CN102485625B - 定张力卷绕装置及其调控模组 - Google Patents

Abstract

一种定张力卷绕装置，包含：一放料单元，可转动的固定并输出呈筒状卷绕的薄型材料，且产生一角度检测信号及一扭矩检测信号；一卷收单元供卷收该薄型材料；一张力摆动轮及一张力检测单元均设置于该放料单元及卷收单元之间，且分别产生一位移检测信号及一张力检测信号；一调控模组具有一扭矩差值计算单元及一控制单元，该扭矩差值计算单元电连接该放料单元、张力摆动轮及张力检测单元，以接收各该检测信号并计算获得一扭矩命令信号，该控制单元电连接该扭矩差值计算单元及该放料单元以接收该扭矩命令信号，并根据一线速度信号或该扭矩命令信号产生一控制信号送至该放料单元。

Description

定张力卷绕装置及其调控模组

技术领域

本发明是有关于一种定张力卷绕装置，特别是一种根据张力摆动轮的速度变化动态调整放料的定张力卷绕装置

背景技术

一般而言，卷绕装置已广泛应用于纺织、印染、造纸、冶金及软性电子行业，且为避免进行加工的薄型材料遭过度拉张、挤压或产生皱折，必须在加工过程中保持该薄型材料的张力处于预定的状态。然而，在放料及卷收的过程中，由于放料轮的卷径持续变小而收料轮的卷径是持续变大，因此如何控制放料轮的转矩，以维持在该放料轮及收料轮之间的薄型材料呈现预定张力，进而避免该卷绕装置中的薄型材料发生放料或卷收异常的现象，已成为此类卷绕装置的重要发展课题。

如中国台湾专利第M267182号《全自动张力递减装置》专利案所述的一种现有的卷绕装置，其是需先取得欲进行加工的薄型材料的长度、厚度及初卷的张力值，始能据以通过一卷径演算器及一自动张力控制器控制放料轮及收料轮的转速，进而使该放料轮及收料轮之间的薄型材料具有预设的张力。此外，该卷绕装置另于该放料轮及收料轮之间设有一张力检出器，以便将该薄型材料的实际张力值反馈至该卷径演算器，借以供该自动张力控制器微调该放料轮及收料轮的转速。

然而，由于一般的薄型材料均具有弹性，而该薄型材料本身也可能存在制造误差，因此在实际情况下难以精确测得该薄型材料的长度及厚度等参数。其中，若各参数的量测误差过大，也将导致该自动张力控制器的输出误差随着运作时间的增加而递增。此外，当更换它种的薄型材料进行加工作业时，也必须重新量测此种薄型材料的各参数，导致在使用上述的现有卷绕装置时极为不便。

基于上述原因，有必要进一步改良上述现有的卷绕装置，以期能简化使用程序并提高薄型材料的张力的控制精确度。

发明内容

本发明提供一种定张力卷绕装置，其是根据一张力摆动轮的速度变化动态调整放料，以简化人力作业程序及避免运算误差量递增，且进行线上即时监控，为其主要发明目的。

本发明提供一种定张力卷绕装置，其控制一放料单元以超前补偿扭矩量，使该放料单元所输出的薄型材料具有稳定的张力，以提高放卷及收卷稳定性，并抑制薄型材料的振动量，为其另一发明目的。

本发明提供一种定张力卷绕装置的调控模组，其是便于直接使用于任何已预先设置完成的现有卷绕系统，控制此现有卷绕系统进行动态调整放料且提高放卷及收卷稳定性，为其另一发明目的。

本发明的一种定张力卷绕装置，包含：一放料单元、一卷收单元、一张力摆动轮、一张力检测单元、一扭矩差值计算单元及一控制单元。该放料单元具有一辊轮及一调控致动器，该辊轮是可转动并供固定及输出呈筒状卷绕的薄型材料，且该辊轮对应于本身的旋转角度输出一角度检测信号，该调控致动器连接至该辊轮并能够产生一输出扭矩施加于该辊轮，且该调控致动器对应于该输出扭矩输出一扭矩检测信号；该卷收单元是供卷收该薄型材料；该张力摆动轮设置于该放料单元及卷收单元之间，且对应本身的位移量输出一位移检测信号；该张力检测单元设置于该放料单元及卷收单元之间，并对应于所测得的张力输出一张力检测信号；该扭矩差值计算单元电连接该辊轮、调控致动器、张力摆动轮及张力检测单元以接收各该检测信号，并计算获得一扭矩命令信号；该控制单元电连接该扭矩差值计算单元及该调控致动器，以接收该扭矩命令信号，并根据一线速度信号或该扭矩命令信号产生一控制信号送至该调控致动器。

本发明的一种定张力卷绕装置的调控模组，包含：一扭矩差值计算单元及一控制单元。该扭矩差值计算单元接收一角度检测信号、一扭矩检测信号、一位移检测信号及一张力检测信号，并据以计算获得一扭矩命令信号；该控制单元电连接该扭矩差值计算单元以接收该扭矩命令信号，并根据一线速度信号或该扭矩命令信号产生一控制信号。

本发明的一种定张力卷绕装置及其调控模组，另包含：该扭矩差值计算单元设有一单向滤波器、一第一微分器、一第二微分器、一除法器、一扭矩计算器及一减法器，该单向滤波器连接至该张力摆动轮以截取该位移检测信号中在单一方向上的数据；该第一微分器连接该单向滤波器并对该单向滤波器的输出进行微分以获得一线速度信号；该第二微分器连接该辊轮并对该角度检测信号微分以取得一角速度信号；该除法器连接该第一及第二微分器并将该线速度信号除以该角速度信号；该扭矩计算器连接该除法器及张力检测单元，并将该除法器的输出乘以该张力检测信号；该减法器连接该扭矩计算器及调控致动器，并将该扭矩计算器的输出减去该扭矩检测信号而产生该扭矩命令信号。

本发明的一种定张力卷绕装置及其调控模组，更包含：该控制单元具有一补偿控制器连接至该扭矩差值计算单元的微分器及减法器，并分别接收该线速度信号及扭矩命令信号，该补偿控制器于判断该线速度信号与一预定速度之间的误差大于一预设范围时以该线速度信号产生该控制信号，否则以该扭矩命令信号产生该控制信号。

本发明的一种定张力卷绕装置及其调控模组，更包含：该控制单元具有一单向滤波器、一微分器及一补偿控制器，该单向滤波器连接至该张力摆动轮以滤除该位移检测信号中在水平方向上的分量，该微分器连接该单向滤波器并对该单向滤波器的输出进行微分以获得一线速度信号，该补偿控制器连接至该微分器及该扭矩差值计算单元的减法器，并分别接收该线速度信号及扭矩命令信号，该补偿控制器于判断该线速度信号与一预定速度之间的误差大于一预设范围时以该线速度信号产生该控制信号，否则以该扭矩命令信号产生该控制信号。

附图说明

图1：本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的系统架构图。

图2：本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的扭矩差值计算单元的系统架构图。

图3：本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的控制单元的系统架构图。

【主要元件符号说明】

1   放料单元          11  辊轮

12  调控致动器        2   卷收单元

3   张力摆动轮        4   张力检测单元

5   扭矩差值计算单元  51  单向滤波器

52  第一微分器        53  第二微分器

54  除法器            55  扭矩计算器

56  减法器            6   控制单元

61  单向滤波器        62  微分器

63  补偿控制器

S_θ  角度检测信号     S_MR  扭矩检测信号

S_S   位移检测信号  S_TL  张力检测信号

S_MC  扭矩命令信号  S_V   线速度信号

Sω  角速度信号    S_C   控制信号。

具体实施方式

为让本发明上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图1所示，其为本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的系统架构图，该定张力卷绕装置包含一放料单元1、一卷收单元2、一张力摆动轮3、一张力检测单元4、一扭矩差值计算单元5及一控制单元6，其中该扭矩差值计算单元5及控制单元6共同构成一调控模组，该调控模组借助该放料单元1、张力摆动轮3及张力检测单元4所产生的数个检测信号以反馈控制的方式控制该放料单元1，进而保持该放料单元1及卷收单元2之间的薄型材料具有固定的张力。

请再参照图1所示，本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的放料单元1供呈筒状卷绕的薄型材料可转动的设置，以便输出该薄型材料。该放料单元1包含一辊轮11及一调控致动器12，该辊轮11是可转动并供该筒状的薄型材料套设固定，且该辊轮11是对应于其本身的旋转角度θ输出一角度检测信号S_θ；该调控致动器12连接至该辊轮11，以便产生一输出扭矩MR并施加于该辊轮11，且该调控致动器12对应于该输出扭矩MR输出一扭矩检测信号S_MR。其中，该调控致动器12为可输出旋转动力的装置，例如可由一马达构成。该卷收单元2则供卷收该薄型材料，以将该薄型材料恢复为呈筒状卷绕，借此使该薄型材料在该放料单元1及卷收单元2之间展开以便进行加工。该张力摆动轮3是设置于该放料单元1及卷收单元2之间，且可转动的悬吊于该放料单元1及卷收单元2之间的薄型材料上，该张力摆动轮3是对应其本身的位移量S输出一位移检测信号Ss。该张力检测单元4也设置于该放料单元1及卷收单元2之间，以检测该放料单元1及卷收单元2之间的薄型材料的张力TL，并对应该张力TL输出一张力检测信号S_TL。

请同时参照图1及2所示，本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的扭矩差值计算单元5是电连接该辊轮11、调控致动器12、张力摆动轮3及张力检测单元4，以供接收各该检测信号S_θ、S_MR、S_S、S_TL，并据以输出一扭矩命令信号S_MC。详言之，该薄型材料相对于该辊轮11的轴芯的卷径D、该张力摆动轮3在单一方向上的速度V_T及该辊轮11的转动角速度ω具有如下列公式(1)的关系：

$D=\frac{{\mathrm{kV}}_T}{\mathrm{\ω}}---\left(1\right)$

其中的k为一常数；此外，该薄型材料的张力TL、该卷径D及该调控致动器12的需求扭矩M另具有如下列公式(2)的关系：

$M=\frac{{\mathrm{DT}}_L}{2}---\left(2\right)$

因此，可推得该需求扭矩M可表示如下列公式(3)所示：

$M=\frac{{\mathrm{kV}}_T{T}_L}{2\mathrm{\ω}}---\left(3\right)$

据此，当该扭矩差值计算单元5所输出的扭矩命令信号S_MC可操作该调控致动器12的输出扭矩MR等于上述公式(3)的需求扭矩M，即可维持该薄型材料的张力TL为定值。

根据上述的推导，该扭矩差值计算单元5设有一单向滤波器51、一第一微分器52、一第二微分器53、一除法器54、一扭矩计算器55及一减法器56，其中该单向滤波器51连接至该张力摆动轮3，以接收该位移检测信号S_S，并撷取该位移检测信号S_S在单一方向上的数据，以图1的实施例而言，该单向滤波器只撷取该张力摆动轮3向图1的下方位移时所对应的位移检测信号S_S；该第一微分器52连接该单向滤波器51，并于接收该单向滤波器51的输出后进行微分，以获得对应于该张力摆动轮3的该速度V_T的一线速度信号Sv；该第二微分器53连接至该辊轮11以接收该角度检测信号S_θ，且该第二微分器53对该角度检测信号S_θ进行微分，以取得对应于该辊轮11的转动角速度ω的角速度信号Sω；该除法器54分别连接至该第一及第二微分器52、53，并将该线速度信号Sv除以该角速度信号Sω；该扭矩计算器55连接该除法器54及张力检测单元4，以接收该除法器54的输出及该张力检测信号S_TL，并将该除法器54的输出乘以该张力检测信号S_TL，借以计算获得对应于该需求扭矩M的信号；该减法器56是连接该扭矩计算器55及该调控致动器12，并以该扭矩计算器55的输出减去该扭矩检测信号S_MR，进而获得欲送至该控制单元6的该扭矩命令信号S_MC。

请同时参照图1及3所示，本发明较佳实施例的定张力卷绕装置的控制单元6电连接该放料单元1的调控致动器12、张力摆动轮3及扭矩差值计算单元5，以便在接收该位移检测信号S_S及扭矩命令信号S_MC之后，产生一控制信号S_C送至该放料单元1的调控致动器12，以使该调控致动器12将该需求扭矩M施加于该辊轮11。详言之，该控制单元6预设有一预定速度V，并具有一单向滤波器61、一微分器62及一补偿控制器63，其中该单向滤波器61及微分器62串联连接至该张力摆动轮3，且该单向滤波器61及微分器62的工作方式与该扭矩差值计算单元5的单向滤波器51及第一微分器52的工作方式相同。该补偿控制器63分别连接于该微分器62及该扭矩差值计算单元5的减法器56，以接收该微分器62所输出的线速度信号Sv及该扭矩命令信号S_MC，并于判断该线速度信号Sv所对应的该速度V_T与该预定速度V之间的误差大于一预设范围时进行一速度控制模式，以该线速度信号Sv产生该控制信号S_C；而在判断该速度V_T与该预定速度V之间的误差不大于该预设范围时进行一扭矩控制模式，以该扭矩命令信号S_MC产生该控制信号S_C。其中，该预设范围可为该预定速度V的缩放值，例如可选择该预设范围介于该预定速度V的95％至105％；另，以该线速度信号Sv或扭矩命令信号S_MC产生该控制信号S_C的方式可为误差比例放大、比例放大、积分、微分或其他本领域的技术人员所可理解的控制方法。此外，该控制单元6也可省略设置该单向滤波器61及微分器62，直接以该补偿控制器63分别连接至该扭矩差值计算单元5的第一微分器52及减法器56，以分别取得该线速度信号Sv及扭矩命令信号S_MC。

换言之，借助上述的该扭矩差值计算单元5及控制单元6所构成的调控模组，该控制单元6可在初启动而该张力摆动轮3在该速度V_T未达该预定速度V的预设范围时，先执行该速度控制模式，持续调整该控制信号S_C以增加该调控致动器12的输出扭矩MR，使该速度V_T逐渐趋近于该预设速度V。至该速度V_T等于落入该预定速度V的预设范围(即已控制该放料单元1及卷收单元2之间的薄型材料存在一预定张力)，便执行该扭矩控制模式，利用该扭矩命令信号S_MC通过该控制单元6控制该调控致动器12，以维持该薄型材料的张力。借此，即可达成无需预先量测该薄型材料的各种参数而直接进行张力控制的目的。此外，由于本发明的调控模组仅需要连接至该放料单元1、张力摆动轮3及张力检测单元4，故可轻易的单独组装使用于任何已预先设置完成的现有卷绕系统。

综上所述，本发明的定张力卷绕装置可利用该张力摆动轮3的速度V_T、该辊轮11的转动角速度ω及该薄型材料的张力TL，直接计算获得该调控致动器12的需求扭矩M，进而使该放料单元所输出的薄型材料具有稳定的张力。

因此，本发明的定张力卷绕装置无需设定薄型材料的初始卷径、厚度等各参数，即可通过该调控致动器12对应调整施加于该辊轮11的扭矩，以对该薄型材料的张力作即时的监控，具有简化人力作业程序、减少人为疏失、避免运算误差量递增、可进行即时监控等功效。

另，本发明的定张力卷绕装置更可通过上述控制方式达成超前补偿扭矩量的功能，使该放料单元1所输出的薄型材料具有稳定的张力，因而具有提高放卷及收卷稳定性、抑制薄型材料的振动量等功效。

此外，本发明的调控模组可直接电连接至任何已预先设置完成的现有卷绕系统，以使该卷绕系统达成上述的功能，故而具有便于使用的功效。

Claims (6)

1.一种定张力卷绕装置，其特征在于，包含：

一个放料单元，具有一个辊轮及一个调控致动器，该辊轮可转动并供固定及输出呈筒状卷绕的薄型材料，且该辊轮对应于本身的旋转角度输出角度检测信号，该调控致动器连接至该辊轮并能够产生输出扭矩施加于该辊轮，且该调控致动器对应于该输出扭矩输出扭矩检测信号；

一个卷收单元，供卷收上述薄型材料；

一个张力摆动轮，设置于该放料单元及卷收单元之间，并对应本身的位移量输出位移检测信号；

一个张力检测单元，设置于该放料单元及卷收单元之间，并对应于所测得的张力输出张力检测信号；

一个扭矩差值计算单元，电连接该辊轮、调控致动器、张力摆动轮及张力检测单元以接收各该检测信号，并计算获得扭矩命令信号，该扭矩差值计算单元设有一个单向滤波器、一个第一微分器、一个第二微分器、一个除法器、一个扭矩计算器及一个减法器，该单向滤波器连接至该张力摆动轮以截取该位移检测信号中在单一方向上的数据，该第一微分器连接该单向滤波器并对该单向滤波器的输出进行微分以获得一线速度信号，该第二微分器连接该辊轮并对该角度检测信号微分以获得一角速度信号，该除法器连接该第一及第二微分器并将该线速度信号除以该角速度信号，该扭矩计算器连接该除法器及张力检测单元，并将该除法器的输出乘以该张力检测信号，该减法器连接该扭矩计算器及调控致动器，并将该扭矩计算器的输出减去该扭矩检测信号而产生该扭矩命令信号；及

一个控制单元，电连接该扭矩差值计算单元及该调控致动器，以接收该扭矩命令信号，并根据线速度信号或该扭矩命令信号产生控制信号送至该调控致动器。

2.根据权利要求1所述的定张力卷绕装置，其特征在于，该控制单元具有一个补偿控制器连接至该扭矩差值计算单元的微分器及减法器，并分别接收该线速度信号及扭矩命令信号，该补偿控制器于判断该线速度信号所对应的垂直速度与预定速度之间的误差大于预设范围时以该线速度信号产生该控制信号，否则以该扭矩命令信号产生该控制信号。

3.根据权利要求1所述的定张力卷绕装置，其特征在于，该控制单元具有一个单向滤波器、一个微分器及一个补偿控制器，该单向滤波器连接至该张力摆动轮以截取该位移检测信号中在单一方向上的数据，该微分器连接该单向滤波器并对该单向滤波器的输出进行微分以获得该线速度信号，该补偿控制器连接至该微分器及该扭矩差值计算单元的减法器，并分别接收该线速度信号及扭矩命令信号，该补偿控制器于判断该线速度信号与预定速度之间的误差大于预设范围时以该线速度信号产生该控制信号，否则以该扭矩命令信号产生该控制信号。

4.一种定张力卷绕装置的调控模组，其特征在于，包含：

一个扭矩差值计算单元，接收角度检测信号、扭矩检测信号、位移检测信号及张力检测信号，并据以计算获得扭矩命令信号，该扭矩差值计算单元设有一个单向滤波器、一个第一微分器、一个第二微分器、一个除法器、一个扭矩计算器及一个减法器，该单向滤波器截取该位移检测信号中在单一方向上的数据，该第一微分器连接该单向滤波器，并对该单向滤波器的输出进行微分以获得一线速度信号，该第二微分器对该角度检测信号微分以取得一角速度信号，该除法器连接该第一及第二微分器并将该线速度信号除以该角速度信号，该扭矩计算器连接该除法器，并将该除法器的输出乘以该张力检测信号，该减法器连接该扭矩计算器，并将该扭矩计算器的输出减去该扭矩检测信号而产生该扭矩命令信号；及

一个控制单元，电连接该扭矩差值计算单元以接收该扭矩命令信号，并根据线速度信号或该扭矩命令信号产生控制信号。

5.根据权利要求4所述的定张力卷绕装置的调控模组，其特征在于，该控制单元具有一个补偿控制器连接至该扭矩差值计算单元的微分器及减法器，并分别接收该线速度信号及扭矩命令信号，该补偿控制器于判断该线速度信号与预定速度之间的误差大于预设范围时以该线速度信号产生该控制信号，否则以该扭矩命令信号产生该控制信号。

6.根据权利要求4所述的定张力卷绕装置的调控模组，其特征在于，该控制单元具有一个单向滤波器、一个微分器及一个补偿控制器，该单向滤波器截取该位移检测信号中在单一方向上的数据，该微分器连接该单向滤波器并对该单向滤波器的输出进行微分以获得该线速度信号，该补偿控制器连接至该微分器及该扭矩差值计算单元的减法器，并分别接收该线速度信号及扭矩命令信号，该补偿控制器于判断该线速度信号与预定速度之间的误差大于预设范围时以该线速度信号产生该控制信号，否则以该扭矩命令信号产生该控制信号。