CN101804929A - 一种变频式电缆、软管状物品卷筒 - Google Patents

Abstract

一种变频式电缆、软管状物品卷筒，用于将连接两个相对移动的物体之间的电缆、软管状物品放置平顺，并保持一个合适的松紧状态。变频器使用转速控制(或频率控制)，极难做到卷筒对电缆、软管状物品保持一个合适的张力。本发明中对变频器采用有转速反馈的转矩控制或转矩PID控制来控制卷筒的转矩。为了配合卷筒卷放直径的变化或管、线状物品放出长度的变化，可以根据卷筒的旋转位置反馈，由控制单元自动调整卷筒的转矩，对管、线状物品的张力进行前馈控制。并且还可以使用张力反馈控制。为了防止干扰或改善检测元件的安装环境，还可以使用自整角机对来实现旋转轴与检测元件的连接。

Description

一种变频式电缆、软管状物品卷筒

技术领域

在工业或其他行业，常需要在两个相对移动的物体之间用电缆传输电力和电气信号，用软管来输送液体或气体，用光缆来传送光信号，等等。

本说明书中提及的电缆、软管状物品卷筒，是卷放上述的电缆、软管或其他类似的物品的一种设备，用于将连接两个相对移动的物体之间的电缆、软管状物品保持平顺和合适的松紧状态，防止产生死结拉断、倒入车辆轨道碾断等事故的发生。该设备其中一个部件为圆筒状或圆盘状(也可以是多边型)的物体。为对设备本体和部件有所区分，本说明书以后将前者称为卷筒设备，后者称为卷筒，盘状卷筒也称为卷盘。

卷筒由驱动装置驱动，可根据两个相对移动的物体之间的距离变化相应的卷收或者放出电缆、软管状物品。圆筒状的卷筒比较宽，电缆、软管状物品沿卷筒并排卷绕，绕满一层就在已卷绕的电缆、软管状物品上继续卷绕，每层可以卷绕多圈。这种卷筒的卷绕半径变化不大。圆盘状的卷筒很窄，每层只可以卷绕一圈。这种卷筒也叫卷盘，其卷绕半径变化很大。

电缆、软管状物品可以经过一个导向装置从卷筒上引入或引出，该导向装置通常称为导缆架(或软管导向架等)。导向装置不是必须的。

卷筒设备如果设计用来卷放电缆，则称为电缆卷筒，如图1。卷筒转轴伸入滑环箱，上面安装滑环。碳刷则固定在滑环箱上，与滑环接触，完成电气的旋转连接。

图2则为一种用于卷放输送液体、气体的软管的卷筒设备，卷筒转轴上装有管道旋转接头。完成管路的旋转连接。同样，对于光缆卷筒，则在卷筒轴心处装有光纤旋转接头。

卷筒设备的使用相当广泛，大到如钢铁厂龙门吊、各种台车的供电、信号传输，吹氩管、压缩空气管的卷放，矿山堆取料机的供电、信号传输，造船厂门座机吊车、龙门吊的供电，码头的装、卸船机的供电。小到电磁铁的供电、机械厂运货台车的供电、医院CT机旋转扫描头的信号传输等等。

各种用途的卷筒设备尽管所卷放的物体不同，有电缆、软管、光缆等，但其结构是基本上相同的，都有卷筒和驱动机构。其驱动控制原理一般不因卷放的物体而异。其使用目的都是为了保持所放出的电缆、软管状物品的整齐，防止不应有的损伤。

背景技术

卷筒设备有各种驱动方式，一般就用驱动方式来分类。卷筒设备从最初的弹簧式开始，历经过摩擦式、重锤式、力矩马达式、磁滞耦合器式等多种驱动方式。

一般的卷筒设备都只有很简单的转矩调节方法，并且除了力矩马达式卷筒设备之外，多只能通过机械方式调整。至于调整特性曲线的形状，绝大多数是无法做到的。

对于具有盘状卷筒的卷筒设备(下称卷盘设备)，为了向地面水平铺放的电缆、软管状物品提供一个恒定的张力，需要随卷盘卷取直径的增加而增加输出转矩的特性曲线。变频式以外类型的卷盘设备一般不易做到。当将输出转矩调整到能保证卷收电缆、软管状物品时，在放出时电缆、软管状物品的最大静态张力将比合适的张力大数倍。再考虑到传动效率η的原因，放出时电缆、软管状物品的张力还将增加到前述的情况的η^-2倍。

以上所述的还是静态的情况，动态情况下，电缆、软管状物品所受的冲击张力还将比静态情况下增加数倍。

由于以上原因，许多卷筒设备在放出时电缆、软管状物品绷得很紧，并且经常受到起动时、振荡时的动态冲击。

变频式卷筒设备利用变频器提供一个频率、电压都是可控的电源来驱动马达，给卷筒提供动力。变频器则受控制单元来的信号的控制。通过控制单元可以方便地对马达进行转速控制或转矩控制。

一般情况下，使用变频器来驱动马达，使用的都是转速控制(或频率控制)。尽管可以通过指令方便地改变变频器驱动的马达的转速，但卷筒所需的转速并不容易设置正确，因为两个相对移动的物体的运动情况一般是不知的。多数情况下，发给卷筒设备的信号只有运行指令。卷筒设备必须在没有运行信号时保持停止待机状态，在有运行信号时不论移动物体的移动方向、速度如何，卷筒的卷绕半径变化如何，始终同步跟踪移动物体的运动，作出收绕或放出转动。并保持电缆、软管状物品有一个合适的张力。

张力与电缆、软管状物品的松弛度有极大的关系，一般情况下，电缆、软管状物品只要多收紧0.1米，就可以使电缆、软管状物品中的张力成倍增加甚至增加数倍。因此用转速控制或频率控制来使卷筒同步跟踪移动物体的运动，极难做到卷筒对电缆、软管状物品保持一个恒定的张力。

发明内容

本发明利用变频技术来控制驱动卷筒设备，为了取得良好的转矩特性，在变频器使用了转矩控制方式或转矩PID控制。

变频器在转矩控制方式时，马达的转速并不受操作指令的直接控制。送入变频器的操作指令是转矩指令。根据转矩＝半径×张力的公式，要控制卷筒对管、线状物品的张力，只要控制其转矩即可以实现。如果电缆、软管状物品中的张力是合适的，则其必然有一个合适的松紧状态。能保持这个合适的松紧状态，则卷盘的运动与移动物体的运动必然是同步配合的，这就自动实现了同步的要求。

如果变频器不使用转矩控制方式，也可以使用转矩PID控制。在这种控制方式下，给控制单元一个转矩指令，控制单元根据转矩指令和反馈的转矩信号根据预先设定的PID参数进行运算，控制变频器的频率输出，同样也可使卷盘提供一个合适的转矩给电缆、软管状物品。控制单元可以由电子线路构成，但如果利用PLC、计算机等可编程的智能型控制装置，则可进一步取得良好的效果。

为了更好地进行转矩控制，本发明对变频器采用的转矩控制方式为有转速反馈的转矩控制。有时也称有编码器反馈的转矩控制或有PG反馈的转矩控制。一般的做法是用转速检测器件来进行转速反馈。

根据反馈控制的原理，转速检测器件可以使用任何能够有效检测转速的器件，并装设在任何可以检测马达转速的位置。但事实上，由于转速反馈控制往往由变频器来承担，而多数变频器能接受的转速反馈信号是增量式旋转编码器的信号，故多采用在马达转轴上装设增量式旋转编码器。

对于转矩PID控制方式，一般由控制单元实现转矩PID控制，此时转速反馈信号被送至控制单元。但有的变频器也具有PID控制功能，则转矩PID控制也可由变频器来实现。

为了使卷盘的卷绕半径发生变化时也能对管、线状物品提供一个合适的张力，应该根据卷盘的卷绕半径变化来调整转矩的大小，为此可以设法使用检测器件来获知卷盘的卷绕半径。要直接检测卷绕半径是比较困难的，但可以通过检测卷盘相对于基准位置旋转的圈数即卷筒的旋转位置来算出卷绕半径。也就是说，可以通过卷盘旋转位置反馈，对卷盘的转矩进行控制。

对于电缆、软管状物品是垂直悬挂的卷筒，由于卷筒所需的力与所放出电缆、软管状物品的长度成正比，即使使用卷绕直径变化不大的圆筒式卷筒，卷筒所需提供的合适转矩也与卷筒的旋转位置(旋转的圈数)有很大的关系。对这种使用方式的电缆卷筒同样可以使用卷筒位置反馈来对卷筒的转矩进行控制。

控制单元根据卷筒位置反馈值算出卷筒卷绕直径或电缆、软管状物品放出长度，输出相应的转矩控制信号给变频器，控制卷筒的转矩，从而对管、线状物品的张力进行前馈控制。

卷筒旋转位置检测器件可以使用任何能够有效检测卷筒旋转位置的器件，如电位器、旋转变压器、自整角机等，并装设在任何可以检测卷筒旋转位置的地方。但事实上，多采用绝对式旋转编码器直接或通过一个小减速器安装在卷筒轴上，也可以使用带增量信号的多圈绝对式旋转编码器安装在马达轴上，同时承担转速反馈和卷筒旋转位置反馈。

转矩控制虽然能通过控制卷筒的转矩来控制卷筒对电缆、软管状物品的张力，但这种控制对于张力来说，是属于一种前馈控制。当卷筒在起动、停止时，或移动设备在起动、停止、变速时，电缆、软管状物品在短暂卡住时，仍然会使电缆、软管状物品中的张力发生较大的变化。

为了进一步做到对电缆、软管状物品的精确张力控制，提高卷筒的动态性能，还可以使用张力检测器件，通过张力检测器件将管、线状物品所受的张力反馈回控制单元或具有PID功能的变频器，实现张力反馈控制。

根据反馈控制的原理，张力检测器件可以使用任何能够有效检测电缆、软管状物品的松紧的器件，如自整角机、旋转变压器、电位器等，并装设在任何方便的地方。

张力的检测可以通过检测电缆的松紧引起的在导向架上的位置变化来实现。具体方法是在导向架上安装一个摆动杆或滑动杆，杆的一端安装两个滑轮，电缆、软管状物品从两个滑轮中间穿过，并在滑轮的前后形成一个弯曲。电缆、软管状物品放松时，其形状较为弯曲；收紧时，则其形状趋于拉直。这样，电缆的松紧将引起两个滑轮的移动。而摆动杆的一端为转轴，滑轮的移动将带动安装在转轴上的角度检测器件转动，其信号代表了电缆、软管状物品张力的变化。如果是滑动杆，则滑动杆的另一头安装位置检测器件，其信号同样代表了电缆、软管状物品张力的变化。

变频式卷筒设备由于使用变频装置，其使用的检测元件常易受变频装置的干扰。有时现场情况复杂，检测元件也易受外来干扰源的干扰。为了防止干扰或改善检测元件的安装环境，可以使用自整角机对来实现旋转轴与检测元件的连接。具体做法是将原来需要安装在旋转轴(马达轴、卷盘轴或其他轴)上的检测元件改为自整角机发信机，通过电气线路将自整角机发信机与自整角机收信机连接，而由自整角机收信机驱动检测元件。

本发明中使用的控制单元，可以由电子线路构成，也可以使用PLC等智能控制器件。如不使用卷筒位置检测器件和张力检测器件，则控制单元可以比较简单，可以使用电子线路构成。如使用卷筒位置检测器件，则控制单元使用PLC的智能控制器件往往可以取得较好的控制效果。

附图说明

图1a是一种变频式电缆卷盘的结构。图1b是它的控制信号流向。

图中1是卷盘，2是自整角发信机，3是驱动马达，4是减速机，5是卷筒转轴，6是碳刷，7是滑环。8是滑环箱，9是电缆，10是导缆架，11是张力检测器件。

21是控制单元，22是变频器，23是自整角收信机，24是带增量信号的绝对式编码器。

31是控制信号，32是变频驱动电压，33是自整角信号，34是联接轴，35是卷盘转动位置信号，36是转速信号。

图2a为一种用于卷放输送液体、气体的软管的卷筒的结构。图2b是它的控制信号流向。

图中1是卷筒，3是驱动马达，4是减速机，5是卷筒转轴，9是软管，10是导向架，11是电缆张力检测器件，12是传动链条，13是绝对式编码器减速机，14是绝对式编码器，15是管道旋转接头。

21是控制单元，22是变频器。31是控制信号，32是变频驱动电压，35是卷盘转动位置信号，37是张力反馈信号。

具体实施方式

图1是一个电缆卷盘的实施方案，图1a中3和4构成驱动机构，驱动卷盘转轴5。转轴的一头安装卷盘1，电缆9穿过导缆架10卷绕在其上。导缆架上还装设了张力检测器件11，转轴的另一头伸入滑环箱8，上面安装滑环7。碳刷6固定在滑环箱上，与滑环接触，完成电气的旋转连接。

在该实施方案中，由于控制要求较高，控制单元21采用小型PLC，它发出运转指令及转矩给定信号31给变频器22。为了防止检测元件受变频装置的干扰，使用了自整角机对来实现旋转轴与检测元件的连接。具体做法是在马达轴上安装自整角机发信机2，通过电气线路将自整角机发信机与自整角机收信机23连接，而由自整角机收信机驱动转速及卷筒旋转位置检测器件24。转速及卷筒旋转位置检测器件采用带增量信号的绝对式旋转编码器。其增量信号36作为转速反馈信号送入变频器22，其绝对式编码信号35作为卷筒旋转位置信号送入控制单元21。

为了实施本说明书的前面所述的张力反馈，在导缆架上装设了摆动杆，电缆张力大时，摆动杆向边上摆动，张力小时则向中间摆动，从而带动安装在转轴上的绝对式旋转编码器11旋转，其信号37作为张力反馈信号送入控制单元。作为张力检测器件。张力的检测通过检测电缆的松紧引起的在导向架上的位置变化来实现。张力检测器件采用绝对式编码器。

图2是一个软管卷筒的实施方案，图中1是卷筒，3是驱动马达，4是减速机，5是卷筒转轴。9是软管，10是导向架，导向架上装设了摆动杆，其转轴上装设张力检测器件电位器11。12是传动链条，13是绝对式编码器减速机，14是绝对式编码器，15是管道旋转接头。3、4和12构成驱动机构，驱动卷筒转轴5。转轴上安装卷筒1，转轴上还装有管道旋转接头13，完成管路的旋转连接。

该实施方案使用PID控制方式，PID控制由变频器22来实现。卷筒旋转位置检测采用绝对式旋转编码器14，由卷筒转轴5通过一个小减速机13带动。其信号35送入控制单元21。由于控制较实施方案1简单，控制单元采用专门设计的电子线路构成。控制单元发出运转指令及转矩给定信号31给变频器22。摆动杆转动电位器11引起的变化信号37作为张力反馈信号送入变频器。

Claims (6)

1.一种变频式电缆、软管状物品卷放设备，用于将连接两个相对移动的装置之间的电缆、软管状物品保持一个合适的松紧状态。它具有一个卷筒，可随两个相对移动的装置之间的距离变化收起或者放出电缆、软管状物品。在卷筒的转轴上装有旋转连接装置，用以实现电缆、软管状物品旋转与不旋转的部分的连接，电缆、软管状物品可以经过一个导向装置从卷筒上引入或引出。其特征在于：使用转矩控制技术或PID技术用以使卷筒对电缆、软管状物品提供一个合适的张力。

2.根据权利要求1所述的变频式电缆、软管状物品卷筒，其特征还在于：使用转矩控制技术的卷筒由受变频器控制的马达驱动，该变频器则受控制单元的控制。控制单元可以由专门为其设计的电子电路构成，也可以使用PLC或智能继电器等智能控制器件。转矩控制技术通过选择变频器为“转矩控制”方式实现，也可以通过控制单元或变频器进行转矩PID控制来实现。在对变频器进行转矩控制时，在马达转轴或传动机构的其他转轴上安装增量型编码器用以进行转速反馈。

3.根据权利要求1所述的变频式电缆、软管状物品卷筒，其特征还在于：在卷筒的电气控制部分，可以使用张力前馈控制技术。在卷筒的传动机构上使用检测元件进行卷筒旋转位置检测。检测器件可以使用电位器、编码器等任何可以检测旋转位置变化的器件。通过检测卷筒旋转的圈数来计算卷绕直径或卷筒放出的电缆、软管状物品的长度。检测的卷筒旋转位置送入控制单元处理，由控制单元控制变频器的转矩给定来实现电缆、软管状物品的张力前馈控制。

4.根据权利要求1所述的变频式电缆、软管状物品卷筒，其特征还在于：在卷筒的电气控制部分，可以使用张力反馈控制技术。张力反馈由安装在电缆、软管状物品导向器或其他地方的检测器件来实现。检测器件检测张力引起的电缆、软管状物品的位置变化，将其送入控制单元或变频器进行处理。检测器件可以使用电位器、编码器或霍尔器件等任何可以检测位置变化的器件。

5.根据权利要求4所述的变频式电缆、软管状物品卷筒，其特征还在于：检测电缆的松紧引起的在导向架上的位置变化，可以在导向架上安装一个摆动杆或滑动杆，杆的一端安装两个滑轮，电缆、软管状物品从两个滑轮中间穿过，并在滑轮的前后形成一个弯曲。这样，电缆的松紧将引起两个滑轮的移动。而摆动杆的一端为转轴，滑轮的移动将带动安装在转轴上的角度检测器件的转动，其信号代表了电缆、软管状物品张力的变化。如果是滑动杆，则滑动杆的另一头安装位置检测器件，其信号同样代表了电缆、软管状物品张力的变化。

6.根据权利要求1所述的变频式电缆、软管状物品卷筒，其特征还在于：为了提高信号传送的可靠性，可以使用自整角机对来实现旋转轴与检测元件的连接。

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