直接关系，其大小为图中力F的一半。但是调节辊所具有的张力控制功能只限于在其害许行程 以内。在调节辊张力控制方式中，逆变器传动电机的作用就是使调节辊在容许行程以内。图2-5示出调节辊张力控制的实例。同步信号机装在调节辊上，将距离动作中心位置朝位移 量变换为电信号取出，作为补偿信号加到逆变器1的频率指令上。此信号的极性当调节辊向上偏 时使滚筒1的速度下降，向下编时使速度上升。这样，调节辊被控制成经常保持在行程的中心位 置。这种张力控制方式具有过渡误差可以在机械侧被吸收的优点，所以用简单的V / F控制通用逆 变器就可

15、以构成系统。图2.4调节辊图2.5采用调节辊的张力控制Fig. 2.4 RollerFig. 2.5 Used to regulate roller tension controlB.设计要点：本张力控制方式充分发挥在机械侧能吸收过渡误差的优点，不加复杂控制就可以在短时间的 同步加减速或加工物的自动连接等用途中使用。但是根据所吸收误差的大小，调节辊的行程也需 要增大。另一方面，与其他张力控制方式比较，张力的给定和变更不能用电气方法进行，必须依赖弹 簧压或气压等机械部分的调整。（4）采用张力检出器的张力控制：A.控制方式：对于要求张力精度或者调节辊失调对产品质量影响很大的场合，可采用藉助于张力检

16、出器的 反馈控制。检出器有差动变压器式和沙力传感器式等种类。本方式基本上以前述利用转矩电流的 张力控制为基础，加上利用检出器的反馈补偿回路构成。图2-6为造纸厂的最后工序，示出卷取机和卷放机，它们把卷在卷筒上的纸再次以定张力高 质量地卷下来。卷取机的传动电机以恒速运转，卷取纸张。卷放机的电机则以再生制动状态运转， 产生张力。卷取机与图2-1的滚筒1相同，与张力控制无直接关系，所以这里以卷放机为主体进 行说明。卷放机的逆变器采用矢量控制方式，可以再生运转。利用转换开关可以选择张力控制和 速度控制中的一种。速度控制仅在最初穿通纸张时使用，平常使用张力控制。速度控制器SC被输 入与实际旋转方向相反的

17、微速指令，因此SC的输入总是以偏差的形式给定，其输出与指令最大再 生转矩的方向相反。利用张力给定信号调节SC的输出限制器，可以使实际的转矩指令值i；增减。 在定常状态下，在转矩控制器TC比较张力给定值和张力反馈值，然后修正限制器的值以使两者相 等。采用这样的构成，即使万发生纸张断裂，卷放机的转速也不会超过反转的微速，可以防止 超速运转。图2.6采用张力检出器的张力控制Fig. 2.6 Tension control devices used tension departure clearanceB.设计要点：例子中所举出的系统有很大的惯性，所以卷取机加速减速时，卷放机由于本身的惯性力矩将 产生

18、大的张力变化，即使不采取措施最终由于张力反馈也恢复到正常张力，但大的过渡张力变化 在产品质量上是不允许的。为了防止这种变动，加速时按惯性力矩产生转矩的大小减小电机产生 的转矩，减速时则增大，进行前馈式的补偿转矩，以减轻TC应该负担的补偿转矩的任务。这个惯 性力矩分量的补偿叫做惯性补偿。这种补偿与是否使用张力检出器武官，当惯性力矩经常变化， 而且加减速度大时是必须的。生产线张力控制系统方案选择及系统配置方案选择本方案是根据功能纸产品技术要求及生产线技术要求并充分考虑了价格/性能比的因素做出 的。本方案由传动及基础自动化部分，过程自动化及界面系统、监控及管理部分组成。现分述如 下：（1）中心开卷传

19、动及控制方案：为实现生产线稳定高速运行，保证产品质量，要求各原材料能进行卷芯驱动恒张力放卷，就 张力控制本身而言，有多种方案可供选择。例如，转矩电流控制；调节辊张力控制；张力检出器 张力控制等。虽然各种方式有些不同，但多以转矩控制为基础，对本系统来说，各种原材料大都 质地较软且弹性变形较大（尤其是打孔膜和流延膜）。这样就对张力控制精度提出了更高的要求， 经过多种方案比较后，最后初步选定用交流同步伺服电机进行卷芯驱动恒张力放卷控制方案。另 外，根据伺服控制器的工作原理知，其电流检测及计算的精度和分辨率是相当高的，且实时性很 好。例如，美国科尔摩根公司的CD系列伺服控制器，其转矩/电流环的电流反馈

20、值为一个字的分 辨率。（即：有符号位时为+1/32768-1/32767，无符号位时为1/65536）而其采样周期只为20us 左右，为充分利用这一资源，我们采用“转矩/电流控制方式”进行张力控制，另外，由于卷芯驱 动需要实时进行卷径计算，需要卷径测量信号，而满足要求的测径传感器是相当昂贵的（大约需 要1万元RMB左右）并且还要配置相应的转换接口。这样不仅增加了系统成本而且也增加了系统 外部线路的复杂性。为此我们提出调节辊张力控制。即仍利用控制器的电流检测资源，通过对加 速电流的检测确定材料的GD 2，通过计算估计出材料的料径D。当然这只是初步设想，能否实现 还需要通过实验来验证。最后需说明的

21、是：因为每种原材料为两盘。其中一盘运行，而另一盘则 处于等待状态，为降低系统成本，我们采用两盘料共用一台伺服电机驱动的方案，用电磁离合器 进行切换。为实现上述方案，系统应按以下步骤进行张力控制：达到最小料径时，分离离合器（1），M制动到n=0，合上离合器（2）；刷新初始料径D并算出初始转矩给定值；发自动接料制令；接料成功后，按初始料径、转矩值进行恒张力放卷驱动；实时计算盘径，按适当周期刷新转速给定值，以维持张力F恒定。（2）人机界面：生产线运行参数设定，操作人员可根据产品规格，工艺要求及材料特性，对希望的运行参数。 如：传动比、最大车速、升/降速时间、材料张力及施胶量等进行自动或手动设定；操作

22、指导：系统应能根据操作规程及工艺要求，以交互方式指导操作人员进行正确的操作，当 误操作发生时，系统应能做出判断，警示操作人员并给出相应提示信息；运行监视：系统在线实时监视生产线各种运行状态及运行参数，并能以各种形式进行显示，如 表计、棒图、趋势图、指示灯等，当故障发生时，除 声光报警外，还应显示并记录故障，减天津理工大学2006届毕业设计（论文） 少停机率。（3）上位监控管理：为协助生产管理人员动态掌握生产状况，系统应具有上位管理功能。该系统可将在过程控制 级采集并存贮的有关生产数据，通过RS232/485串口（或网卡）送入上位计算机，经处理后进行 显示或打印，该系统可实现：各种单位时间的产量

23、统计（班产、日产、月产等）；废品率统计； 各种消耗统计（包括各种原材料、辅料、电耗等）；异常停机时间统计；各种报表自动生成等 2.3.2系统配置根据上述，初步确定将整个系统分为三级进行配置，即传动控制级； 自动化控制级；上位管理级。现分述如下：（1）传动控制级配置：根据工艺要求，整个生产线共有5种原材料需张力控制。我们选用日本三菱公司的伺服产品， 包括HC-SFS系列伺服电机5台；系MR-J2S系列全数字伺服控制器5套；Q173多轴运动控制器一 台。以上所有伺服电机及控制器按SSCNET标准通过通讯电缆与Q173多轴运动控制器相连，利用 Q173的多轴控制功能，精确的协调生产线各环节速度，相位

24、及材料张力。Q173本身含有CPU，有 二种运行方式，脱机运行或与PLC 一起组成双CPU系统。我们选择后者，因为为实现工艺要求， 除完成运动控制任务外，还需实现自动化，人机界面及上位通讯等要求。因此，选择这样的系统 配置，不仅能满足上述要求，还会使系统更具弹性且功能强大。（2）自动化控制级配置：为实现生产过程中自动换卷、自动接料等功能，我们选择三菱公司MELSEC-Q系列PLC。CPU单元采用Q02H并与Q173 一起构成多CPU系统。本系统对开关控制量的速度要求不高，选用 普通I/O单元既可满足工艺要求。但由于指令单元和执行机构均分散安装在生产线各个工艺环节， 为节省缆线并便于系统扩充，我

25、们采用了基于CC-Link现场总线结构的分散型I/O系统。其中选 择QJ61BT11作为主站，远程I/O单元选用QJ61BT11-32DT等。（3）生产管理级配置：当用户需要系统具有上位管理功能时，可配置该系统，该系统所需硬件及软件环境为：586 计算机一台，网卡一块（或利用586串口），打印机一台；Windows95/98/NT操作系统;VB6.0/VC/VC+ 编程软件。上位计算机通过网卡或串口与IPC相连，利用VB（或VC）API函数,获取有关数据并进行相应处 理后生成显示或打印文件。恒张力放卷卷心驱动传动控制特点如图(3-1 )所示的两个传动单元，M 1为一个稳速系统，M2为典型开卷系

26、统.即七 是 而为=nD七，即随卷径D的加大而线性上升.两个单元之间的张力F为:F =彳(v - v )dt(1)图4.1卷绕系统Fig. 4.1 Winding system式中：F-卷纸承受的张力；S-卷纸的截面积；L-传动点M、N之间的距离；Y-卷纸弹性模量；VI、V2-两个传动点M、N处的线速度；如果对M2单元采用稳速系统来拖动，则卷纸的张力F、线速度v随卷径D的变化，如图(4-2) 所示.由式(1)可见，欲使力恒定，必须保持线速度恒定.根据v = HDn，要使v恒，必须使电动机转速n次L ,即n次.可见这类放卷机的负载特性应如图(4-3)所示.称为恒功率负载DM特性，也称卷绕特性.图

27、4.2卷绕系统几个参量的关系Fig. 4.2 Winding system of the relations of several Senate图4.3卷绕特性Fig. 4.3 Winding characteristics式(1)表明，恒张力控制实质上是电动机的转速控制.由于张力控制是由线速度波动引起的，所以 张力恒定即线速度恒定.而欲使线速度恒定，就需卷绕功率恒定.所以恒张力控制、恒线速度控制、 恒功率控制，三者在本质上是相同的。张力控制算法张力扰动补偿控制系统的类型很多，分述如下：从张力形成的角度看，两个单元之间的卷纸张力为：F = KjT (v - v )dt所以只要保持卷纸的线速度或

28、两个传动单元之间的线速度差恒定，就可以保持张力恒定。从驱动电机的电磁转矩与卷绕机构的负载力矩相平衡的角度看：电动机电磁转矩：Md = C七；FD卷绕机构负载力矩Mj近似等于张力力矩Mf = FDD。这里忽略了动态转矩和机械损耗力矩。根据M/ Mf得到张力表达式：F = K岑d ；式中K = 2 jC由此可按下述两种方式设计恒张力系统：a.控制。恒定,并保持D =恒值；b.保持中恒定，并控制-L =恒定。Ud从传动功率的角度看：电动机电磁功率P = EId= C七；卷绕机构的卷绕功率为P = Fv。根据驱动功率与负载功率相匹配的原则，只要保持电动机驱动功率恒定，就可近似保持卷绕 张力F和线速度v

29、恒定。实际由于直流电动机传动系统中可控制的量比较多，所以还可以设计成其他各种系统。例如，卷纸线速度： v nDn = nD- KD (K )C C只要保持控制反电势E恒定，并保持D 常量，就可使线速度恒定。又如，卷纸的张力是由两个 中传动单元之间速度差Av形成的，或者说张力与卷纸的伸长率成正比，那么可以设置速差调节器或 控制卷纸的伸长率，以保持张力的恒定。以上恒张力控制的各种方案可以单独使用，也可将两种或多种方案综合用在一个系统中，以 便得到更好的控制效果。伺服电机容量选择负载转矩计算：20Kg ；已知：最大料经：800mm ；最小料经：80mm ；最大料重:1总传动比：n=；王机最高线速度：V=120m/min3D 王机=160mm