電容器卷制機(jī)中張力控制的研究

景新文，劉 向

(1.西安啟源機(jī)電裝備股份有限公司，陜西 西安 710018;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

卷制機(jī)是實(shí)現(xiàn)電容器元件卷繞工藝的專用設(shè)備，在電力電容器制造工藝裝備中起著舉足輕重的作用。本設(shè)備卷制的鋁箔突出式結(jié)構(gòu)電力電容器元件是由兩層鋁箔(厚度6 μm)和多層絕緣介質(zhì)(厚度15 μm)層疊卷繞在芯軸上構(gòu)成的元件，相比老式工藝不僅從根本上提高了元件的電氣性能，也促進(jìn)了整個(gè)電容器制造技術(shù)和工藝的發(fā)展。也正是由于鋁箔突出式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，給新型全自動(dòng)卷制機(jī)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了前所未有的條件。

1 卷繞部分機(jī)械結(jié)構(gòu)

其中卷繞張力控制(張力控制范圍300～1 200 g)是該設(shè)備的關(guān)鍵工藝，設(shè)備核心由8個(gè)伺服放卷軸和一個(gè)伺服卷繞主軸構(gòu)成，卷繞部分機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 卷繞部分機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of the winding portion

1.1 工藝特點(diǎn)

生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)是非連續(xù)放卷，不同規(guī)格的電容器元件由相應(yīng)長(zhǎng)度的薄膜和鋁箔卷制而成后剪斷，下個(gè)元件自動(dòng)起頭卷繞，加上輔助動(dòng)作時(shí)間25 s可生產(chǎn)出一個(gè)產(chǎn)品，卷繞主軸速度在一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中幾乎都處在加減速狀態(tài)，最高速度可達(dá)120 m/min。

1.2 機(jī)械特點(diǎn)

為提高生產(chǎn)效率，卷繞主軸由兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣可以切換的主軸構(gòu)成，一個(gè)在卷繞，另一個(gè)將已卷繞好的電容器元件脫模后經(jīng)傳送帶輸出。在機(jī)械設(shè)計(jì)上由一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)通過摩擦輪驅(qū)動(dòng)卷繞主軸，并且該主軸為單向旋轉(zhuǎn)，不允許反轉(zhuǎn)。8個(gè)料卷放料為主動(dòng)放料由三菱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶料張力通過擺動(dòng)輥檢測(cè)控制。剪斷的兩層鋁箔料頭分別通過兩個(gè)伺服電機(jī)和主卷繞伺服同步線速度后由起頭已卷繞在主軸上的薄膜(前一個(gè)元件卷制結(jié)束后帶料被切斷之前芯模夾住薄膜，主軸開始旋轉(zhuǎn)薄膜及被卷繞在芯模上)引導(dǎo)并卷繞在芯模上。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本方案基于SIMOTION的運(yùn)動(dòng)控制功能，SIMOTION是西門子公司面向生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)用而研發(fā)的一款功能強(qiáng)大的集邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和工藝功能控制(壓力和溫度控制)于一體的控制器，為機(jī)械工程提供統(tǒng)一的解決方案。該控制器硬件上提供了不同性能的產(chǎn)品組合，有基于PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、PC機(jī)的不同硬件結(jié)構(gòu)可選。軟件功能上包含一個(gè)符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的PLC編程環(huán)境，提供強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，從簡(jiǎn)單定位到電子凸輪和三軸的插補(bǔ)功能，從單軸應(yīng)用到幾百個(gè)軸的多軸同步功能。更重要的是由于SIMOTION強(qiáng)大的計(jì)算功能，并且支持算法語言，非常適合實(shí)時(shí)響應(yīng)性高和計(jì)算量大而復(fù)雜的設(shè)備控制。由于考慮成本因素，采用三菱伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)，使用 SIMOTION C240和3個(gè)IM174控制12套三菱公司模擬接口的伺服驅(qū)動(dòng)，這種配置在國(guó)內(nèi)屬首次嘗試，過去基于SIMOTION的收放卷應(yīng)用都是使用支持ProfiDrive協(xié)議的SINAMICS S120伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the system

3 功能設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

圖3 原理框圖Fig.3 Block diagram of functions

3.2 程序主要功能塊概述

該程序主要由卷徑計(jì)算功能塊、轉(zhuǎn)矩預(yù)控功能塊、PID控制器參數(shù)適應(yīng)功能塊、張力錐度控制功能塊、放卷軸速度設(shè)定值計(jì)算功能塊和PID功能塊組成，其組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 程序主要功能塊及其組織關(guān)系Fig.4 Function module and organization of the program

3.2.1 放卷軸直徑計(jì)算

如果采用直徑測(cè)量裝置直接測(cè)量放卷軸的直徑，能方便直接的得到放卷軸的直徑，但是本系統(tǒng)中放卷軸如果采用此種方式會(huì)大大提高設(shè)備成本。綜合考慮性能和成本因素，本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速比計(jì)算放料卷直徑。在卷繞過程中可以通過編碼器測(cè)得卷繞線速度V，放料軸轉(zhuǎn)速度n由放料伺服編碼器反饋給主控制器，用公式D=V/(πn)即可實(shí)時(shí)計(jì)算放料卷直徑。采用最大最小值限幅和斜坡濾波函數(shù)來防止干擾信號(hào)導(dǎo)致卷徑計(jì)算不準(zhǔn)確。

3.2.2 轉(zhuǎn)矩預(yù)控

3.2.3 控制器參數(shù)適應(yīng)

隨著放料卷直徑的變化對(duì)張力和擺動(dòng)輥位置控制會(huì)帶來影響，為了補(bǔ)償卷徑變化造成的影響采用四點(diǎn)斜坡函數(shù)生成動(dòng)態(tài)控制器參數(shù)。

式中，DS為放料卷初始直徑;DE為放料卷最終直徑;Kp1為PID初始比例增益;Kp2為PID最終比例增益;X為料卷實(shí)際直徑。

3.2.4 張力錐度控制

卷制過程中隨著電容器元件直徑的增大相對(duì)于內(nèi)側(cè)材料的力矩變大，產(chǎn)生打滑收縮現(xiàn)象?？拷硇镜牡胤疆a(chǎn)生褶皺或端面突出，影響元件性能。在卷徑逐漸變大時(shí)逐漸減小卷繞張力，即采用錐度張力控制。卷取時(shí)的初始張力決定了卷取終了時(shí)的張力，其減少的程度叫錐度。張力錐度計(jì)算公式

式中，Tset為設(shè)定張力;Tt為設(shè)定張力錐度;Dmax為卷繞元件最大直徑。

3.2.5 放卷軸速度設(shè)定值計(jì)算

由前面放卷軸直徑計(jì)算可知當(dāng)前放料軸的直徑D，由主卷繞檢測(cè)編碼器可得到帶料實(shí)時(shí)速度V，根據(jù)公式n=V/(πD)即可得到放卷軸速度的計(jì)算設(shè)定值，本速度設(shè)定值即可使放卷軸大致和卷繞軸的速度相匹配，速度偏差通過PID調(diào)節(jié)器加以修正即可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的張力控制。

4 調(diào)試基本步驟

4.1 檢查硬件配置及參數(shù)調(diào)整

檢查SIMOTION中“軸”的配置，使用SIMOTION的“軸控制面板”對(duì)卷軸電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)試，保證卷軸電動(dòng)機(jī)正方向和設(shè)備定義一致，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和設(shè)定值一致，并進(jìn)行零漂補(bǔ)償和伺服響應(yīng)性參數(shù)調(diào)整。

4.2 帶料實(shí)際調(diào)試

卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)將擺動(dòng)輥拉到設(shè)定位置，以一個(gè)較低的速度啟動(dòng)主牽引，放料軸調(diào)節(jié)速度應(yīng)能使擺動(dòng)輥維持在設(shè)定位置，逐漸提高主牽引速度，改變PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分時(shí)間，在滿足系統(tǒng)加減速運(yùn)行和正常運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和穩(wěn)定性中找到一個(gè)參數(shù)的折中點(diǎn)，這些參數(shù)的調(diào)整一般基于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)束語

(1)實(shí)踐證明，采用西門子公司的 SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器及伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了帶速度設(shè)定點(diǎn)和PID修正的擺動(dòng)輥位置閉環(huán)張力控制，滿足了卷繞主軸在加減速過程和勻速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的高響應(yīng)性和穩(wěn)定性，使電容器卷制機(jī)達(dá)到張力響應(yīng)速度快、波動(dòng)小和穩(wěn)定性高等要求。

(2)在設(shè)計(jì)過程中，本文還綜合考慮了系統(tǒng)的性能需求和經(jīng)濟(jì)成本，利用現(xiàn)有的市場(chǎng)資源盡量使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，方便維修調(diào)試。

［1］陶永華.編新型PID控制及其應(yīng)用(2版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］周云端.專用纏繞機(jī)的開發(fā)與張力控制系統(tǒng)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］肖寶平，單越康.一種實(shí)用恒張力控制系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17(4):277－280.

［4］王春香，王永章，路華，等.精密張力控制系統(tǒng)及其控制精度的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2000，21(4):407－408.

［5］康家玉，米林安，高承雍.復(fù)卷機(jī)退卷張力控制的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)造紙，2004(6):35－38.