卷绕系统范文

卷绕系统范文（精选7篇）

卷绕系统 第1篇

9300 伺服变频器是德国Lenze公司一种高性能变频器,它具有强大的逻辑运算和控制功能。变频器内部有数十个特定的功能块,用户可以通过Lenze“Global Drive Control(GDC)”软件,对伺服变频器进行读写操作和参数设定,灵活地自由编程,完成所需功能。也可以通过选择代码C0005激活相应的基本配置,实现速度控制、转矩控制、步进控制、往复控制以及数字频率级联从动等标准控制功能。9300系列伺服变频器有丰富的用户接口,通讯方便,配合交流伺服电机、减速器构成的交流伺服驱动系统,反应速度快、精度高、动态响应好,可实现精确定位、角度和速度同步(随动跟踪)、收放卷控制等复杂的伺服控制任务,广泛应用于造纸、纺织机械、数控机床等行业。

1 系统构成及控制原理

1.1 系统构成及技术指标

卷绕系统由卷绕辊驱动装置、卷绕辊翻转装置、牵引辊驱动装置、浮动辊调节装置以及张力检测和控制系统等部分构成。卷绕辊驱动装置采用框架式双卷轴结构中心卷绕方式,机械立轴式传动,机械减速比i=12.711,电机参数:AC-Motor DFRARS 160-12 P=11.0KW N=1460min-1 U=400V MN=71.9Nm I=21.0 A。卷绕辊有两种标准规格的气胀轴Ф76mm和Ф152mm可供用户选择,对应纸管外径分别为Ф86mm和Ф180mm。翻转装置为立轴式传动方式,能够完成两卷轴的翻转动作,电机参数:3-Mot TYPE CM 90L/4DABR 400V 2.2KW 5.5A N=1390min-1。牵引辊采用两个为直径Ф350mm,表面粗糙的砂纸辊构成S型环路,可以满足不同产品牵引和缠绕,减速机减速比i=12.571,电机参数:AC-Motor DFRARS 132-22 P=7.5KW N=1450min-1 U=400V MN=49.4Nm I=14.6A。牵引辊电机和卷绕辊电机均采用LENZE EVS9326-ES标准型伺服控制器控制,翻转电机采用LENZE 8215变频器。浮动辊为一根直径Φ200的铝制轻型辊筒,采用非接触式电位器控制,动臂具有可调节配重,控制精度高,运转灵活,调整方便,能够实现卷材前后两部分线速度的随动跟踪,保证卷材线速度的基本一致。

卷绕系统的技术指标:卷材线速:12-120m/min;材料克重:30-150g/m2;张力:0-3000N;锥度系数:0-100%;气胀卷轴规格:Ф76和Ф152,卷材最大卷径1200mm。

1.2 控制原理

卷绕控制系统由牵引辊伺服变频器FC1、卷绕辊1、2伺服变频器FC2、FC3、卷绕辊翻转变频器、PLC、触摸屏及检测传感器等组成。图1为玻纤纸产品卷绕控制系统原理图(卷绕辊伺服变频器FC3与翻转变频器图中未画出)。图中FC0为生产线机组的主令单元,其线速度为机器运行的基准速度即车速,牵引辊和卷绕辊速度按数字频率总线从动配置将控制器接入驱动网中,数字频率给定值由输入口X9读入,不加修改地送入从机,也就说FC1的输入口X9从FC0的输出口X10读入数据,FC2的输入口X9从FC1的输出口X10读入数据,FC3的输入口X9从FC2的输出口X10读入数据。牵引辊对卷材施加牵引力,采用线速度+浮动辊速度的速度闭环控制模式,由伺服变频器内部过程控制器PID完成调节作用,使浮动辊只在一个很微小的范围内上下摆动,实现卷取部分与机组基准速度的一致。卷绕辊伺服变频器FC2、FC3工作于转矩控制模式,具有内部卷径计算功能,通过通信模块2133IB和Profibus-DP总线,变频器与PLC之间进行张力给定值、初始直径、计算直径等信息交换。依靠张力给定与张力反馈之间的偏差进行张力闭环控制,实现锥度张力卷绕。翻转变频器用于驱动翻转辊电机完成卷绕辊翻转功能,实现卷绕辊1、2交替工作,连续卷绕。PLC作为主控机,除协调控制任务外,还要实现计算张力等各种控制算法,配合变频器提高系统的控制质量。触摸屏为操作员面板,具有图文显示功能,能显示各种参数、故障、运行状态,并能进行参数设定、修改以及控制操作。

2 卷绕辊的速度控制与转矩控制

卷绕辊工作分爬行和运行两个阶段,爬行阶段用于卷材穿引过程,此时机器速度小于25m/min,张力辊实际张力值Fact <100 N,卷绕辊变频器为速度控制模式。当卷材穿引结束,待卷绕辊与牵引辊之间的卷材被绷紧后,张力闭环投入运行,卷绕辊变频器自动切换于转矩控制模式。转矩控制模式下,输出转矩M(t)为定值,由公式M(t)=F(t)r(t)可知,随着卷筒半径r(t)的增大,卷材张力F(t)必须相应减小,即卷绕张力F(t)与卷径r(t)之间满足产品工艺要求的锥度张力卷绕控制。生产过程中要求卷绕辊线速度基本恒定且略大于牵引辊线速度。

速度控制模式与转矩控制模式切换由卷绕辊变频器内部电机控制功能块MCTRL的输入端MCTRL-N/M-SWT信号决定。图2为卷绕辊转矩控制模式信号流程图,当N/M-SWT=0时速度控制激活;当N/M-SWT=1时转矩控制激活。卷绕过程中N/M-SWT信号总为1,卷绕辊工作于转矩控制模式,速度控制模式只用于爬行状态。

图2中ASW1为模拟信号选择开关,用于选择起始直径和计算直径,当数字输入端子X5/E2=0时,采用保持S&H输入端读取实际直径;当X5/E2=1时,读取起始直径。伺服电机转速反馈信号取自旋转变压器re,1转=65536 inch(脉冲),这里每半圈(32767inch)信号采样一次,其输出直径信号D经过一阶积分和限幅环节处理后,得到比较稳定的信号,该信号送至运算器ARIT1输入端IN1。张力给定值Fset与张力反馈信号Fact经过过程控制器PCTRL1的PID调节作用,其结果送至运算器ARIT1输入端IN2,当张力反馈值Fact >100 N时,启动过程控制器;当数字输入端X5/E3=1过程控制器PCTRL1钝化,张力闭环控制失败。

在运算器ARIT1中,IN1*IN2乘积的结果为卷绕辊电机主转矩,并送至ADD1的IN1端,ADD1的输入端IN2为阻转矩摩擦补偿,用于克服轴承、风扇等摩擦力矩、机械惯量等变化;ADD1输入端IN3用于补偿切割时夹辊对卷绕辊所产生的阻力,切割瞬间增加转矩-100%,目的是为了保证切割瞬间卷绕辊加速,避免卷材松弛。卷绕辊电机折算到卷筒上的总转矩为IN1+IN2-IN3,该值作为卷绕辊电机控制功能块MCTRL的转矩给定,完成卷绕电机转矩控制模式,达到通过对总转矩的控制进而实现张力控制的目的。

3 卷绕张力控制分析

依据玻纤纸产品生产工艺和材料对张力控制的要求,系统采用了锥度张力卷绕控制,卷绕辊工作于转矩控制模式。在卷绕过程转矩保持不变,随着卷筒直径的逐渐增大,卷绕辊角速度相应降低,卷材张力减小,达到内紧外松的卷绕效果,满足产品卷绕要求。图3为张力控制系统原理图。

根据玻纤纸工艺要求PLC控制运算如下:

$F=F{}_{set}[hw+(1-hw)\frac{d{}_{\min }}{d}]$

其中:F:张力给定值(N);

Fset:张力设定值;

hw:锥度系数;

dmin:卷绕辊起始直径(mm);

d:计算卷径(实际卷径)(mm)

通过伺服变频器内部卷径计算、PLC控制运算以及张力闭环控制,实现玻纤纸产品理想的卷取张力变化曲线,达到了卷绕张力和线速度的稳定控制。

3.1 卷绕辊伺服变频器内部卷径计算

卷绕辊伺服变频器转矩控制模式的实现是建立在卷径已知的基础上,卷径是计算张力给定值的一个必不可少的变量,是张力的函数,PLC通过算法控制使卷绕辊角速度自动地适应卷绕半径的变化,保持卷绕线速度的恒定。图4为9300伺服变频器内部卷径计算信号流程,机器基准线速度由伺服控制器FC0数字频率输出端口X10数频耦合送到卷轴变频器FC1数字频率输入端口X9,该信号经过相位积分器1的积分作用和相位除法器的换算后得到线位移,此值作为相位运算器的输入信号从x端输入。安装在变频电机轴上的旋转变压器re作为角度信号的产生和检测元件,用于检测电机的角速度ω,该信号经过相位积分器2的积分作用得到角位移,此值作为相位运算器的输入信号从y端输入,在相位运算器中,C1010=14内部运算为x/y,运算结果为类直径,类直径经相位变换后变相位信号为模拟量信号输出,模拟量信号乘直径系数$k=\frac{C0940}{C0941}$即为实际卷绕直径d。

设v(m/min)为机器线速度,卷绕轴工作线速度为机器线速度+张力闭环作用所产生的速度变化Δv,由于张力闭环引起的速度变化Δv相对应机器线速度要小很多,可以忽略不计,所以可以认为卷绕轴线速度也为v(m/min)。

设ω(rad/s)为卷绕辊的角速度,通过安装在卷绕辊变频电机轴上的旋转变压器获取。卷材瞬时卷径为r(t)。则卷材卷径计算公式如下:

$r(t)=k\frac{v(t)}{\omega (t)}=k\frac{{\displaystyle \int v}\text{d}t}{{\displaystyle \int \omega }\text{d}t}$

其中k :直径系数 ,$k=\frac{C0940}{C0941}=\frac{\text{测}\text{量}\text{卷}\text{径}}{\text{计}\text{算}\text{卷}\text{径}}$。

3.2 张力反馈信号的检测

本系统采用EL公司的PD22测压元件作为张力检测元件,检测的实际张力信号经放大器CV0203放大后,送入卷绕辊伺服变频器和PLC的模拟输入端AI中用于张力过程闭环控制和触摸屏TP显示。

实际张力信号大小符合等式

$U{}_S=\frac{F{}_{{\rm N}}}{F{}_R}10V$

US信号输出电压(V)

FN实际测量压力(N)

FR卷材最大张力(N)

卷绕装置的最大张力(N)Fmax 为3000 N,对应于放大器CV0203输出电压10 V,如果输出电压不到10 V,须调整放大器的测量范围。

4 实际应用

产品的卷绕质量由卷筒的形态和密实度来衡量,不同的产品可通过操作员面板TP调整卷绕张力设定值Fset和卷绕锥度系数hw(1)达到满意的卷绕效果。生产中产品幅宽(mm)和强力(N/mm)是设定卷绕张力的依据,通常换卷开始在不致于使卷材断裂的前提下,张力设定值尽可能调高点,以保证卷芯密实,卷绕锥度系数可在测试调整中探寻。如果卷绕张力数值设定太高,换卷中卷材会被拉断;如果卷绕张力设定太小,卷筒就会松弛,成品直径加大,增加运输费用。同样卷绕锥度系数设置过高,随着卷筒直径的增大,会造成卷筒芯部卷材被挤压左右移出,造成端面不齐;锥度系数设置过小,张力下降过快,造成卷筒松弛。总之,要达到好的卷绕质量,必须根据卷材卷绕工艺要求设定合适的卷绕张力和锥度系数,保证卷绕张力随着卷筒直径的增大而平稳递减。图5为玻纤纸产品EMP-75-1265的张力-直径曲线图。

图中张力设定值Fset=Fmax80%=3000 N80%=2400 N,锥度系数hw=20%,卷绕辊起始卷径dmin=86 mm,产品匹长2000 m,成品实测卷径为1086 mm。曲线A为理论计算的张力衰减曲线,曲线B为实际张力衰减曲线。卷绕结果表明产品卷绕张力衰减平稳,卷筒密实,端面偏移量±2 mm。

5 结束语

卷绕控制系统中,卷绕辊伺服变频器带内部卷径计算的转矩控制模式,较好的实现了卷绕张力随卷筒直径变化的平稳递减,达到了产品卷绕“内紧外松”的工艺要求。实践证明,该系统满足玻纤纸产品卷绕工艺要求,功能完备、运行可靠,具有良好的动态性能。通过参数调整,不同的产品的卷绕均可达到卷筒边缘平齐、密实的良好卷绕效果。

注:(1)卷绕锥度系数:指卷筒达到最大卷径1200 mm时的张力保留值。

摘要：介绍了一种基于Lenze9300伺服变频器卷绕控制系统的实现方案。给出了卷绕控制系统的组成和工作原理以及Lenze9300伺服变频器数频网络原理,分析了牵引辊速度闭环控制和卷绕系统的实际应用。根据卷绕辊转矩控制模式信号流程图详尽地阐述了卷绕辊转速度控制模式和矩控制模式的实现。重点分析玻纤纸产品卷绕系统锥度张力控制的实现策略,伺服变频器的内部卷径的计算方法以及张力反馈信号的检测。实践证明:该系统运行可靠,产品卷绕效果好。

关键词：伺服变频器,速度控制,转矩控制,锥度张力控制,数字频率总线从动

参考文献

[1]张燕宾.SPWM变频调速技术[M].3版.北京:机械工业出版社,2005.7:120-123.

线缆卷绕机的PLC控制系统设计 第2篇

在工业生产过程中,线缆卷绕机是重要的生产设备之一。它按照要求将线缆卷绕成不同规格的线盘。它要求卷绕紧密、美观,避免发生叠线,塌边等现象[1]。本文设计的PLC控制系统,使用了变频器和伺服驱动器,运行平稳,控制精度高,并采用闭环张力控制使线缆拉力维持恒定。可以满足不同型号电缆的卷绕要求。

1 线缆卷绕机系统组成

线缆卷绕机由放线机构、绕线机构和排线机构三部分所组成。在绕线过程中只要保持绕线电动机和排线电动机保持恒定的转速比就可以实现等螺距卷绕[2]。其中绕线排线机构如图1所示。

1) 放线机构包括放线轴和速度测定轴。放线轴由变频器驱动的电动机带动以给定的线速度进行放线,旋转编码器安装在速度测定轴上,将反馈脉冲输入到PLC高速脉冲输入端,作为速度反馈以实现恒定的放线速度。

2) 在绕线机构中,绕线轴由变频器驱动的电动机带动旋转完成绕线工作,并采用张力传感器进行反馈,实现对张力的闭环控制。

3) 在排线机构中,排线轴由伺服驱动器驱动伺服电动机带动作为从轴,在卷绕过程中跟随绕线主轴速度旋转,带动精密直线螺杆旋转,通过控制伺服电动机的正反转使螺杆上的排线螺叉做正反向往复运动实现排线动作。

2 PLC控制系统设计a) 卷绕机的控制要求

1) 运行方式。卷绕机具有手动/自动两种工作方式。在自动工作方式下,系统按照预先设定的参数进行线缆卷绕工作;在手动工作方式下,可以分别控制各轴完成放线,排线和绕线工作,主要在设备调试和检修阶段使用[3]。

2) 协调一致。在自动方式下,排线轴速度和绕线轴速度要按照要求进行协调同步控制,绕线轴速度与放线轴速度应进行配合以实现卷绕过程中的张力恒定。

3) 实时显示。线缆参数,放线速度,卷绕圈数,故障报警等信息都要在触摸屏上显示。

4) 数据保存。为防止断电等意外情况下卷绕失败,当前工作参数等要实时保存,这样断电再次通电时能继续未完成的任务。

5) 紧急停止。当出现紧急情况时,按下急停按钮所有机构全部停止运行。

b) 控制系统设计

线缆卷绕机的PLC控制系统如图2所示。

PLC采用欧姆龙40点的CP1H-XA机型,它是欧姆龙凝聚了多功能的一体化紧凑型PLC,内置模拟量4路输入2路输出端,4路脉冲输入4路脉冲输出端。PLC接收系统中各种按钮和开关的信号以及来自触摸屏的数据,根据程序和预先设定的参数,控制各继电器动作,同时输出控制量信号给变频器和伺服驱动器,接收旋转编码器的脉冲输入,实现对电动机速度的控制。

变频器采用欧姆龙3G3RV系列,根据PLC数字量输出信号控制放线、绕线电动机的正反转,并将故障报警信号送入PLC输入端;依据PLC模拟量输出0～10V电压信号控制放线、绕线电动机转速,PLC接收旋转编码器脉冲输入,通过CP1H的高速计数功能,简单的实现了速度控制的反馈回路,提高了放线、绕线的精度。

交流伺服控制系统采用欧姆龙OMNUC G系列伺服驱动装置,具有控制方式灵活,运算速度快,定位精度高等优点。伺服驱动器可以接受外部脉冲和模拟量实现速度定位控制,在此处伺服驱动器接收PLC发出的脉冲,并根据脉冲的频率、相序控制伺服电动机的速度、方向,带动排线轴精密直线螺杆旋转,排线螺叉做往复运动而完成排线工作。

触摸屏采用欧姆龙 NT系列,其作用是负责线缆指标、放线速度和张力等参数的设定,并将相关信息显示。通过RS232串口与PLC进行通信实现数据交换,为用户提供了良好的人机交互界面[4]。

此系统中采用了压力式张力传感器测量线缆拉力送入PLC作为反馈,与给定张力比较运算后作为绕线轴电动机的速度给定,绕线轴编码器的反馈脉冲频率作为速度反馈,实现对绕线轴电动机的张力、速度双闭环控制。PLC采集绕线轴电动机的速度脉冲频率,经过运算后得出排线伺服驱动器的速度给定,构成随动速度同步控制系统。

3 程序设计

程序设计有两部分:触摸屏画面和PLC控制程序。

触摸屏的画面有四种:参数设置、实时信息显示、操作按钮和报警信息。参数设置是指对放线速度、线缆直径、卷绕圈数、卷绕层数、张力大小等参数的设置;实时信息显示是对以上参数进行直观的显示,方便操作人员更好的掌握系统的工作情况;操作按钮如同实际按钮可以进行操作;为了更好的了解工作状况和方便排除故障,将变频器、伺服驱动器、张力等报警信息显示在触摸屏上。

自动方式下PLC控制程序流程如图3所示,其程序主要由变频器速度控制、张力控制、伺服位置与速度控制、报警和数据处理等部分组成。下面仅对部分程序加以说明。

1) 放线速度控制

放线轴电动机由变频器驱动,放线速度由触摸屏设置,PLC将其转化为0000H～FFFFH之间的数值作为PID运算的设定值,速度测定值通过PRV指令读取高速计数脉冲频率进行相应运算后获得,作为PID运算的测定值,计算出速度误差,进行PID运算后再转化为模拟量0～10V电压输出给变频器,实现速度闭环控制。

2) 张力控制

在卷绕中,张力的产生是由于放线和绕线的速度差引起线缆形变产生的。设放线速度为v1,绕线速度为v2,张力为f,材料的弹性系数为KT,根据胡克定律,有:

f=KT∫${}_0^t$(v2-v1)dτ

通过上式可以看出,对张力的控制可以间接通过控制电动机速度来实现。在此系统中,放线速度保持恒定,故只要调节绕线速度就可以实现对张力的控制,当张力过小时,增加绕线速度,当张力过大时,减小绕线速度,这样便可以使线缆拉力维持在稳定的范围内。为了实现张力保持不变,引入压力式张力传感器将张力量转变为电信号,反馈给PLC后进行PID运算,计算结果作为绕线变频器速度的给定量,控制绕线电动机的转速,实现对张力的控制。

3) 排线速度控制与换向

排线由伺服电动机带动实现。为实现等螺距卷绕,只要保证绕线轴转速和横向排线运动速度比值保持恒定即可。即实现在绕线轴每旋转一周的同时,排线螺叉移动一个线缆直径的距离。PLC向排线轴伺服驱动器发送的脉冲频率决定了往复排线速度,其脉冲频率计算公式为

$F=\frac{F{}_{\text{s}}}{F{}_{\text{r}}}RF{}_{\text{f}}‚$

式中,F为脉冲频率,R为线缆直径(即绕线轴每旋转一周排线滑叉移动的距离),Fs为排线螺叉横向移动单位距离需要向伺服驱动器发出的脉冲数,Fr为绕线轴旋转一周的反馈脉冲数,Ff为绕线轴电动机反馈脉冲频率。在程序中使用脉冲输出连续模式输出给定频率的脉冲串,实现速度跟随同步控制。

PLC接收绕线轴旋转编码器的脉冲并进行高速计数,当到达指定的脉冲数P(P=mPs,m为每层卷绕圈数,Ps为绕线轴旋转一圈脉冲数),即绕线完成单层绕线时,产生高速计数中断,在中断处理程序中改变输出给伺服驱动器的脉冲输出方向,实现伺服电动机换向,并将脉冲计数当前值清零和卷绕层数递增。

为了防止意外出现的断电造成卷绕失败,在循环程序中将伺服进给方向、当前高速脉冲计数当前值、卷绕层数等参数进行保存,这样,在断电重新通电后,就可以根据保存的参数继续运行,而不必再重新校正。

4 结语

以欧姆龙CP1H型PLC为核心设计恒张力线缆卷绕机控制系统,通过设置不同的参数就可以实现不同型号电缆的卷绕工作,是一种实用高效的自动卷绕机。该机运行平稳,卷绕速度快,操作方便,可满足不同用户需求,具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]齐绍文,侯燕,柴君那.FK6卷绕成型机构的研究[J].山西机械,2000,22(3):22-23.

[2]宋春梅,杨建成,李文武.密封毛条恒张力卷绕系统的研制[J].天津工业大学学报,2008,27(2):66-69.

[3]刘伦,徐世许,韩明明,等.PLC在冲网机控制系统中的应用[J].青岛大学学报,2010,25(2):16-19.

卷绕系统 第3篇

在造纸、纺织、冶金等行业,经常将最终制成品做成卷绕形式以便提高卷装容量,如纸卷、布卷、带卷等。卷绕过程中若卷材张力控制不均匀,将会出现断裂、起皱、松边等现象,所以需要对卷材的张力进行控制,以保持卷材张力恒定。本文从恒张力卷绕的控制要求出发,采用PLC、变频器实现了卷绕辊恒线速度、卷材恒张力的控制。

1 控制系统的数学模型

卷材的张力控制方法有两种,即直接法和间接法。两者相比,直接法控制系统简单,而且控制精度较高,间接法不易满足控制要求,因而本论文采用直接张力控制法,即在传动的卷材辊道上安装张力传感器,采用张力传感器来测量卷材的实际张力值,再通过张力调节器控制张力恒定。图1是典型卷绕控制系统的结构框图。

图1中,箭头所指方向是卷材的运动方向,牵引辊、卷绕辊分别由变频器控制的交流电动机M1、M2传动。设卷绕辊的瞬时速度为v2(t),瞬时转速为n2(t),瞬时半径为r2(t),卷材的张力为F(t),牵引辊的瞬时速度为v1(t),则关系式如下:

式中,k为卷材的弹性系数,N为卷材的卷绕层数,h为单层卷材的厚度,r20为卷绕辊的初始卷径。

从上式(1)、(2)可以看出,卷材张力的大小与牵引辊、卷绕辊的速度差有关,即控制好牵引辊、卷绕辊的速度差就能控制卷绕的张力。本文对卷绕辊采用恒线速度控制,所以只需要控制好牵引辊的线速度就能实现卷绕系统恒张力控制的目标。

在卷绕过程中,卷绕半径是一个动态的变化过程,由式(3)可以看出卷绕辊的线速度随着卷绕半径在不断地变化,因此若要保持卷绕辊的线速度恒定,必须根据卷绕半径不断地调整卷绕辊的转速。从式(4)可以看出,卷绕半径由卷材的卷绕层数决定,因而可采用高速计数模块与分辨率为1024的编码器相连,记录编码器信号,进而计算出卷材的卷绕层数。设高速计数模块的瞬时计数值为Cn1,关系式如下:

依据t时间内高速计数模块的计数值之差可以近似算出卷绕辊的实际瞬时转速,设卷绕辊的实际瞬时转速为,关系式如下:

式中,Cn为计数值Cn1之前t时间的瞬时计数值。

2 控制系统的实现方案

我们选用西门子公司300系列PLC作为控制器、TP177B触摸屏作为操作界面,CPU为带集成DP口的313C-2DP。同时,选用与S7-300可编程控制器匹配的高速计数模块FM350-1对编码器的高频信号计数、西门子通用变频器MM440对交流电动机调速。变频器与S7-300之间选用Profibus-DP通讯方式。

由控制系统的数学模型可知:卷绕过程的控制可分为两个部分,一个是卷绕辊的恒线速度控制,另一个是卷材的恒张力控制。

2.1 卷绕辊的恒线速度控制

卷绕辊的恒线速度控制过程示意图由图2所示。使用Step7软件编程时,设置循环中断组织块OB35的循环中断时间值等于图2中的t,并在该组织块中读取高速计数模块FM350-1的计数值,通过程序即可计算出瞬时的实际转速及卷绕层数N。在触摸屏中输入卷绕辊的初始卷径r20、单层卷材厚度h以及给定的恒线速度值v2(t),通过串行通讯接口传送至S7-300的数据块中,经过S7-300的编程组态软件Step7计算出卷绕辊的瞬时理论转速n2(t),再转换成变频器的控制字传送给卷绕变频器,由变频器每隔t时间对卷绕电机进行一次调速,实现对卷绕辊的恒线速度控制。

2.2 卷材的恒张力控制

卷材的恒张力控制过程示意图如图3所示。图中的虚线部分由PLC实现,PID控制器采用的是PLC内部的PID控制器。卷绕过程中,空卷与满卷的转动惯量变化比较大,因此需要采用可变PID参数。在自动卷绕时,可通过PLC的比较跳转指令来实现PID参数值的转换;在手动卷绕时,可通过触摸屏在不同时刻的实际情况输入不同的PID参数值。

张力传感器所测的信号经过自身处理器滤波、放大、转换等处理后传送至PLC的模拟量输入端,即为图中的张力反馈值。张力反馈值与触摸屏输入的张力给定值运算后,得到一个张力偏差量。张力偏差量经过PID控制器处理后获得一个控制量,Step7程序将该控制量转换成变频器控制字后通过DP总线传送给牵引变频器,牵引变频器对牵引电机进行调速,进而实现了卷材的恒张力控制。在Step7程序中,可以设置当张力反馈值接近张力给定值的90%时再采用PID控制器,这样可以增加系统的响应速度。

在上述的两种控制过程中,由于张力传感器的测量辊是固定的,不能吸收张力的峰值,所以牵引辊、卷绕辊的加减速不可以太快。

3 控制系统的编程组态

S7-300PLC的编程组态软件Step7不是一个单一的应用程序,而是由一系列应用程序构成的软件包。

3.1 硬件组态

硬件组态的界面如图4所示。在Step7管理界面中插入主站“SIMATIC 300站点”,双击主站进入硬件配置界面。首先,在该界面中加入机架,将CPU313C-2DP拖入机架的2号槽中,编辑2号槽中的“DP”创建Profibus总线,并修改2号槽中的I/O起始地址;然后将模拟量输入模块“SM331AI212Bit”、高速计数模块“FM350-1 COUNTER MODULE”分别拖入4、5号槽中,并修改各自数据发送和接收区的起始地址;最后,在Profibus总线上配置两个从站“MICROMASTER 4”,分配从站通信数据存储区,修改从站通信数据发送和接收区的起始地址。以上都完成后,下载硬件组态。

3.2 程序结构

为了方便阅读和调试,Step7采用结构化编程方式,将任务分解为若干个小任务块(FC或者FB),小任务块还可以分解成更小的任务块,任务块通过编程指令完成各自的任务,OB1通过调用这些任务块来完成整个任务。任务块之间有一定的相对独立性,同时也存在一定的关联性,它们彼此之间需根据控制系统的要求进行数据交换。恒张力控制系统的程序结构如图5所示。

3.3 PID控制

Step7提供有PID控制软件包,该软件包包括3个功能块:FB41、FB42和FB43。其中FB41“CONT_C”用于连续控制,FB42“CONT_S”用于步进控制,FB43“PULSEGEN”用于脉冲宽度调制。这些功能块是系统固化的标准位置式PID,运算过程中循环扫描、计算所需的全部数据均存储在分配给FB的背景数据块里,可以无限次调用。

卷材的恒张力PID控制器选用FB41功能块。为了以固定时间间隔调用FB41功能块,我们在循环中断组织块OB35中调用该功能块,功能块FB41的参数赋值如图6所示。Step7编程时,通过触摸屏手动输入的参数存放在数据块DB15中,命名为“给定参数”;实际反馈的参数存放在数据块DB2中,命名为“实际参数”。“给定参数”中的变量F、P、I、D分别对应着给定张力值F、给定比例增益P、给定积分时间常数I、给定微分时间常数D,分别传送给FB41的参数SP_INT、GAIN、TI、TD。“实际参数”中的变量F对应着张力传感器反馈的实际张力值,传送给FB41的参数PV_IN。FB41中,参数GAIN、TI、TD并联作用,需通过使能开关P_SEL、I_SEL、D_SEL单独激活,所以选用M100.2给这3个使能开关同时赋值;参数COM_RST用于重启PID,复位PID参数;开关量参数MAN_ON提供手动模式和自动模式的选择;参数CYCLE为采样时间,应该与OB35设定的循环中断时间一致;参数LMN_PER为I/O格式的PID输出值。

4 结束语

本文基于PLC与变频器实现了卷绕辊恒线速度、卷材恒张力系统的控制。该控制系统具有很高的实用价值,已经成功应用于纺织印染设备和造纸设备中。运用结果表明,不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证收卷、放卷过程的平稳性以及卷材张力的恒定。

摘要：本文从恒张力卷绕控制系统的数学模型出发,采用PLC、变频器实现卷绕辊恒线速度、卷材恒张力的控制方案,并依据该方案对控制系统进行了编程组态。该恒张力卷绕控制系统具有较高的实用价值,可用于造纸、纺织、冶金等行业。

关键词：PLC,变频器,恒张力卷绕,恒线速度,PID控制

参考文献

[1]向晓汉.西门子PLC高级应用实例精解[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]张池,杨琳.基于PLC与变频器的造纸机张力控制系统[J].中国造纸,2010,29(9):53-55.

[4]李毅梅.基于PLC的多头并绕恒张力控制系统[J].机电产品开发与创新,2008,21(4):152-153.

剑麻纱剪毛卷绕机技术初探 第4篇

1 背景介绍

剑麻是一项宝贵的亚热带作物资源，也是广西一个区域性的优势经济资源，是广西农垦一个出口创汇的拳头产品。由于剑麻纤维具有拉立强、耐磨、抗腐、无静电效应，可加工成绳索、绳纱、布、地毯、工艺品等多种产品，被广泛应用于矿山、运输、农牧渔业、航海、旅游和家庭及公共方面，随着人们对剑麻特点的认识不断加深和环保意识的提高，市场对剑麻产品的需求日益增大，不仅在国内，而且在整个世界市场对剑麻制品的需求亦供不应求。

但是，由于剑麻产品毛刺多，外观比较粗糙，影响了观赏性和实用性，属于较低档次的产品，严重制约了新产品的开发，影响了剑麻产品结构的调整以及行业效益的进一步提高，制约了剑麻产业的发展，因此，开发一种性能优越的剑麻剪毛机，通过使用剪毛设备，把产品的毛刺除掉，使剑麻产品更加光滑均匀，提升产品的质量档次，增加其使用性，使产品极大地满足市场的需求，使我国的剑麻产品在国际市场上占据更大更多的份额，是剑麻生产的迫切任务。

目前剑麻剪毛设备在国外只有原英国MACKIE公司可生产，但其价格太贵，每台约3.5万美元(折合人民币约30万元)，而且该公司已于1998年被其他公司兼并，剑麻的生产设备也不作为兼并公司生产的主要方向了。

国内方面，广东省东方剑麻集团有限公司于2003年研制出J M-150型剑麻细纱剪毛机，现已装备服务于该集团。

2 实施过程

对于去除毛刺的研究工作，我公司已独自进行了多种方法的对比。在纺织行业上，处理织物表面毛刺(毛羽)方法有平剪法和烧毛法等，平剪法主要用于剪除地毯或较厚实布面上的毛羽，以增加其光洁度;剑麻绳、纱及捻线不是平面的，而且在生产过程中，线速度较快，使用平剪工作难度大，达不到剪毛效果;烧毛法，则是用汽油或酒精喷灯，将棉纱或较薄布的表面上较长的毛羽烧掉，以增加其光洁度，但效果并不理想。近年又与广西大学进行了多次研究，试图采用激光烧毛，但由于剑麻的毛刺较粗硬，烧毛速度太慢，而且烧后产品有黑灰黑炭，影响产品外观，不利于提高质量和档次。在经过了多次研究对比后，我公司决定研制开发剑麻剪毛机，使用高速旋转的刀球进行剪毛。

2.1 产品设计原理及各项指标

该产品的工作原理来源于橡胶造粒机，即利用高速旋转的螺旋刀与固定刀板形成的剪切力，将进入剪毛区的毛刺剪切，以提高产品的光洁度和质量档次。

使用的螺旋刀，拟采用刀轴一体化的技术，进行整体铸造，从工艺上虽然比较复杂，但在技术上是比较成熟的，造出旋转刀球后，通过一系列的化学和机械处理，可使螺旋刀达到坚韧耐磨的目的，而刀球用过一段时间后，刀刃不锋利了，可把整个刀球卸下来，经磨床磨利，再装上去使用，寿命可达2年(10000小时左右)，刀材料的选择关系到刀的使用寿命和效果。

螺旋刀的角度，是能否剪毛的关键，角度合适，刀球旋转时，在剪毛区可形成一个负压，把毛刺吸入，并被剪除，螺旋刀的角度，计划选在15～21°之间。

为了使绳纱的毛刺能够被剪除干净，必须保证绳纱绕轴旋转通过剪毛区，这样绳纱表面的毛刺才会被剪切。所以，我们必须在剪切区与卷绕的中间，加装一个附加捻装置，使绳纱通过剪毛区时，产生旋转加捻。

项目产品主要指标，应达到如下要求：1)剪毛工作时绳纱线速度150米/分;2)对1mm以上的毛刺剪除率≥90%;3)耗用功率3KW;4)适用纱条规格150～1200/kg;5)适用绳直径￠2-6m m。

将纺纱机纺出来的剑麻细纱球挂在剪毛机前端的挂纱架上，细纱在卷绕机带动下先经加捻部件加捻，然后在经过刀球与刀板之间的交界点时，转动的刀球则将细纱上的毛刺剪掉。加捻装置将细纱加捻后，当细纱从刀板上拉过时，因毛刺往各个方向伸展，大部分毛刺就被刀球剪除，与没安装加捻装置时比较，剪效果较好。细纱被拉过时因弹性变形较大，若纱球稍有颤都，细纱就容易被刀球切断。所以性能参数的选择、系统的稳定性、刀球架及支承台的平衡均是设计的关键。经过多次实验表明，刀球转速低于2800r/min时，剪毛效果不够理想;但若转速超过2900r/min时，刀球剪切效果虽好，但是细纱容易被切断。因为细纱弹性变形大，所以系统只有在平稳状态下，细纱才不容易出现颤动，细纱被剪断率才能下降。实验证明，刀球转速在2800～2900r/min之间转为合适。

2.2 产品组成

剑麻剪毛卷绕机主要部件可分为刀球部件、刀球架部件、加捻装置及支承机构等四个部分。

1)刀球部件：由小段刀球、法兰、刀球轴和刀板等组成。每段刀球由10把刀片构成，刀球直径100mm，长度90mm，中间空心，刀片与中心轴线交错角度为15°左右，然后用5个法兰把4小段刀球拼起来形成一个完整刀球。由于刀球套装在刀球轴上，一端被轴径挡住，另一端则用止退挡圈和圆螺母进行紧固，这样整个刀球就牢牢地紧固于刀球轴上。这种刀球可剪切各种规格的细纱的毛刺，不必加挡梳针，且不易剪断细纱。

刀球采用固定式，可通过平移刀板或升降刀球架来调整刀球与刀板刃口直线高出刀球中心线平行，两条直线两端不平衡高低应不超过0.15m m，并且要求刀板刃口直线高出刀球中心线0.30～0.50m m。检测这些参数时，可将高度百分尺置于刀板两端，分别测量刀球两端高度是否一致，并且量出刀板刃口直线是否高出刀球中心线0.30～0.50mm。然后通过平移刀板来调整刀球与刀板刃口间的间隙，一般间隙范围为0.02～0.04m m，可用手摇动刀球切断薄纸来进行检测。若薄纸被轻松切断，表明此间隙已调好。当纱条经过刀球与刀板刃口交界时，毛刺便被剪除。

2)刀球架部件：由支承座、刀板支架、支承座压盖及挡板等组成。刀球架为半包围结构，呈“U”字形，前面敞开，上面、后面用档板遮盖。刀球架两端沿垂直平台方向铣有轴承位置。刀球轴两端轴承安装好后沿着刀球架轴承位置垂直放下。此时刀球轴只能上下移动，用支承座压该固定后，刀球便不能再移动了。每个刀球架底下均有五个螺孔，用来把刀球固定于支承台上，并且通过调节螺栓来调整刀球中心线的高低，以便达到剪切间隙的要求。

3)加捻装置：由小电机、小皮带轮、空心轴、加捻小轮、锁定套及支座等组成。小电机功率为120W，转速为940r/min，采用三角带传动，传动比I=1。经实际使用表明，当加捻装置的转速为1000r/min左右时，剪切效果较好。纱条经一端加捻后，从另一端松捻出来，其捻度基本不变。

4)支承机构：由平面垫板、支柱和档板等组成。支承机构呈长方形箱体状，经铣过的平面垫板主要用来放置刀球架，电机、毛刺储存斗和电气箱等则放置在箱体内。平台垫板、支柱和档板均通过焊接或用定位销、螺栓来固定。

3 试验小结

2001年10月，我公司将加工好的刀球安装在南宁中垦剑麻纺织有限责任公司，并选用了0.50支纱、0.60支纱、0.90支纱及￠3m m、￠5m m的捻线进行了剪毛试验。试验时间为一个月，共计剪纱条、捻线2500公斤。从剪毛的效果来看，还基本达到要求，但机器不够稳定。根据情况大家提出修改意见：1)增加变频器，使机器由低速到高速平缓起动;2)加固有关牵引部件。

根据这些修改意见，我们重新做了两套刀球，设备安装并经过调整后，剪毛工作能够顺利进行，在试验中又剪各类捻线、纱条12.5吨，经测定对于捻线上5mm以上的毛刺，剪除率可达90%的指标;而在剪各类纱条时，对纱条上5mm以上的毛刺，剪除率可达到95%以上，而在剪毛时的线速度可达到150米/分，各项指标也基本达到了设计要求。试验结果如下表：

4结语

近几年来随着剑麻纱线剪毛技术的不断发展，剑麻制品在工艺品领域、玩具领域以及生活日用品领域有了长足的进步。相信在不久的将来，随着人们生活水平的不断提高，剑麻高端产品还将不断地进入我们的生活，为我们的生活发挥出更大更多的作用。

摘要：质量是一个企业提高市场竞争力的重要前提, 剑麻纱条剪毛是剑麻产品后整理的一个关键部位, 把纱条的毛刺去除, 才能进一步提高产品的档次。先进的工艺要靠先进的设备, 古人云:工欲善其事, 必先利其器。根据现有的质量状况, 设备状况, 要准确地定位工艺对设备的要求。

关键词：剑麻,剪毛,刀轴一体

参考文献

[1]杨志平, 钟建志.JM-150型剑麻细纱剪毛机的研制[J].热带农业工程, 2003.

[2]陈伟南, 蔡泽祺, 陈叶海.提高我国剑麻产品质量管理水平的对策[J].中国热带作物学, 2005.

磁滞卷绕张力器阻力矩产生机理 第5篇

关键词：磁滞张力器,粘结Nd-Fe-B,粉末冶金Fe-Cr-Co,磁滞机理

1 永磁磁滞阻尼卷绕张力器选题背景和意义

近几年, 在进口高档纺织机械中出现多种新型磁滞卷绕张力器。这类永磁磁滞阻尼机械具有结构简单、易于单独控制、节能环保和运行平稳等优点, 在纺织工程、金属和非金属线缆制造等领域应用前景广阔[1]。但其基础研究尚不成熟, 客观上增加了设计制造的难度, 总体上也导致目前此类器件在性价比上并无明显优势。究其原因, 许多厂家在盲目试制过程中出现磁性材料选材不当、价格高、工艺不成熟、成品率低、受控张力松劲波动性大、性能一致性差或标定困难、产品寿命不长及预期又不可修复等情况, 导致产品全寿命周期的功能价格比倒挂, 使得这类貌似简单适用的张力控制器件难以在张力控制很多工序批量使用。

现结合开发磁滞卷绕张力器[2]过程所遇知识点, 综合国内外磁滞阻尼器件有关理论、应用研究成果, 以已研发的特种磁滞卷绕张力器[3]选材试制过程所遇到的一系列问题为主线, 论述磁性材料在其中相互作用机理, 并就工程问题提出相应建议和解决办法[4]。

2 永磁磁滞阻尼卷绕张力器的磁性器件属性[5~7]

磁力机械都是以磁场为媒介将能量进行转换。从动力输入方式分类, 可以分为两类, 第一类是磁力驱动机械, 主动力来源是永磁能, 再转换成机械能[8], 例如永磁电机等;另一类是磁滞阻尼从动机械, 主动力来源是外部机械能, 经磁能转换成热能, 例如永磁刹车制动器和永磁磁滞阻尼卷绕张力器。现研究的是专属此类被动消耗机械能, 将卷绕主动力矩通过磁能转换热能生成阻力矩 (卷绕张力矩) 的磁力机械。这两类在结构上有很多共同点, 区别在于, 前者定子绕组、转子磁件都充磁, 后者定子磁环转子磁环只有一个充磁, 另一环随动感应生磁;因此, 磁耦合机理不同。为此建立涉及磁性材料学、机械学等多学科的磁滞阻尼器件基础理论, 系统研究磁滞阻尼机械的设计理论和方法, 对磁滞阻尼机械的应用与发展是很有必要的。

3 永磁磁滞阻尼卷绕张力器典型结构

永磁磁滞阻尼张力器典型结构组成简图如图1所示。

磁滞阻尼张力器器结构组成有转轴1、轴承2、端盖3、卷绕张力轮4、外转子永磁环5、内定子磁滞环6 (或磁滞环5、永磁环6) 、调节盘7、多头调节螺杆轴8、支架9和紧定螺钉10。永磁环磁N/S极对相间圆周排布及随动内转子磁滞环如图2所示。

4 永磁环材料选择主要参数及其原则问题[9~10]

磁滞环、永磁环作为耗能磁性器件的核心元件, 永磁环利用磁性材料的内禀性质如饱和磁化强度、居里温度和磁各向同性等影响外磁场, 磁滞环磁性材料的阻尼特性如磁导率、矫顽力、剩磁、矩形比和磁能损耗等是此类器件应用的基本条件。

磁性材料品种繁多、技术更新很快[11], 而磁性材料一般选择原则:能保证永磁环和磁滞环之间气隙磁场强度足够强大;满足工作环境条件温度时保证必要的磁稳定性、耐蚀性和良好的制备工艺性;可满足制造几何精度;全寿命周期经济性合理性。

4.1 粘结Nd-Fe-B材料特点分析

根据上述原则, 在国内现有条件下, 考虑器件形状尺寸及制备工艺, 永磁环材料建议选择粘结Nd-Fe-B[12], 图3为永磁环实物粘结Nd-Fe-B微观形貌图。粘结钕铁硼永磁材料是近几年发展出来的新产品。习惯上将粘结钕铁硼永磁分为3个类型, I型为模压成型的环氧树脂粘结各向同性磁体;Ⅱ型为热压的各向同性磁体;Ⅲ型为热变形的各向异性磁体。其特点如下[13]:容易制成形状复杂的磁体或薄壁环状磁体, 还能嵌入其他零件一起成形;尺寸精度高, 不需二次加工;磁性能分散性小, 适于大批量生产;机械强度高;易于实现多极充磁;材料利用率高, 废品等经退磁就能简单地再生使用;对于多极转子或多极定子, 可以简化磁力机制造工艺[14]。磁滞卷绕张力器工作在常温下, 居里温度高的Nd-Fe-B牌号, 可致磁性更稳定。

4.2 永磁环矫顽力机理

磁场相对转动时, 只要磁滞环反向激磁的磁场小于永磁环矫顽力, 就不会发生明显的退磁现象, 见图4所示的I型粘结Nd-Fe-B磁化曲线及退磁曲线图。

退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的剩磁密度和矫顽力。张力器运转过程中, 为避免发生退磁现象, 永磁环选用高矫顽力的Nd-Fe-B材料。研究表明, 矫顽力由均匀畴璧钉扎机理决定的磁体, 畴璧被钉扎在缺陷或晶粒边界处, 因此畴璧的移动比较困难, 初始磁导率很低, 当磁化场达到一个与矫顽力相当的临界值时, 剩磁和矫顽力急剧上升, 而且矫顽力的上升比剩磁的上升快[15]。

4.3 永磁环制作主要技术要点

4.3.1 粘结钕铁硼永磁材料制备工艺

粘结钕铁硼永磁材料化学成分如图5所示。可用粘结剂, 在160℃下稳压成形制备Nd-Fe-B磁体零件, 温度再高磁性能会随着固化温度升高而降低。虽然尼龙粘结Nd-Fe-B磁体的剩磁和磁能积比环氧树脂和酚醛树脂两种粘结磁体低, 但其粘结磁体的内禀矫顽力比其另外两种粘结剂制备的磁体高[17]。作为永磁环粘结磁体零件的力学性能可以满足要求, 但表面必须喷粉烤漆作防氧化处理。

4.3.2永磁环充磁方法

永磁环被作为磁能源的永磁体, 经过径向充磁, 使磁体内部的磁畴由混乱排列转变为朝单一特定方向的排列, 从而对外显示出其强磁性。对于永磁环径向辐射状充磁, 得出以下规律性要点[18~19]:在线圈总匝数相同时, 尽量在较小电压、电流的情况下使磁体达到饱和充磁;增加磁轭可减小所充磁体磁性能峰值大小, 但采用纯铁磁轭可增加峰值宽度, 更好地满足磁阻尼力偶矩形波的要求;在永磁体对面添加纯铁磁轭可以增加磁力线的穿透率, 减少在内部形成回路的磁力线个数。径向辐射充磁磁力线图如图6所示。

5磁滞环选Fe-Cr-Co阻尼材料特点

推荐用作磁滞转子的永磁合金材料是Fe-Cr系阻尼合金。这类合金的应用研究始于20世纪80年代的美国[16]。除磁阻尼特性优良外, 首先其具有一般金属材料的力学性能, 且是矫顽力在10~250 Oe之间的磁性材料。铁铬钴系永磁合金, 以铁、铬、钴元素为主要成分, 烧结Fe-Cr-Co化学成分能谱图如图7所示。相对其它永磁材料, 其显著特点是加工性能好, 可进行冷热塑性变形和切削加工, 且可通过塑性变形和热处理改善磁性能。抗氧化性能优异, 无需表面处理。

5.1 磁滞环材料选择主要参数及其选材关键因素

磁滞环材料除基本参数剩磁Br, 矫顽力Hc, 最大磁能积 (BH) max之外, 还由以下三组参数决定其好否, 即:, 比磁滞损耗与磁场强度之比, 圯最大;凸度系数;B=f (H) , 磁化曲线。

磁滞材料性能好坏还应该参考下列因素:导电性;磁稳定性;抗腐蚀性;膨胀系数;机械加工性;工艺稳定性;本国资源情况和市场价格。

5.2 磁滞环选Fe-Cr-Co材料磁性特点分析

磁滞环利用这类材料是应用其全部磁滞回线, 需要有适当高的矫顽力和高滞磁比, 既保持其稳定工作状态又能磁化和反磁化[20], 其转矩与磁滞损失Eh成正比。整体磁滞环转子特别推荐低Co低价的2J21, 2J23, 在中高磁场下具有良好的磁滞特性;小微型磁滞转子零件可用2J83, 2J84, 2J85铁铬钴变形永磁合金, 加工性能优越[21]。

5.3 磁滞环制作主要技术要点

磁滞环制作建议由Fe-Cr-Co金属粉末颗粒, 采用粉末冶金技术制造, 粉末冶金Fe-Cr-Co微观形貌图如图8所示[22]。一步压制成簿壁环形的或碗形零件, 具有良好的各向同性磁性能。对于大批量生产, 这种材料在压制过程不仅简单而且没有边角料浪费, 所以成本将大幅减少。磁滞合金Fe-Cr-Co热处理炉内温度调控在400~650℃范围内, 控制精度应达到±2℃, 否则导致磁性能不一致, 使卷绕张力器张力大小个体间相差不一致, 会批量报废。

5.4 磁滞环涡流损耗分析[23]

由于卷绕张力器工作转速不高, 磁滞环处在低频动态磁场中, 磁滞损耗是相对涡流损耗更主要的损耗形式[24]。磁滞环在交变磁场作用下产生的涡流, 它受磁场分布及温升影响大。卷绕阻尼张力器工作时, 气隙磁场的磁通密度是非线性的, 且各处的磁通密度不同, 而磁滞环损耗又与磁通密度幅值呈非线性关系[25], 对于此类损耗的计算是比较困难的。磁滞张力器中的损耗由交变和旋转磁通产生。所以张力器设计时可忽略涡流效应和磁后效应等的影响。

6 磁滞力耦作用机理分析

磁滞是磁性材料受外磁场作用在磁不平衡状态下的现象。据微磁学理论[26], 磁滞环的磁性主要来自于电子轨道角动量矩与电子自旋角动量矩相结合的磁矩。在永磁环产生的气隙磁场的作用下, 相当于产生了感应电流。依照楞次定律, 磁滞环感应的磁场与永磁环作用的磁场方向相反, 即磁滞环在外磁场的作用下电子轨道动量矩的微小改变, 随动所产生的轨道磁矩和永磁环外磁场的方向相反。

6.1 磁滞环磁能损耗做功

在机械外力作用下磁滞环与永磁环相对转动, 即利用原动机来拉动转子旋转, 通过内外永磁体磁场之间的磁滞耦合作用, 使磁滞环在交变磁场中会被磁化而储能, 材料从交变磁场中吸收并以热的形式磁能损耗做功[27,28]。微观磁畴发生的移动和转动或按最低总能量原则重新排列, 在此过程中克服磁畴壁之间的摩擦产生热量而消耗掉, 这就是磁滞损耗[29]。在高的磁通密度下可能导致高的磁滞损耗, 原因是在高磁通密度下有更多的畴壁发生位移, 阻碍畴壁的位移就可能产生高的磁滞损耗[30]。磁滞是不可逆的热效应。

6.2 磁滞环磁能损耗做功的物理基础

磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化。若交变磁场是时间的正弦或余弦函数, 可令交变磁场:H=Hmejωt式中Hm是H的振幅, ω为角频率。相应的磁感-应强度:B=Bmej (ωt-δ) 式中δ为B滞后于H的相角, Bm是B的振幅, 在弱交变场中复数磁导率:

复数磁导率μ的实都μ′表示物质在磁化过程中储能大小的物理量, 磁体内单位体积的平均储能为, 储能大小与μ′成正比。磁导率虚部μ″称为粘性磁导率, 是表示磁性物质在磁化过程中所损耗的量的大小, 磁化一周期单位体积损耗的能量为, 损耗的大小与μ″成正比。利用μ′的储能以同一种类型的能量形式释放出来, 而μ″损耗的能量全部变成热能, 磁能转化成热能, 这正是磁滞环在永磁场将机械能转化成热能形成阻尼张力的物理基础[31,32]。

7 结语

研发的特种磁滞卷绕张力器在选材及试制有下列特点。

7.1 磁滞卷绕张力器属于被动磁能耗磁力机械。

7.2 选粘结永磁Nd-Fe-B可提供足够磁场, 矫顽力大, 易制成形, 表面需防氧化。

7.3 磁滞阻尼材料选粉末冶金Fe-Cr-Co磁能积大, 加工易, 成本低, 热处理须严格控温。

卷绕系统 第6篇

真空镀膜系统是指在真空环境下 , 将铝和锌化合物以气相的形式沉积到薄膜材料表面。而卷绕张力控制技术是真空镀膜机中的关键技术[1],卷绕张力控制的精度、 稳定性直接影响真空镀膜机对原料膜的适应能力和产品的质量。卷绕系统张力和速度应该保持恒定[2], 一但速度波动 , 蒸发器产生的锌铝镀层的厚度就会不一致。并且 , 整个卷绕系统的张力须保持一合适值 , 张力太大会使薄膜产生皱纹 , 甚至导致断膜 , 张力太小会导致薄膜打滑。所以薄膜张力控制系统需对系统速度和张力进行同步控制[3]。

2真空镀膜卷绕系统工艺

图1为真空镀膜卷绕系统的工艺流程图。系统的主要设备为 : 开卷机、蒸镀鼓、张力辊、方阻测量装置、 舞动辊和收卷机[4]。

(1) 开卷机和收卷机

卷绕系统由开卷机和收卷机置组成。根据穿膜方向 , 开卷机可反向旋转。在处理开始时 , 开卷机接收未蒸镀的卷材。在处理过程中 , 收卷机接收已蒸镀的卷材 , 两个卷绕辊的卷材卷绕张力可单独设置并在处理过程中保持不变。其中 : 开卷机影响蒸镀鼓上的穿膜 , 而收卷机则影响收卷装置上卷材卷绕的张力 ;

(2) 主鼓

负责传送薄膜基材并经过静止蒸发器装置的上方。 在蒸镀过程中 , 基材遭受大量热应变 , 这些热应变是由蒸发材料的冷凝和蒸发器装置的热辐射造成的。热量通过主鼓扩散 , 而主鼓通过冷却和加热装置进行冷却。主鼓的速度可自动调整并决定卷材穿过整个卷绕系统的卷绕速度。对主鼓施加偏压可提高卷材对蒸镀鼓的粘附强度。

(3) 张力辊

张力辊影响主鼓上基材的接触区域。这样可确保冷却主鼓与蒸镀基材之间达到较好的热传导。可通过就地操作元件 , 设置卷材卷绕张力。

3真空镀膜张力控制模型

根据系统工艺的控制要求 , 设计图2所示系统真空镀膜卷绕张力控制模型。主鼓采用速度控制方式 , 通过速度补偿和设定模块实时计算卷绕系统全线的线速度 , 并将线速度输出给其他控制模块。开卷机、收卷机和张力辊则采用恒转矩控制方式 , 根据系统线速度和相关参数实时计算卷径 , 并据此得出加速度转矩、摩擦力转矩对张力进行补偿 , 进而实现卷绕系统的恒张力控制。

3.1主鼓速度控制

主鼓的速度决定卷材穿过整个卷绕系统的卷绕速度[5]。通过主鼓的编码器可实时检测主鼓的转速 , 进而计算卷绕系统运行过程的总膜长。主鼓的主要控制功能为设定整个系统的加减速过程斜坡函数。

其中 , 1阶段为开卷机启动及升速过程 ; 2阶段为开卷机高速运行过程 , 这时开卷速度高于镀膜区的人口速度 ; 3阶段为收卷机接近满套时 , 系统开始减速 ; 4阶段为系统减速到低速运行后平稳的运行 , 生产线全线张力平衡 ; 5阶段为减速停车阶段 , 当开卷段剩余带材到达限定值后 , 开卷区开始减速并最终停车 ; 5阶段之后为换卷阶段,将新卷的带头和上一卷的带尾进行粘接, 并重复上述的过程 , 以实现生产线的连续生产。

3.2开卷,收卷及张力辊张力控制

薄膜卷材在卷绕的过程中 , 卷材的半径在不断变化[6]。 如果要保证线速度保持不变 , 根据角速度跟线速度的关系可知 , 其角速度也在不断的增加。因此 , 薄膜卷材的开卷和收卷过程中的张力控制是一个涉及的参数较多且比较复杂的过程[7]。图4为本系统张力控制模型。由上节主鼓控制模型得到的系统线速度和卷绕系统转速可实时计算卷径 , 进而得到加速度转矩和摩擦力转矩。而根据张力PID控制模型的输出转矩和加速度转矩、摩擦力转矩可得到卷绕系统的总转矩 , 从而对系统张力进行实时控制。

根据收卷装置 , 薄膜卷材的受力关系 , 并且考虑轴芯在启动过程中可能会受到干扰 , 造成速度和张力濡染发生变化时产生了加速度的情况 , 可建立如下的薄膜卷绕动态转矩平衡方程 :

其中 ,J是卷绕部分实时转动惯量 ,J0是卷轴轴芯转动惯量 ,Jk是卷绕部分卷材转动惯量 ,Bf(t) 是卷绕阻尼系数 ,m是卷绕部分实时质量 ,ρ 是薄膜卷材密度。根据公式 (1) 可以得出 :

而卷绕卷材质量m可以表示为 :

转动惯量J由J0与Jk组成 , 即 :

Jk为关于实时卷径D的函数 ,D随时间变化而变化 ,Jk可用下式来表示 :

单位时间内卷绕部分变化的侧面积d S可以表示为 :

据此可以得出卷绕部分实时卷径D:

将公式 (3)~(7) 带入公式 (2), 可得出卷材张力T的表达式 :

4卷绕张力控制模型仿真

依据以上分析 , 可在Matlab Simulink中设计开卷张力控制仿真模型如下 :

根据以上分析以及真空镀膜机的工艺要求 , 开卷机—蒸镀鼓 , 以及主鼓—张力辊—收卷机的薄膜卷材张力需要单独设置并在生产过程中保持不变。 故而 , 真空镀膜机张力控制系统的放卷部分和收卷部分的张力控制 , 通过调节伺服电机制动力矩来实现 , 而蒸镀鼓和张力辊之间的张力是通过调节其转速差来实现的。据此 , 可设计整个系统的张力建模结构模型如图7。图中蒸镀鼓的转速R0为基准转速 , 收卷驱动辊的转速为R1, 张力辊的转速为R2。当蒸镀鼓的基准转速R0被设定后 , 调节另外两个驱动辊的转速R1和R2即可控制驱动辊之间的张力T1和T2的大小。

图8为对以上张力控制模型进行仿真后 , 收卷卷张力系统张力、线速度、卷径和转矩的仿真结果。其中图 (a为系统线速度恒定为3米 / 秒情况下 , 系统张力稳定在545N左右 , 卷径D随着系统的运行 , 逐渐增大 , 而转矩在速度恒定后 , 稳定在30 Nm左右。而图 (b) 为系统线速度在1.5秒后变为3米 / 秒 , 速度突变时 , 张力和转矩经过短暂调整后仍维持为545N和30Nm。由此可实现张力控制系统的恒张力控制。

5结束语

本文设计了真空卷绕镀膜机张力控制模型 , 实现了系统主鼓的速度控制模型 , 开卷机、收卷机和张力辊的恒张力控制模型。并据此对控制模型进行了仿真实现 , 仿真结果验证了本系统能有效的卷绕系统的恒张力控制和速度、张力的同步控制。

参考文献

[1]吴军民.基于PLC的镀膜机智能张力控制系统[J].机械设计与制造,2009,(11):120-122.

[2]周志文.变频调速器在张力控制系统中的应用[J].真空,2003,(1):33-35.

[3]康家玉,米林安,高承雍.复卷机退卷张力控制的研究与应用[J].中国造纸,2004,23(6):35-38.

[4]公建宁.数字PID控制技术在多功能真空离子镀膜设备中的应用[J].真空电子技术,2010,(6):59-63.

[5]郭艳萍.复卷机恒张力控制的设计及实现[J].电气传动,2009,(2):65-71.

[6]石良喜.模糊PI控制在真空蒸发镀膜中的应用[J].机电工程技术,2010,39(5):71-74.

卷绕系统 第7篇

在方形锂电池电芯卷绕过程中,传统的方法是卷绕电机采用恒定角速度卷绕卷料,但电池卷绕主轴以恒定角速度ω旋转,必然使卷料线速度、卷料所受拉力产生较大波动,影响电芯卷绕的均匀性。为使卷料线速度在卷绕过程中尽量保持稳定,就必须使卷绕电机在卷绕过程中以变化的角速度卷绕卷料。

1 基本思路

如图1所示,将卷绕电机旋转一周的角度分成5个区间(0～45°、45～135°、135～225°、225～315°、315～360°),卷绕电机在旋转一周过程中以角速度ωH、ωL交替运行,这种卷绕方式可减少线速度的波动,从而使电芯卷绕更均匀。

2系统结构

控制系统选用台达PLC DVP24ES2,晶体管输出,16点数字输入,8点数字输出,Y0、Y1口分别输出脉冲信号和方向信号以控制卷绕电机(松下交流伺服电机MBD-DT2210053);同时配型号为DOP-B05S100的台达5.6英寸触摸屏,实现人机对话。

卷绕控制系统结构如图2所示,本文主要讨论电机的变速控制。

3控制过程

电芯卷绕流程如图3所示,电芯卷绕分为初卷、主卷、尾卷3部分,每部分卷绕圈数通过触摸屏设置。

在卷绕主轴初始位置安装原点接近开关,确定一个机械原点,如图4所示。程序启动进入初始状态,卷绕开始时先通过原点复位指令找到原点,使旋转主轴位停在原点处,上料后,执行初卷,初卷完成后,装正、负电极材料,执行主卷,正、负电极材料卷绕完成后,执行尾卷。初卷、主卷、尾卷对应不同的旋转圈数。初卷、主卷、尾卷3部分卷绕完成后,旋转主轴位回到原点,将卷绕好的电芯下料,并重新上料,准备下一个电芯的卷绕,如此往复循环。

卷绕过程中实现变速控制的实质是判断旋转主轴在图1中哪个区间。PLC脉冲输出指令如图5所示,D0是脉冲输出频率,决定了卷绕电机的角速度;K0是脉冲输出个数,表示卷绕电机要旋转的角度;脉冲从PLC Y0口输出,同时PLC内部D1030计数器自动对脉冲输出个数进行计数。

应用除法指令,将D1030计数器所计脉冲总数除以2 500,所得整数存放于PLC内部计数器D548中,余数存放于PLC内部计数器D550中。PLC输出脉冲计算程序如图6所示。

卷绕交流伺服电机旋转1圈需要2 500个脉冲,由此将5个区间0～45°、45～135°、135～225°、225～315°、315°～360°的角度转化为对应的脉冲数K0～K312、K312～K937、K937～K1562、K1562～K2187、K2187～K2500。旋转主轴位置确定程序如图7所示,通过比较指令将D550数值和5个脉冲数区间进行比较就可以知道旋转主轴处于哪个区间,M100、M103、M106、M109、M112分别对应M101、M104、M107、M110、M113动作。

将卷绕高速ωH和卷绕低速ωL转化成频率信号分别存放于PLC内部计数器D540和D542中,根据旋转主轴所处区间分别将D540和D542数值传送到D0计数器,从而实现变速脉冲输出,使卷绕电机在不同区间就会对应不同的角速度。卷绕速度控制程序如图8所示。

将初卷、主卷、尾卷3部分的不同卷绕圈数转化成脉冲数,通过如图9所示的脉冲比较指令实现3部分状态间的转换,从而完成整个电芯卷绕过程的循环。

4 结束语

使用台达PLC DVP24ES2,配合相关编程指令,实现了电机旋转过程中的变速控制,解决了方形锂电池电芯卷绕过程中线速度波动大、电芯卷绕不均匀的问题,有效提高了锂电池电芯的产品质量。

摘要：利用PLC输出的脉冲信号和方向信号，配合脉冲计数和比较等编程技术，驱动交流伺服电机在旋转一周过程中实现2种角速度交替运动，改进了方形锂电池电芯卷绕工艺，满足了方形锂电池电芯卷绕对速度控制的要求。

关键词：电池卷绕机,锂电池,方形电芯,变速控制

参考文献

[1]戴明宏，张君霞．电气控制与PLC应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007