1650mm鋁箔分卷機(jī)卷取機(jī)張力控制系統(tǒng)

王睿龍

（廈門廈順鋁箔有限公司，福建 廈門 361027）

1 引言

鋁箔分卷機(jī)，是用于將鋁箔軋機(jī)軋制后的雙合鋁箔卷料按用戶要求進(jìn)行分卷，并剪切成不同寬度規(guī)格鋁箔成品的專用設(shè)備。鋁箔分卷機(jī)卷取張力環(huán)不穩(wěn)定或者張力梯度不穩(wěn)定，就會使剪切產(chǎn)品出現(xiàn)“錯層”、“松卷”和端面出現(xiàn)“燕窩”等現(xiàn)象，從而造成大量廢品。鋁箔分卷機(jī)的卷取機(jī)張力控制系統(tǒng)對鋁箔的質(zhì)量和成品率有重要的影響，本文從理論上針對分卷機(jī)的卷取間接張力控制系統(tǒng)和慣性力矩補(bǔ)償?shù)挠嬎惴椒ㄟM(jìn)行推導(dǎo)，并對影響鋁箔分卷機(jī)卷取張力的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。就提高鋁箔卷取機(jī)張力控制精度，提出了一些解決方案。

2 鋁箔分卷機(jī)設(shè)備主要工藝技術(shù)參數(shù)

高速鋁箔分卷機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)以及設(shè)備主要性能指標(biāo)如下。

（1）來料規(guī)格：1×××、3×××、5×××、8×××系列鋁及鋁合金；

（2）厚度：單張 0.04～0.05mm，雙張 2×（0.006～0.03）mm；

（3）寬度：800～1550mm；

（4）開卷鋼套筒尺寸：φ485／φ555×1850mm；

（5）開卷機(jī)最大卷材外徑：1900mm；

（6）成品厚度：單張 0.04～0.05mm，雙張 0.006～0.03mm；

（7）分切的最大寬度：1530mm，最小寬度：200mm；

（8）分切條數(shù)：最多6條；

（9）使用φ75mm卷取套筒時，成品卷直徑最大為φ700mm，機(jī)列最大工作速度為800m／min，使用φ150mm卷取套筒時，成品卷直徑最大為φ800mm，機(jī)列最大工作速度為1200m／min；

（10）張力控制精度：穩(wěn)速時±2%，加減速時±5%。

3 機(jī)組設(shè)備組成

如圖1所示為鋁箔分卷機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意簡圖，這臺高速鋁箔分卷機(jī)主要由上料系統(tǒng)、主體分切系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、拔軸系統(tǒng)、氣液系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。上料系統(tǒng)由上料小車、軌道、檢測開關(guān)組成，上料小車行走由交流變頻電機(jī)驅(qū)動；主體分切系統(tǒng)主要由開卷機(jī)、刀軸導(dǎo)輥群、上下卷取機(jī)構(gòu)組成。開卷機(jī)在機(jī)列中完成帶材的開卷和對中，由一臺直流電機(jī)驅(qū)動。刀軸導(dǎo)輥群由9根導(dǎo)輥組成，由一臺直流電機(jī)通過齒形皮帶同步驅(qū)動，完成鋁箔導(dǎo)向，分卷和剪切。卷取機(jī)分上卷取機(jī)和下卷取機(jī)，分別完成雙合鋁箔的收卷，各由一臺直流電機(jī)驅(qū)動。

圖1 鋁箔分卷機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意簡圖

分卷機(jī)液壓、氣動系統(tǒng)由一套氣動閥站和液壓閥站組成，該系統(tǒng)的主要作用是控制卷取機(jī)壓平輥和支承輥的打開、壓靠和運(yùn)行。壓平輥和支承輥的控制對帶材的卷取非常重要，帶材卷取時，壓平輥和支承輥工作在運(yùn)行狀態(tài)，并通過調(diào)整壓平輥油缸的有桿腔和無桿腔的壓力均衡，以調(diào)整壓平輥作用到卷取機(jī)卷材上的壓力，保證卷材質(zhì)量。

4 基礎(chǔ)自動化選型與配置

生產(chǎn)人員利用上料系統(tǒng)按照手動方式將鋁箔軋機(jī)軋制后的雙合鋁箔料卷送到分卷機(jī)的開卷機(jī)上，用其雙錐頭夾緊來料的套筒，然后根據(jù)工藝卡片的技術(shù)要求設(shè)定剪切寬度，經(jīng)過分卷系統(tǒng)的刀盤剪切成不同寬度的成品箔，分別由上下卷取機(jī)卷取成卷，再由主體分切系統(tǒng)中的上下卸料臂將卷取機(jī)上的成品箔卷送出分卷系統(tǒng)，此后利用卸料系統(tǒng)按照自動方式將成品箔卷從分卷系統(tǒng)中的卸料臂上取走，再將空卷軸分卷系統(tǒng)的卷取機(jī)上，并將成品箔卷送到儲料臺，最后通過氣動拔軸系統(tǒng)將卷軸從成品鋁箔卷中拔出，從而完成全部操作。

5 機(jī)列電氣控制系統(tǒng)

機(jī)列的控制系統(tǒng)主要由輔助操作控制系統(tǒng)和6RA70直流傳動裝置組成，它們通過PROFIBUS DP總線電纜和CBP總線適配器模塊相連組成PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)，完成PLC和傳動裝置間控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的相互傳遞。

由于1650mm分卷機(jī)控制點(diǎn)較為分散，需要傳遞的數(shù)據(jù)比較多，因而有必要采用現(xiàn)場總線。本系統(tǒng)采用 S7－400 PLC系列產(chǎn)品，CPU為帶有PROFIBUS－DP接口的CPU414－2DP，它提供現(xiàn)場總線PROFIBUS－DP將采集到的各個子站IM153的現(xiàn)場信號、交直流傳動裝置的控制和狀態(tài)信號直接傳送到CPU，減少了現(xiàn)場連線以及干擾源，從而降低了工作成本和調(diào)試、維護(hù)的工作量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。PROFIBUS總線以其國際化開放方式不依賴設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化以及其他自動化領(lǐng)域，目前占據(jù)整個工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)市場份額的30%以上。該總線由 PROFIBUS－DP、PROFIBUSPA及PROFIBUS－FMS三種兼容方式組成。其中，PROFIBUS－DP是一種高速低成本總線標(biāo)準(zhǔn)（最高傳輸速率12M）。

6 卷取張力控制系統(tǒng)分析

6.1 概述

由于分卷機(jī)剪切的材料極薄，而且剪切速度非常高，因此對速度和張力控制精度提出了很高的要求，恒速度控制精度為0.5%，恒張力控制精度為2%，并可根據(jù)卷取卷徑的變化進(jìn)行梯度張力控制。機(jī)列速度由開卷機(jī)控制，張力在開卷機(jī)和卷取機(jī)之間形成。機(jī)列速度信號由操作臺上觸摸屏設(shè)定，開卷機(jī)初始卷徑由超聲波傳感器測量，卷取機(jī)卷徑經(jīng)過PLC計算得出。位于開卷機(jī)和卷取機(jī)之間的刀軸輥采用具有空載電流限幅的速度控制，以減小導(dǎo)輥對鋁箔速度和張力的影響。

6.2 卷取機(jī)間接張力控制原理

本系統(tǒng)中卷取機(jī)電機(jī)采用間接控制張力的方法，所謂間接張力控制，就是只給張力設(shè)定值，不用檢測器采集張力的實際值，對張力不形成閉環(huán)控制，而是通過對電動機(jī)電樞電流的控制來間接對張力進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動時，如摩擦、速度動態(tài)變化等因素對張力波動的消除，靠系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的各類補(bǔ)償環(huán)節(jié)來微調(diào)張力電流給定值。間接張力控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 卷取機(jī)間接張力控制系統(tǒng)框圖

6.3 間接張力控制方案

分卷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同，于是有：

式中：CM為電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)；Φ為電動機(jī)的磁通，Wb；Ia為電動機(jī)的電樞電流，A；T為張力，N；i為機(jī)械減速比；η為機(jī)械效率；D為卷材卷徑，m；MD為電機(jī)輸出扭矩，N·m；Mo為空載摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；Md為加減速時所需的慣性轉(zhuǎn)矩，N·m。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，Md＝0，考慮摩擦空載轉(zhuǎn)矩較小，可以忽略不計，通過公式（1）計算出卷取張力為：

式中：Km＝2CMηi，為一常數(shù)。

從式（2）可知，間接張力控制主要有以下兩種方法。

（1）復(fù)合張力調(diào)節(jié)法：通過調(diào)節(jié)電樞電壓保持電樞電流Ia不變，隨著箔卷卷徑變化調(diào)節(jié)電機(jī)的磁通Φ，使Φ／D不變，保持張力恒定。

（2）最大力矩法：保持Ia正比于D／Φ，即無論箔卷卷徑的大小，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，保持電機(jī)磁通Φ為額定值不變，電機(jī)電樞電流Ia隨箔卷卷徑變化而變化，保持Ia／D不變；當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，保持Ia不變，Φ隨箔卷卷徑的變化而變化，保持Φ／D不變。這樣張力保持恒定。

第一種間接控制張力的優(yōu)點(diǎn)是：隨著箔卷卷徑變化調(diào)節(jié)電機(jī)的磁通Φ，控制起來比較直觀。而它的缺點(diǎn)是：只要不在最大卷徑情況下，不論是高速還是低速，電動機(jī)都處在弱磁工作狀態(tài)，所以電動機(jī)轉(zhuǎn)矩得不到充分利用；由于Φ∝D，所以電動機(jī)的弱磁倍數(shù)也就等于卷徑變化的倍數(shù)，當(dāng)卷徑倍數(shù)大時，要求電動機(jī)弱磁倍數(shù)也要大，于是使得電動機(jī)體積增大。這種控制方法要求按最高工作速度Vmax和最大張力Tmax的乘積來選擇電動機(jī)的功率，即 Pm＝ Vmax＊Tmax，但是實際上此兩者并不是同時出現(xiàn)，而一般高速時，箔材薄，要求張力小，因此電動機(jī)的功率也不能得到充分利用。為了合理使用電動機(jī)的功率，可按最大力矩原則進(jìn)行張力恒定的控制。

由于鋁箔分卷機(jī)箔卷卷徑變化范圍很大，卷取機(jī)卷徑變化范圍較大，多在7.5－10倍，而直流電機(jī)的調(diào)磁調(diào)速范圍一般都小于3倍，即使特殊訂貨，也不會超過5倍，因此復(fù)合張力控制法滿足不了要求，只能使用最大力矩法。

第二種間接控制張力的優(yōu)點(diǎn)是：最大力矩法對電動機(jī)的弱磁倍數(shù)沒有嚴(yán)格要求，電動機(jī)的調(diào)磁范圍不決定于卷材卷徑的變化范圍，設(shè)計時容易選擇電動機(jī)。電動機(jī)在基速以下進(jìn)行卷取時電機(jī)處于滿磁狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)電流小，可以合理利用電動機(jī)的功率。電動機(jī)在基速以上高速卷取時，可以充分利用電動機(jī)的調(diào)磁范圍。

6.4 梯度張力控制

由上述分析可知，為了保證系統(tǒng)的平穩(wěn)，防止產(chǎn)品斷帶，端面錯層等，要求設(shè)備恒張力卷取。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，采用恒張力卷取，隨著卷取卷材直徑的增大，會出現(xiàn)外緊內(nèi)松現(xiàn)象，造成勒卷劃傷以及卷材端面出現(xiàn)“燕窩”等缺陷，因此在系統(tǒng)中設(shè)置梯度張力控制，即隨著卷取機(jī)卷材直徑的增大，使卷取張力呈線性下降。如圖3所示為卷取梯度張力示意圖。

圖3 卷取梯度張力示意圖

其控制模型如下：

式中：T 為梯度張力，N；Ts為恒張力基準(zhǔn)，N；A為梯度比率 0－50%，無量綱數(shù)；D1，D2為卷?。?）、卷?。?）卷材直徑，m；Dmax為卷取卷材最大直徑，m；D0為卷取空套筒初始直徑，m。

6.5 卷取機(jī)的卷徑計算

鋁箔分卷機(jī)的線速度V是卷取機(jī)卷取過程中的一個重要變量，通常是讀取下卷取機(jī)卷軸的接觸面壓輥上脈沖編碼器輸出脈沖數(shù)并通過計算而獲得的。實際線速度測量精度與脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)及采樣時間有關(guān)，在轉(zhuǎn)速恒定的條件下，脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)越多、采樣時間越長，則線速度V的測量精度越高。卷取機(jī)的速度給定，張力電流的計算，分卷機(jī)升降速時的慣性力矩動態(tài)補(bǔ)償都和卷徑有著直接的關(guān)系，因此鋁箔分卷機(jī)卷取卷徑信號的準(zhǔn)確與否將直接影響張力控制的穩(wěn)定性和精確度。卷徑計算在整個卷取過程中是一個積分運(yùn)算的過程。因此，在PLC程序中需要確定卷筒轉(zhuǎn)一圈的運(yùn)算周期、卷徑變化率和卷取時間。在實際調(diào)試和運(yùn)行中，如果卷取機(jī)卷軸的接觸面壓輥上脈沖編碼器信號波動較大，或在信號傳輸過程中有較強(qiáng)的干擾信號，會對卷徑的計算產(chǎn)生很大的影響，其結(jié)果是無法準(zhǔn)確計算卷取卷徑，導(dǎo)致張力不穩(wěn)定，出現(xiàn)卷取機(jī)松卷或斷帶現(xiàn)象，因此對于線路的設(shè)計和電纜的敷設(shè)要有一定的要求。

6.6 卷取機(jī)動態(tài)慣性力矩補(bǔ)償和空載摩擦力矩補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型

張力控制的穩(wěn)定性和精度對于卷材質(zhì)量影響很大。其卷取張力設(shè)定值取決于上位機(jī)給定的單位卷取張力、帶材寬度與厚度。在鋁箔線速度恒定條件下，隨著卷徑的變化使卷取機(jī)卷筒轉(zhuǎn)速隨卷徑變化，為了保證恒定的張力或梯度張力，必須根據(jù)卷筒連同帶材自身卷動慣量進(jìn)行動態(tài)慣性力矩補(bǔ)償。

由于卷取機(jī)、電機(jī)和帶材均有運(yùn)動慣性，電機(jī)加減速時將要消耗動態(tài)力矩，如不加以補(bǔ)償將使帶材張力發(fā)生波動，必須對電樞電流進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償才可以克服加減速對帶材張力的影響。

對于卷取機(jī)而言，需要的動態(tài)或慣性補(bǔ)償力矩為：

而帶材線速度與卷取機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

通過公式（4）、（5）得到卷取機(jī)動態(tài)或慣性補(bǔ)償力矩為：

式中：V為實際線速度，m／min。

該公式就是間接張力控制時的慣性力矩補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型。間接張力控制的卷取機(jī)力矩計算原理框圖如圖4所示。

圖4 卷取機(jī)力矩計算原理框圖

摩擦力矩補(bǔ)償主要用于修正驅(qū)動電動機(jī)到套筒之間的機(jī)械損耗，摩擦力矩補(bǔ)償量與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。摩擦力矩補(bǔ)償值太高，將會造成“松卷”現(xiàn)象，一般補(bǔ)償量為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2%以下。摩擦力矩補(bǔ)償一般通過實驗的方法得到。摩擦轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償大都作用于電流調(diào)節(jié)器，它是在電流給定基礎(chǔ)上附加一個空載電流分量來實現(xiàn)的。但實際的空載電流是隨電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化而變化的，需要實際測量。一般情況下空載摩擦轉(zhuǎn)矩M0＝f（n）是一條二次曲線，調(diào)試時常用函數(shù)發(fā)生器來模擬，以三段或四段折線近似代替M0＝f（n）曲線。

7 軟硬件實施條件

本項目系統(tǒng)采用PLC作為基礎(chǔ)控制硬件，控制系統(tǒng)軟件特點(diǎn)是：在控制系統(tǒng)程序的編制中，根據(jù)各種任務(wù)特點(diǎn)合理劃分CPU資源。把張力控制、速度控制等對時間有苛刻要求的任務(wù)放在PLC里100ms中斷實現(xiàn)。將卷徑計算等變化較慢的任務(wù)安排在500ms里來實現(xiàn)。將一些邏輯連鎖控制開關(guān)量放在中斷級別最低的任務(wù)中實現(xiàn)。

8 結(jié)論

鋁箔分卷機(jī)卷取機(jī)的張力控制具有一定的代表性，其優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。鋁箔分卷機(jī)的慣性力矩補(bǔ)償?shù)木_性除了要求加速度的給定精度、卷徑計算精度等因素外，將主要取決于機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量的精確性。所以，為保證張力控制精度，在現(xiàn)場調(diào)試時需要對機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量和卷材轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行實際精確測量。另外，鋁箔分卷機(jī)在更換壓平輥或支撐輥，更換中軸輥系軸承，上下卷取張力不同步，設(shè)備停機(jī)時間過長，必須定期做空載摩擦轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，從而保證卷取機(jī)的張力控制精度。

［1］1650mm鋁箔分卷機(jī)技術(shù)規(guī)格書.

［2］天津電氣傳動研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.