CN110723595B - 一种伺服张力器的三段式张力控制方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服张力器的三段式张力控制方法，包括设置一控制电路，其作用包括：控制绕线机对产品进行绕线，以及控制伺服张力器中的所述电机工作，以及控制伺服张力器中的所述衰减张力杆的一驱动机构工作；伺服张力器通过控制电路实现至少三段出线张力，从高到低依次为第一、第二和第三张力；需要第一张力时，张力杆靠张力弹簧保持出线张力，衰减张力杆为静止状态；需要第二张力时，衰减张力杆为转动状态，张力杆出线的张力为第二张力，张力值为第一张力减去衰减弹簧拉力后的张力值；需要第三张力时，控制电路驱动电机工作，张力杆出线的张力为第三张力，张力值为第二张力减去此时电机输出扭矩后的张力值。本发明通过三段式张力控制，满足了小张力绕线的需要。

Description

一种伺服张力器的三段式张力控制方法

技术领域

本发明涉及伺服张力器，具体涉及一种适用于大张力密绕和电机绕线的伺服张力器的三段式张力控制方法。

背景技术

伺服张力器，通常被定义为主动送线的恒张力控制张力器。所谓主动送线的恒张力控制是指伺服张力器的电机在可控转矩转速范围内主动输出线速度，并将其输出的线速度始终跟随被绕制产品的线速度变化而变化，维持一个相对固定的速度差，即达到维持线材两端拉力不变的目的。

常见的伺服张力器其结构包括主线轮、导向轮、张力杆、衰减张力杆和衰减弹簧。其中，张力杆的一端相对张力器的基板转动，另一端连设有出线轮。在使用状态下，线材从主线轮上引出依次绕过导向轮至出线轮，再缠绕到被绕制产品骨架上。主线轮与一电机连接作主动旋转。张力杆通过张力拉簧与衰减张力杆连接，该衰减张力杆相对于基板转动。伺服张力器的内部通常安装有角度传感器，角度传感器和电机的驱控电路电性连接，角度传感器的输出轴与一转轴的一端机械连接，转轴的另一端与张力杆的尾部机械连接，张力杆以转轴中心旋转。衰减张力杆的一端与一摆动挡块共同安装在转轴上。其中，摆动挡块与转轴紧固配合，衰减张力杆与转轴间隙配合，可以围绕转轴自由摆动。转轴与装置内部的一气缸调节组件连接。

在张力器控制程序中设置了一个电机启动电压位和控制方法，经设定，当张力杆到达一定的启动角度后，电机启动旋转，并且张力杆摆动角度越大于启动角度电机旋转越快，反之当张力杆摆动小动启动角度时，电机停转。当绕线机开始绕线时，会拉动线材向产品上缠绕，此时，张力杆会向产品骨架方向倾斜，并拉伸张力弹簧。当张力杆摆动至启动角度时，触发启动电压，电机立即旋转将下方的线材送出。随着下方线材的送出，处于张力杆与骨架之间线材的张力减小，此时，张力杆在张力弹簧的作用下向反方向摆动，使张力杆摆动角度小于启动角度，依据控制算法电机会停止旋转，在电机保持扭矩的作用下，下方的线材不再被送出，而被加工产品在绕线机的作用下继续在绕线，张力杆会被线材带动向前摆动直到电机再次旋转。这个过程在绕制过程中被不断往复。实际绕线加工中，上述过程会表现得更复杂。比如，在绕线机启动绕线的瞬间加速过快时，张力杆摆动会发生过冲，摆动角度会远远大于启动角度，由此张力弹簧被拉伸很大，相对的张力弹簧的反作用力也会增加，因为控制算法中设计的张力杆摆动角度越大于启动角度电机旋转越快，所以，过冲时下方送线也越多，由此还可能出现反向过冲。因此，实际控制算法中加入了PID算法，使得缠绕过程启动后，迅速将张力杆平衡在启动角度位置，这是宏观角度所述的平衡，实际表现是张力杆围绕着启动角度上下有着轻微的波动。同时，实际控制算法中还添加了电机转速自增算法，在和PID算法的共同作用上使电机转速保持与缠绕速度匹配，并始终处于相对稳定的速度差状态下。

在张力杆达到宏观平衡时，张力杆至绕制产品之间线材的拉力、电机的转矩力、张力弹簧的拉力也实现了三力平衡，此时伺服张力器输出的张力也较为恒定，这就是现有的恒张力控制。

以下将举例就现有伺服张力器的工作要求进行说明：

在进行密绕加工的产品中，如图1所示的骨架1，设有多个接线柱，行业中通常叫作PIN脚2。所谓密绕，就是在绕制过程中每一匝线材3之间无间隙依次排线，整齐地缠绕在骨架1上。每一层之间的线材3也是排列整齐不发生错位。通过实践得出结论，在线材3不被拉伸延展影响到产品性能的情况下，张力越大密绕效果和产品质量越好。绕制产品时往往先要将线材3绕在一个PIN脚2上，然后再绕制到骨架1上，骨架1上缠绕结束后再缠绕到下一个PIN脚2上，典型的产品如电控开关类器件。另一类产品如电机的定子和转子，如图2、3所示，电机定子4都存在着多组线槽5，在一组线槽5绕制线圈6结束后需要进行抽线7然后做跨槽（如图2中的跨槽线8）或挂脚动作。

很多时候绕PIN脚2或抽线7跨槽时所需要的张力都要远小于绕骨架1和绕线槽5的张力，所以需要伺服张力器具有两段张力控制功能。伺服张力器的两段张力功能由内部设置的气缸调节组件带动转轴连同摆动挡块一起摆动一定角度实现，即通过控制衰减张力杆转动与否而控制衰减弹簧是否对张力弹簧的拉力进行调节。

我们在此定义绕骨架和绕线槽的张力为主张力，绕PIN脚和抽线跨槽张力为辅张力。

主张力工作时，气缸调节组件驱动转轴连同摆动挡块一起摆动。当摆动挡块摆动方向与张力杆的摆动方向相反时，抵住衰减张力杆，使衰减张力杆保持在固定的位置，张力弹簧在张力杆的带动下被稳定拉伸，如图4所示。由此可见，在主张力工作时，张力大小仅由张力弹簧作用决定，衰减弹簧此时不起作用。

辅张力工作时，气缸调节组件驱动转轴连同摆动挡块一起摆回原始位置，即摆动挡块摆动方向与张力杆摆动方向一致。此时摆动挡块释放衰减张力杆并交由衰减弹簧拉住。如果没有衰减弹簧拉住衰减张力杆，张力弹簧就无法得到支撑点将张力杆收回。如图5所示，辅张力大小调节由张力弹簧和衰减弹簧共同决定。

在张力杆保持在张力器工作状态条件下，通常衰减弹簧的拉力被设置为小于张力弹簧的拉力，进而对张力杆的实际拉力起到衰减的作用，此时输出的张力值（即辅张力）小于衰减弹簧未作用时的输出张力（即主张力）。

上述现有技术存在的问题：

根据上述举例说明可知，在恒张力控制的情况下，需要调节张力就必须增加张力弹簧的拉力，而弹簧的材质、中径、线径都决定了弹簧的拉力范围，在一定拉伸长度下，想要通过弹簧再增加或减小张力就必须更换弹簧。

密绕产品时辅张力被要求远远低于主张力，甚至要求衰减到接近零张力。而在现有技术中，主张力越大辅张力也会变大。如图5所示，衰减弹簧为了能把持住衰减张力杆，不可能将拉力减到零，另外，主张力要求大，相应的弹簧拉力也会变大，即只要弹簧作稍许拉伸就会产生较大张力。

因此在绕PIN脚时，尽管能够通过衰减弹簧减小张力弹簧的输出张力，但依然较大的张力将导致PIN脚被弯曲或绝缘层被损坏，甚至还会伤及线材影响其强度，致使线材可轻易折断。另外，在抽线跨槽时，依然较大的张力将导致损伤漆包线（线材）的绝缘层甚至损坏漆包线。

综上，常规的二段张力控制方法导致主张力越大，辅张力也同样会较大，它们的趋向是一致的。而实际生产中要求辅张力不要与主张力关联，需要主张力大，辅张力并不跟随变大。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种伺服张力器的三段式张力控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种伺服张力器的三段式张力控制方法，所述伺服张力器用于控制放线张力，其出线送至一绕线机，通过该绕线机对产品进行绕线；所述伺服张力器包括电机、张力杆、张力弹簧、衰减张力杆、张力控制调节组件以及衰减弹簧，其中电机用于驱动主线轮转动放线；所述控制方法包括：

设置一控制电路，该控制电路的作用包括：

控制绕线机对产品进行绕线，以及

控制伺服张力器中的所述电机工作，以及

控制伺服张力器中的所述张力控制调节组件带动所述衰减张力杆工作；

所述伺服张力器通过所述控制电路实现至少三段出线张力，各所述出线张力按张力值从高到低依次为第一张力、第二张力和第三张力；

当需要第一张力时，所述张力杆经放线牵引摆动至一偏转角度，所述控制电路驱动所述电机以一第一转速工作，该第一转速与绕线机的一绕线转速对应；所述衰减张力杆经所述张力控制调节组件控制摆动至一位置，并呈一静止状态；此时所述张力杆靠连接张力杆和衰减张力杆的所述张力弹簧保持出线张力；

当需要第二张力时，所述控制电路控制所述张力控制调节组件工作，该张力控制调节组件控制所述衰减张力杆至一转动状态，此时所述张力杆出线的张力为第二张力，该第二张力为所述张力弹簧当前状态的拉力与衰减弹簧拉力的合力，且当前状态张力弹簧的拉力小于第一张力状态下的拉力；第二张力时电机的转速等同于第一转速，即跟随绕线机绕线的转速；

当需要第三张力时，所述控制电路驱动所述电机以一第二转速工作，且该第二转速大于所述第一转速，此时所述张力杆出线的张力为第三张力，该第三张力为当前状态下所述张力弹簧和所述衰减弹簧拉力的合力，其中当前状态下张力弹簧的拉力和衰减弹簧的拉力均小于第二张力时的状态。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，所述张力控制调节组件包括气缸和摆动机构，该摆动机构包括一摆动挡块，该摆动挡块通过一转轴转动连接于张力器的基板；所述衰减张力杆的一端与摆动挡块转动连接，另一端通过所述张力拉簧与所述张力杆的中部连接；

所述摆动挡块上对应于衰减张力杆设置有一凸块，该凸块位于衰减张力杆和张力杆之间，且衰减张力杆位于凸块和所述转轴之间，以此阻止衰减张力杆向张力杆转动；

所述气缸驱动摆动挡块的一端以所述转轴为轴进行前后摆动；

构成当所述摆动挡块向后摆动时，所述凸块抵靠所述衰减张力杆，即阻止衰减张力杆向前接近所述张力杆；当所述摆动挡块向前摆动时，所述凸块脱离与所述衰减张力杆的抵靠，此时衰减张力杆可自由摆动。

2．上述方案中，所述控制电路包括PLC、电控开关类器件、伺服电机驱动器和张力控制器、角度位移传感器；所述PLC控制绕线机开始对产品进行绕线，同时通过所述角度位移传感器和所述伺服电机驱动器和张力控制器，控制所述伺服张力器中的电机带动所述主线轮旋转送线；通过所述电控开关类器件控制气源驱动伺服张力器中所述张力控制调节组件，实现所述衰减张力杆的摆动。

2．上述方案中，控制电路通过PLC给张力器的控制电路一个信号，触发张力器执行缠PIN脚和抽线、跨槽、挂脚慢速送线程序；在缠PIN脚和抽线、跨槽、挂脚结束时再通过PLC给张力器的张力控制调节组件发出一个复位，结束慢速送线，使张力器的张力控制调节组件恢复为常规的恒张力控制模式。

3．上述方案中，还设置有至少一个挡柱，至少一所述档柱设置在所述张力杆与所述衰减张力杆之间。

本发明的工作原理及优点如下：

相比现有技术而言，本发明可在需要小张力缠PIN脚和抽线、跨槽、挂脚时，由电机带动线轮主动送线，而非张力杆摆动至启动角度时再开始送线。

其原理是由于电机带动线轮主动送线，使得张力杆与工件之间线材的张力变小，张力弹簧就会自动收缩，可通过控制电机的第二转速来调节送线速度，可以使张力弹簧减少拉伸程度或不被拉伸。因为与缠绕骨架相比，绕线机围绕PIN脚缠绕所需的线速度是极低的，缠绕匝数也少，同样，抽线、跨槽、绕PIN脚时所需的线速度也很低，可以不再追求恒张力，电机带动线轮可以以一个固定的速度旋转送线，这个固定的速度可以在控制程序中设定，也可以在电路中加入电位器进行调节。具体速度根据实际需求决定，其原则是张力弹簧收缩带动张力杆回摆不被轻易触发断线报警信号。

综上，本发明在抽线、跨槽、绕PIN脚时，能够进一步尽管能够通过衰减弹簧减小张力弹簧的输出张力，可避免PIN脚被弯曲或绝缘层被损坏，避免伤及线材影响其强度以及线材折断。另外，在抽线跨槽时，可避免损伤漆包线（线材）的绝缘层和损坏漆包线。

综上，本发明克服了常规的二段式张力控制方法存在的缺陷，通过巧妙设计的三段式张力控制方法可使得主张力与辅张力消除关联，进一步降低输出张力，满足小张力绕线的需要。

附图说明

附图1为密绕骨架的结构示意图；

附图2为电机定子的结构示意图一；

附图3为电机定子的结构示意图二；

附图4为本发明实施例绕制产品骨架的张力器结构示意图（衰减张力杆静止）；

附图5为本发明实施例绕制产品骨架的张力器结构示意图（衰减张力杆转动）。

附图6为本发明实施例绕制电机定子的张力器结构示意图（衰减张力杆静止）。

以上附图中：1．骨架；2．PIN脚；3．线材；4．电机定子；5．线槽；6．线圈；7．抽线；8．跨槽线；9．张力杆；10．张力弹簧；11．衰减张力杆；12．衰减弹簧；13．主线轮；14．摆动挡块；15．转轴；16．凸块；17．挡柱；A．断线警报位；B．电机启动位。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围。

本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的用词（terms），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案之描述上额外的引导。

参见附图1~3所示，一种伺服张力器的三段式张力控制方法，所述伺服张力器用于控制放线张力，其出线送至一绕线机（图中未绘出），通过该绕线机对产品进行绕线；所述伺服张力器包括电机（图中未绘出）、张力杆9、张力弹簧10、衰减张力杆11、张力控制调节组件以及衰减弹簧12，其中电机用于驱动主线轮13转动放线；所述控制方法包括：

设置一控制电路，该控制电路的作用包括：

控制绕线机对产品进行绕线，以及

控制伺服张力器中的所述电机工作，以及

控制伺服张力器中的所述张力控制调节组件带动所述衰减张力杆11工作；

所述伺服张力器通过所述控制电路实现至少三段出线张力，各所述出线张力按张力值从高到低依次为第一张力、第二张力和第三张力。

当需要第一张力时，所述张力杆9经放线牵引摆动至一偏转角度，所述控制电路驱动所述电机以一第一转速工作，该第一转速与绕线机的一绕线转速对应，即两个转速成正比关系，第一转速始终跟随绕线转速；所述衰减张力杆11经所述张力控制调节组件控制摆动至一位置，并呈一静止状态，此位置能够满足衰减张力杆11带动拉伸张力弹簧10，达到当前绕线需要的张力；此时所述张力杆9靠连接张力杆9和衰减张力杆11的所述张力弹簧10保持出线张力；

当需要第二张力时，所述控制电路控制所述张力控制调节组件工作，该张力控制调节组件控制所述衰减张力杆11至一转动状态，此时所述张力杆9出线的张力为第二张力，该第二张力为所述张力弹簧10当前状态的拉力与衰减弹簧12拉力的合力，且当前状态张力弹簧10的拉力小于第一张力状态下的拉力；第二张力时电机的转速等同于第一转速，即跟随绕线机绕线的转速；

当需要第三张力时，所述控制电路驱动所述电机以一第二转速工作，且该第二转速大于所述第一转速，此时所述张力杆9出线的张力为第三张力，该第三张力为当前状态下所述张力弹簧10和所述衰减弹簧12拉力的合力，其中当前状态下张力弹簧10的拉力和衰减弹簧12的拉力均小于第二张力时的状态。

其中，所述张力控制调节组件包括气缸和摆动机构，该摆动机构包括一摆动挡块14，该摆动挡块14通过一转轴15转动连接于张力器的基板；所述衰减张力杆11的一端与摆动挡块14转动连接，另一端通过所述张力拉簧10与所述张力杆9的中部连接。

所述摆动挡块14上对应于衰减张力杆11设置有一凸块16，该凸块16位于衰减张力杆11和张力杆9之间，且衰减张力杆11位于凸块16和所述转轴15之间，以此阻止衰减张力杆11向张力杆9转动。

所述气缸驱动摆动挡块14的一端以所述转轴15为轴进行前后摆动；

构成当所述摆动挡块14向后摆动时，所述凸块16抵靠所述衰减张力杆11，即阻止衰减张力杆11向前接近所述张力杆9，使衰减张力杆11呈静止状态；当所述摆动挡块14向前摆动时，所述凸块16脱离与所述衰减张力杆11的抵靠，此时衰减张力杆11可自由摆动。

优选的，所述控制电路包括PLC、电控开关类器件（如继电器、电磁阀等功能类似的通过触发产生开关信号的器件）、伺服电机驱动器和张力控制器（即伺服张力器驱控器）、角度位移传感器；所述PLC控制绕线机开始对产品进行绕线，同时通过所述角度位移传感器和所述伺服电机驱动器和张力控制器，控制所述伺服张力器中的电机带动所述主线轮13旋转送线；通过所述电控开关类器件控制气源驱动伺服张力器中所述张力控制调节组件，实现所述衰减张力杆11的摆动。

其中，在报警位前还设置有一个挡柱17，该档柱17设置在所述张力杆9与所述衰减张力杆11之间。通过将档柱17设置在张力杆9到达断线警报位A前，可阻止张力杆9到达断线警报位A（图中β为断线报警角度），避免启动断线报警。在一些特定应用状态下，绕制产品不需要断线报警，同时又考虑到伺服张力器的通用性，在不拆除断线警报功能的前提下可以在报警位前设置一个挡柱17，使张力杆9无法回到断线报警启动位。这种这个应用状态至少被应用于电机定子4加工中，因为定子加工中经常会有抽线操作，为了使抽线长度不受张力杆9摆动弧度限止，避免误触发断线报警造成停机。

本发明可在需要小张力缠PIN脚和抽线、跨槽、挂脚时，由电机带动主线轮13主动送线，而非张力杆9摆动至电机启动位B（图中α为启动角度）时再开始送线。

其原理是由于电机带动主线轮13主动送线，使得张力杆9与产品之间线材的张力变小，张力弹簧10就会自动收缩，可通过控制电机的第二转速来调节送线速度，可以使张力弹簧10减少拉伸程度或不被拉伸。因为与缠绕骨架1相比，绕线机围绕PIN脚2缠绕所需的线速度是极低的，缠绕匝数也少，同样，抽线7、跨槽时所需的线速度也很低，可以不再追求恒张力，电机带动主线轮13可以以一个固定的速度旋转送线，这个固定的速度可以在控制程序中设定，也可以在电路中加入电位器进行调节。具体速度根据实际需求决定，其原则是张力弹簧10收缩带动张力杆9回摆不被轻易触发断线报警信号。

综上，本发明在抽线、跨槽、绕PIN脚时，能够进一步尽管能够通过衰减弹簧减小张力弹簧的输出张力，可避免PIN脚被弯曲或绝缘层被损坏，避免伤及线材影响其强度以及线材折断。另外，在抽线跨槽时，可避免损伤漆包线（线材）的绝缘层和损坏漆包线。

综上，本发明克服了常规的二段式张力控制方法存在的缺陷，通过巧妙设计的三段式张力控制方法可使得主张力与辅张力消除关联，进一步降低输出张力，满足小张力绕线的需要。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种伺服张力器的三段式张力控制方法，所述伺服张力器用于控制放线张力，其出线送至一绕线机，通过该绕线机对产品进行绕线；所述伺服张力器包括电机、张力杆、张力弹簧、衰减张力杆、张力控制调节组件以及衰减弹簧，其中电机用于驱动主线轮转动放线；其特征在于：

所述控制方法包括：

设置一控制电路，该控制电路的作用包括：

控制绕线机对产品进行绕线，以及

控制伺服张力器中的所述电机工作，以及

控制伺服张力器中的所述张力控制调节组件带动所述衰减张力杆工作；

所述伺服张力器通过所述控制电路实现至少三段出线张力，各所述出线张力按张力值从高到低依次为第一张力、第二张力和第三张力；

当需要第一张力时，所述张力杆经放线牵引摆动至一偏转角度，所述控制电路驱动所述电机以一第一转速工作，该第一转速与绕线机的一绕线转速对应；所述衰减张力杆经所述张力控制调节组件控制摆动至一位置，并呈一静止状态；此时所述张力杆靠连接张力杆和衰减张力杆的所述张力弹簧保持出线张力；

当需要第二张力时，所述控制电路控制所述张力控制调节组件工作，该张力控制调节组件控制所述衰减张力杆至一转动状态，此时所述张力杆出线的张力为第二张力，该第二张力为所述张力弹簧当前状态的拉力与衰减弹簧拉力的合力，且当前状态张力弹簧的拉力小于第一张力状态下的拉力；第二张力时电机的转速等同于第一转速，即跟随绕线机绕线的转速；

当需要第三张力时，所述控制电路驱动所述电机以一第二转速工作，且该第二转速大于所述第一转速，此时所述张力杆出线的张力为第三张力，该第三张力为当前状态下所述张力弹簧和所述衰减弹簧拉力的合力，其中当前状态下张力弹簧的拉力和衰减弹簧的拉力均小于第二张力时的状态。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述张力控制调节组件包括气缸和摆动机构，该摆动机构包括一摆动挡块，该摆动挡块通过一转轴转动连接于张力器的基板；所述衰减张力杆的一端与摆动挡块转动连接，另一端通过所述张力弹簧与所述张力杆的中部连接；

所述摆动挡块上对应于衰减张力杆设置有一凸块，该凸块位于衰减张力杆和张力杆之间，且衰减张力杆位于凸块和所述转轴之间，以此阻止衰减张力杆向张力杆转动；

所述气缸驱动摆动挡块的一端以所述转轴为轴进行前后摆动；

构成当所述摆动挡块向后摆动时，所述凸块抵靠所述衰减张力杆，即阻止衰减张力杆向前接近所述张力杆；当所述摆动挡块向前摆动时，所述凸块脱离与所述衰减张力杆的抵靠，此时衰减张力杆可自由摆动。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制电路包括PLC、电控开关类器件、伺服电机驱动器和张力控制器、角度位移传感器；所述PLC控制绕线机开始对产品进行绕线，同时通过所述角度位移传感器和所述伺服电机驱动器和张力控制器，控制所述伺服张力器中的电机带动所述主线轮旋转送线；通过所述电控开关类器件控制气源驱动伺服张力器中所述张力控制调节组件，实现所述衰减张力杆的摆动。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还设置有至少一个挡柱，至少一所述挡柱设置在所述张力杆与所述衰减张力杆之间。

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