PVC皮革印刷壓花中的恒張力控制研究

胡婭楠，麥云飛，宋煜霄，蘇文靜

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

PVC皮革印刷壓花中的恒張力控制研究

胡婭楠，麥云飛，宋煜霄，蘇文靜

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)PVC皮革印刷壓花過(guò)程中工藝復(fù)雜，張力波動(dòng)大，干擾因素多等問(wèn)題，通過(guò)電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)獲得了不同類型PVC皮革的拉伸變形曲線，得到了PVC皮革生產(chǎn)中恒張力的控制依據(jù)；并在此基礎(chǔ)上建立了PVC皮革印刷壓花控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真；運(yùn)用Z-N法整定PID參數(shù)，得到一個(gè)較為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，基于PVC皮革印刷壓花中恒張力控制范圍依據(jù)，文中提出了一種恒張力的控制策略，使最終得到的控制系統(tǒng)各方面性能都有所提高，優(yōu)化改善了PVC皮革印刷壓花線的生產(chǎn)工藝。

PVC皮革；應(yīng)力應(yīng)變；PID；Z-N法；恒張力控制

PVC皮革具有高彈性、高強(qiáng)度、高耐磨性和高屈撓性等優(yōu)良機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾材料，主要有：汽車座椅表皮、儀表板、汽車頂棚等[1]。PVC皮革在印刷壓花的過(guò)程中常常由于多輪系傳動(dòng)不同步，而導(dǎo)致生產(chǎn)線張力不穩(wěn)定，如果不對(duì)張力進(jìn)行嚴(yán)格控制，將直接影響PVC皮革印刷壓花的產(chǎn)品質(zhì)量，比如：花紋失真、門幅變窄、褶皺、走料不穩(wěn)、跳動(dòng)等問(wèn)題[2-3]。PVC印刷壓花生產(chǎn)線屬于大型的傳動(dòng)設(shè)備，工程上通常采用間接的張力控制原理，即開(kāi)環(huán)擾動(dòng)的系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際張力與設(shè)定值之間的偏差來(lái)調(diào)節(jié)[4-6]，此種方法控制精度低，且PVC皮革在印刷壓花過(guò)程中，各個(gè)傳動(dòng)輪不同步，卷徑、速度、力矩隨時(shí)都在變化，實(shí)際生產(chǎn)中企業(yè)又苦于沒(méi)有精確的最佳恒定張力依據(jù)，很難實(shí)現(xiàn)張力的恒定。

本文通過(guò)電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)獲得了皮革的拉伸變形曲線，獲得了皮革的彈性階段區(qū)域，為確定最佳恒定張力提供了依據(jù)；接下來(lái)在此基礎(chǔ)上建立了張力控制機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用PID控制來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并引入了Z-N法來(lái)整定PID參數(shù)，得到了一個(gè)較為穩(wěn)定的張力控制系統(tǒng)。

1 不同種類PVC皮革拉伸變形試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

PVC皮革的密度約為0.65 g/cm3。以1.15 mm厚的PVC皮革膜材為例, 其質(zhì)量約813 g/m2。本拉伸實(shí)驗(yàn)采用某公司6種不同類型PVC皮革，厚度在1.1～1.3 mm之間，平均密度大致為0.66 g/cm3，試驗(yàn)機(jī)為某公司提供的GOTECH AI-7000S電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，溫度為常溫，拉伸性能按GB/T 13022-91測(cè)試，有效拉伸距離為40 mm，夾具中心距為90 mm，拉伸速度為5 mm/min，預(yù)載荷為0.2 N，每次拉伸完成后夾具均回到原位置，每種PVC皮革拉伸3個(gè)試樣求平均值，最后利用Matlab制出試樣的拉伸變形曲線，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從多個(gè)不同種類試樣的拉伸結(jié)果來(lái)看，雖然不同種類的試樣彈性模量和強(qiáng)度極限不同，但基本規(guī)律是相同的，即均要經(jīng)歷上述4個(gè)階段。路華等[7-8]提到，山羊藍(lán)濕革在拉伸過(guò)程中也表現(xiàn)出了相似的特性，但PVC皮革沒(méi)有明顯的屈服階段。以A類PVC皮革為例，在整個(gè)拉伸過(guò)程中，o-a段拉力與位移表現(xiàn)為線性關(guān)系，根據(jù)彈性材料等方面知識(shí)，這一階段為彈性形變區(qū)域，其拉伸變形曲線滿足虎克定律；a-b段彈性變形和塑性變形同時(shí)發(fā)生，此時(shí)彈性變形仍然占據(jù)主導(dǎo)，但因?yàn)樗苄宰冃螘?huì)使試樣發(fā)生硬化，因此試樣的彈性模量會(huì)變大，導(dǎo)致曲線斜率不斷變大；b-c段也是同時(shí)發(fā)生了彈性和塑性變形，但此時(shí)受力較大，塑性變形占據(jù)了主導(dǎo)，斜率不斷變小，直至斷裂。經(jīng)分析，o-a段，材料變形屬于彈性變形，試樣拉伸后仍可回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，而當(dāng)拉力超過(guò)a點(diǎn)的拉力以后，材料將發(fā)生塑性變形，試樣將不可回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)避免張力超出彈性形變區(qū)域。

圖1 不同類型PVC皮革的力-伸長(zhǎng)率曲線圖

由此可知，若想在實(shí)際生產(chǎn)中使PVC皮革不出現(xiàn)永久變形，控制系統(tǒng)需要將其受力控制在彈性階段，以保證其變形線性可控。此外，根據(jù)上述的拉伸變形曲線，只需要知道皮革的變形伸長(zhǎng)量便可知道皮革的張力控制值。由于不同種類的試樣配方，厚度，硬度會(huì)有差異，因此它們的彈性階段也不近相同，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)皮革的類型來(lái)設(shè)定不同的最佳張力值。

基于以上原因，單靠人工在生產(chǎn)中調(diào)節(jié)是不夠的，需要一個(gè)完整的控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行全局控制，因此恒張力控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

2 恒張力控制系統(tǒng)模型

2.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由于實(shí)際生產(chǎn)所用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，對(duì)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[9]，得到如圖2的控制系統(tǒng)模型。

圖2 恒張力控制系統(tǒng)模型

其中，上位機(jī)將設(shè)定好的張力參數(shù)傳輸給DSP控制器，然后由DSP控制器向驅(qū)動(dòng)器傳輸命令控制電機(jī)，由電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使其達(dá)到預(yù)定的角速度，同時(shí)使?jié)L輪上的皮革具有預(yù)定的張力。

本控制系統(tǒng)使用的聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，可得到聯(lián)軸器的傳遞函數(shù)為

(1)

式中，J1和J2分別是聯(lián)軸器兩端的等效慣量(N·m·s2)；γ為粘滯阻力系數(shù)(N·m·s/rad)；c為聯(lián)軸器的剛度(N·m/rad)；Jp=J1J2/(J1+J2)；f2=c/Jp；2n=γ/Jp。

本控制系統(tǒng)使用的電機(jī)為西門子伺服永磁同步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，載荷大，適用于高動(dòng)態(tài)、高精度的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。該永磁同步電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的微分方程經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)及拉氏變換可以得到電機(jī)輸入Vin(s)到輸出角速度信號(hào)Wr(s)的傳遞函數(shù)[10]

(2)

將聯(lián)軸器組合起來(lái)，可得從給定輸入信號(hào)Vin(s)到聯(lián)軸器轉(zhuǎn)角輸出Θ(s)的傳遞函數(shù)

(3)

其中，L為交、直軸電感；Pif為電流反饋系數(shù)；PV為比例系數(shù)；Pf為加載電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Ps為逆變驅(qū)動(dòng)電路等效比例系數(shù)；J為加載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；PT為力矩系數(shù)；r為定子相電阻；Pip為電流增益；R=r+PipPsPif為等效電阻；D為摩擦系數(shù)；Vin為輸入信號(hào)；T為被測(cè)對(duì)象施加的阻力矩；Pvb為速度反饋系數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)具體數(shù)值如表1所示。最終可得如圖3的系統(tǒng)模型。

圖3 恒張力控制系統(tǒng)框圖

2.2 控制系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink中搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真，可得到系統(tǒng)的Bode圖，如圖4所示。

圖4 恒張力控制系統(tǒng)Bode圖

由仿真得到的Bode圖可知，此時(shí)的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

表1 系統(tǒng)各參數(shù)

3 基于Z-N法的PID控制研究

由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此引入PID控制模塊來(lái)改善系統(tǒng)的性能，PID控制的功能由DSP控制器實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 引入PID控制的恒張力控制系統(tǒng)模型

其中，Ppb為位置反饋系數(shù)。

由于PID參數(shù)難以整定，因此采用文獻(xiàn)[12]中的Ziegler-Nichols(Z-N)法來(lái)整定PID參數(shù)。根據(jù)Z-N法的原理，得到本文模型臨界比例系數(shù)Kpcrit=0.8，臨界振蕩周期Tcript=0.013 s。臨界振蕩周期如圖6所示。

圖6 臨界震蕩周期

所以根據(jù)Z-N法的原理可得：Kp=0.48，Ki=73.85，Kd=0.000 75。將調(diào)好的參數(shù)輸入系統(tǒng)，再進(jìn)行仿真，可以得到系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7 恒張力控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

由圖可知，Z-N法得出的PID參數(shù)調(diào)節(jié)出的系統(tǒng)已經(jīng)變得穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

在高質(zhì)量要求的環(huán)境下，皮革張力控制已成為一個(gè)重要的研究課題，本文采用的試驗(yàn)方法和仿真方法較為完整且穩(wěn)定，獲得了印刷壓花控制系統(tǒng)張力控制依據(jù)，還針對(duì)傳統(tǒng)控制方法存在的問(wèn)題，將Z-N法運(yùn)用到了PID參數(shù)整定中[13-16]。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，恒張力控制系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小、魯棒性高，為實(shí)際生產(chǎn)中的張力控制問(wèn)題提供了一種較好的思路和方法。

[1] 郭景毅,趙息,馮見(jiàn)艷,等.人工皮革在汽車內(nèi)飾材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].西部皮革,2007,29(8):7-10.

[2] 胡亞偉,熊紅云,許建中.凹印機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2012, 16(2):647-648.

[3] 葉繼英,沈曉群,姚齊國(guó),等.卷繞系統(tǒng)中收放卷張力控制方法研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015(1):120-122.

[4] 龔金龍.全自動(dòng)恒張力控制系統(tǒng)的研制[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[5] 郭應(yīng)鋒.印刷機(jī)系統(tǒng)恒張力控制的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2004.

[6] Lee C W,Shin K H.A study on taper-tension control considering telescoping in the winding system[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(2):687-693.

[7] 路華,馬建中.皮革彈性的分析及表征[J].中國(guó)皮革,2008(3):48-52.

[8] 路華,馬建中.不同丙烯酸類聚合物鞣劑復(fù)鞣革樣的彈性比較[J].中國(guó)皮革,2007(21):13-19.

[9] 賀作慧,韋文斌.織機(jī)經(jīng)紗張力控制器設(shè)計(jì)[J].電子科技,2012,25(1):23-26.

[10] 陳永紅,王基,朱從喬.回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中彈性聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)性能分析與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2006(2):21-22.

[11] 劉明基.永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及應(yīng)用的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

[12] 陳永慶.基于Z-N算法的PID爐溫控制[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,29(2):50-53.

[13] Spring L,Holtz J.High-bandwidth current control for torque-ripper compensation in PM synchronous machines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1998,45(5):713-720.

[14] 周陽(yáng),周美嬌,殷弋.直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PID參數(shù)整定[J].電子科技,2016,29(5):153-157.

[15] Chen Y W,Hui J. Research on tension control for coating line of optical films in dynamic process[C].Shenyang:International Symposium on Distributed Computing Systems, 2015.

[16] 王儀明,蔡吉飛,趙吉斌.高速膠印機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程,2007,18(10):1255-1259.

Research on Constant Tension Control During the Printing and Embossing Process of PVC Leather

HU Yanan, MAI Yunfei, SONG Yuxiao, SU Wenjing

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The printing and embossing process of PVC leather is complex and not stable enough because of the large tension fluctuation and many disturbing factors during printing. Firstly, the tensile-elongation curves of different types of PVC leather were obtained by Electro-Mechanical Universal Testing Machine, which provided the basis of constant tension of control system. Based on the basis, the mathematical model of the control system of printing embossed was established and simulated. Then, the Z-N method was used to tune the PID parameters, and a more stable control system was obtained in the end. The results showed that, based on the basis of constant tension, the control strategy of constant tension was put forward and the performance of the control system was improved, which has optimized the process of PVC printing and embossing line.

PVC leather; stress-strain; PID; Z-N method; constant tension control

2016- 11- 23

胡婭楠(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：機(jī)械工程。麥云飛(1962-)，男，教授。研究方向：機(jī)電一體化設(shè)備等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.032

TP302

A

1007-7820(2017)12-122-04