第１期 叶继英，等：卷绕系统中收放卷张力控制方法研究 １２１ 电力控制设备．变频调速电气传动调速范围大，静 态稳定性好，运行效率高，是一种理想的调速系 统 ．下面就以使用变频器为例予以说明，如图２ 所示： 其摄氏温度和输出电压成线性关系．假设超声波从 信号发射到接收的时间差为Ａｔ，发射点距离障碍 物的距离定为Ｓ１，则 Ｓｌ＝ （１） 超声波发射点到卷径中心的距离为Ｊｓ，Ｉｓ恒定 不变，则料卷的卷轴直径Ｄ： Ｄ＝２（Ｓ—Ｉｓ１） 图２应用传感器张力径制系统框图 （２） 超声波测距示意图如图４所示： 张力传感器把检测到的张力转换为标准信号 ＰＶ（Ｏ一５Ｖ）送入ＰＬＣ，ＰＬＣ（三菱的ＦＸ系列为例） 的ＰＩＤ控制指令如图３所示． Ｉ Ｘ０００ １ ０ Ｈ卜一【ＰＩＤ ＤＯ Ｄ１ Ｄ１００ Ｄ１５ｏ ｒＩ 图３ ＰＩＤ指令应用 设定值ＳＶ存放在ＤＯ，当前值ＰＶ存放在Ｄ１，比 较后得到误差信号ｅ＝ＳＶ—ＰＶ．数据位ＤＩＯ０一 Ｄ１２４定义参数，包括采样周期、比例增益ＫＰ、积分 时间”、微分增益ＫＤ等．当ｅ＞０时，ＰＶ偏小（张力 偏小），ＰＩＤ输出 增大，变频器变频后的ｕ， ， 三端输出到电机，促使电机的转速升高；当ｅ＜０ 时，ＰＶ偏大（张力偏大），ＰＩＤ输出 减小，变频器 变频后输出到电机，促使电机的转速降低，整个调 节过程一直持续到ＰＶ＝ＳＶ． ２．２超声波测距张力控制系统 在卷绕系统中，物料的卷径一直在变化，如果 电机采用恒速旋转，势必会引起料带的放松或拉 紧，也就是张力失去了平衡．因此，可以采用超声波 测距的方法检测卷径Ｄ，再根据料带线速度 与电 机转速ｎ的关系得到转速ｎ并可求出频率 最终信 号送入放卷驱动或收卷驱动电路 超声波测距原理是指超声波在测距之前，发射 器先向某个方向发射出一串具有一定频率的检测 信号，一般是８个周期为１０ｕｓ的方波，当检测信号 在前方碰到障碍物就返回到超声波传感器，此时判 断前方有物体，超声波再发出一个高电平，一直持 续到信号返回并跳变为低电平．因此，超声波是从 信号向外发射的同时开始计时，直到超声波接收器 接收到返回信号时停止计时，所测到的时间以高电 平的形式发送给控制器 Ｊ．超声波的速度不是恒 定不变的，它随着温度的升高而升高，常温下超声 波的速度为３３４ 秒．精度要求高的系统需要采 用温度补偿单元，温度传感器可以参考选用ＬＭ３５， 图４超声波测距不惹图 选择ＨＣ—ＳＲ０４超声波测距模块，具有２— ４００ｅａｒ的非接触式距离感测功能，测距精度可达到 ３ｍｍ，模块包括超声波发射器、接收器和控制电路， 测试距离＝（高电平时间 声速）／２．超声波测距 模块如图５所示： Ｉ 萋 图５ ＨＳ—ＳＲＩＭ超声波测距模块 单片机或者ＰＬＣ根据接收到的回响信号，提 取出高电平时间Ａｔ，计算出测试距离｜ｓ 并得到卷 轴直径Ｄ．卷绕系统中料带测得的线速度为 ，根据 Ｖ＝７ｒＤｎ／６０公式计算出电机所需的转速 ．由此可 知，保持放卷速度与收卷速度一致，只需把电机转 速１７，转化为频率，，并把此信号传送给放卷驱动和 收卷驱动单元． 当然，超声波测距的性能与被测物体的表面材 料相关，假设在布料的卷放系统中使用，因布料对 超声波的反射率非常小，会严重影响测量结果，致 使张力无法保持平衡． ２．３两个伺服电动机控制张力系统 采用两个伺服电动机分别控制放卷和收卷．伺 服电机也叫执行电动机，控制机械器件运转，在自 动控制系统中用作执行机构，可以控制转速，它把 接收到的标准电压信号转换为电机轴上的角速度 或角位移输出以驱动控制对象．伺服电机的主要特 点是转速随着转矩的增加而匀速下降，信号电压为 零时无自转现象出现．伺服电动机进行张力控制 时，可以不使用张力传感器，只需获取电动机的转 １２２ 佳木斯大学学报（自然科学版） ２０１５生 速／／，．假设在电动机和负载辊之间连接一个减速比 为ｍ的减速电机，料带的线速度ｙ，伺服电动机转 速为ｎ，料卷的直径设为Ｄ，则可得出如下关系式： 性好、响应快以及检测范围宽，但是不能吸收张力 峰值，当系统受到较强干扰时反应滞后，料带上的 张力幅值波动增大，延缓系统重新进入平衡．伺服 电机根据脉冲频率变化产生相应的动作变化，其响 应特性和抗过载能力高于变频器驱动的交流电机， 精度相对要高．变频控制的精度虽然低些，但从成 本考虑适用于大功率控制系统． 参考文献： ＝ 调整关系式可得： Ｄ：６０Ｖ—（３） —ｍ （４） ｒｔ＇ＩＴ 根据张力Ｆ与转矩 的关系可得： Ｔ：Ｆ ｏ＿ ：３０ＦＶｍ ——（５） ［１］喻宏斌．纸厂收卷放卷张力的控制［Ｊ］．自动化仪表，１９９８，１９ （４）：１７－２０． 在恒张力控制中，也就是Ｆ保持不变，料带的 ［２］徐立萍，王娣．卷绕系统中收放卷的张力控制方法［Ｊ］．设备 电器，２０１１，２１（１）：４５—４８． 线速度 给定，测出转速ｎ后就可推算出力矩 当 伺服电机接收１个脉冲，就会旋转１个脉冲对应的 角度（步角距），因此控制输入脉冲的频率就可改 变伺服电动机的转速ｎ，当纸卷的直径发生变化可 保持张力Ｆ恒定． ［３］姚福来，孙鹤旭，杨鹏．变频器、ＰＬＣ及组态软件实用技术速 成教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０：１—５５． ［４］ 李强．张力控制变频收卷的控制原理及在纺织行业的应用 ［Ｊ］．变频技术应用，２００７，１９（４）：１０６—１０９． ［５］孙绿洲，刘兴苗．超声波测距传感器在收放卷机构中的应用 ［Ｊ］．纺织机械，２０１０，２７（３）：４１－４２． ３ 结论 ［６］罗索枫．智能教学机器人避障系统的研究［Ｊ］．科学咨询， ２０１２，１３（１９）：７１—７２． 三种方法各有优缺点．张力传感器的优点是线 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｗｉｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＹＥ 一 ｎｇ，ＳＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｑｕｎ，ＹＡＯ Ｑｉ—ｇｕｏ，ＸＩＯＮＧ Ｄｉａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＮａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｓｈａｎ ３１６０００，Ｃｈｌｎｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｒｅｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｏｌｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ：ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ，ｕｌｒｔａｓｏｎｉｃ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｕｎｒｅｅｌｉｎｇ ｓｔｒｉｐ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ａｄ－ ｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｅ ｔｔｈｒｅｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｅｎｓｉｏｎ；ｒｏｌｌｉｎｇ；ｕｎｒｅｅｌｉｎｇ；ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｌｒａｓｏｎｉｔｃ；ｓｅｉＴｏ ｍｏｔｏｒ （上接１１９页） Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂｅｎｄ Ｔｕｂｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄ Ｐｏｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｍｏｌｄｆｌｏｗ ＬＩＮ Ｑ眦 （ＣｏＨｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｙｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｙｉｓｈａｎ ３５４３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｉｔｏｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ ｉｎｖｏｌｖｅｓ ｌｏｗ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｉ ｇｈ ｃｏｓｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉ・ ｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｏｌｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｌｄ ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｍｏｌｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｌｆｏｗ ｗｉｈ Ｍｏｌｔｄｆｌｏｗ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍｏｌｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍａｎｙ ｔｉｍｅｓ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｍｏｌｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｒｅａ－ ｓｏｎａｂｌｅ ｐｏｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＷＳＳ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ；ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；Ｍｏｌｄｆｌｏｗ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ