CN110759153B - 自适应锥度张力控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应锥度张力控制系统，用于间歇性运动的卷料的收卷过程中的锥度张力控制，包括：送料装置，包括送料辊，所述送料辊用于输送所述卷料并控制所述卷料的运动状态；收卷装置，包括提供恒定收卷转矩的收卷轴，所述卷料收卷于所述收卷轴上；控制装置，设置在送料装置与收卷装置之间，所述控制装置包括移动辊和动力组件；所述卷料绕过所述移动辊，所述动力组件用于提供保守力，以使移动辊相对所述送料装置移动，而稳定所述送料装置在间歇性制动与启动的状态切换过程中产生的张力变化。本发明使整个卷料上的张力变得更加均匀而不是被挤压变形，从而获得优良的收卷端面效果。

Description

自适应锥度张力控制系统

技术领域

本发明涉及卷材张力控制技术领域，特别是涉及一种自适应锥度张力控制系统。

背景技术

随着涂布机、模切机、分切机、动力电池卷芯等对卷材加工方式的兴起，收、放卷的控制方式成为了这类设备最重要的核心之一，收卷轴上的物料会随着收卷物料的增多，半径逐渐变大，故收卷轴的转速和转矩也需要实时不断地改变，以匹配卷径的变大。这对整个控制系统提出了较高的要求，既不能因张力过大导致产品被拉变形或拉断，也不能因张力过小导致产品松弛起褶皱，同时要求加工后的整卷物料端面整齐，不能出现严重影响收卷质量的斜塔形、竹笋形、S形、锯齿形、凹凸形等不良，否则整卷产品将全部报废。为了达到良好的收卷效果，对一些特定的材料，需要进行锥度张力控制。

目前业内普遍采用“磁粉制动器+张力传感器+张力控制器+磁粉离合器+调速电机”这样的控制系统组合，以此来达到控制收放卷张力目的，从而使物料运动平稳、张力适中。这类设备的最大难点就在于对不同的材料需要想出不同的办法来解决，且需要不断地尝试，甚至有可能经不断尝试后也解决不了上述难题。

发明内容

基于此，有必要针对收卷张力控制困难的问题，提供一种自适应锥度张力控制系统，它能在收卷过程中自动调节卷料的张力，使卷料以锥度张力收卷在收卷轴上，以保障卷料收卷后不发生严重变形，获得良好的收卷效果；同时，系统结构更简单，易于调试。

为实现上述技术效果，本发明公布下述技术方案：

一种自适应锥度张力控制系统，用于间歇性运动的卷料的收卷过程中的锥度张力控制，包括：送料装置，包括送料辊，所述送料辊用于输送所述卷料并控制所述卷料的运动状态；收卷装置，包括提供恒定收卷转矩的收卷轴，所述卷料收卷于所述收卷轴上；控制装置，设置在送料装置与收卷装置之间，所述控制装置包括移动辊和动力组件；所述卷料绕过所述移动辊，所述动力组件用于提供保守力，以使移动辊相对所述送料装置移动，而稳定所述送料装置在间歇性制动与启动的状态切换过程中产生的张力变化。

上述自适应锥度张力控制系统，卷料从送料装置送出收卷到收卷装置上，控制装置设置在送料装置与收卷装置之间，对卷料提供控制。控制装置中包括缠绕卷料的移动辊和对移动辊提供保守力的动力组件，收卷装置提供恒定的收卷转矩，对应的，送料装置控制卷料的运动。当送料装置制动时，送料装置与收卷装置之间的卷料在恒定收卷转矩的作用下，张力会瞬间增大；当送料装置启动时，送料装置与收卷装置之间的卷料突然松弛，张力瞬间减小，由此导致收卷轴上卷料张力不均，产生变形。当加入控制装置后，卷料需绕过控制装置才能抵达收卷轴，因此其路径是有一定角度的折线，卷料长度大于当其是直线时的长度；当送料装置制动时，卷料张力开始增大，移动辊所受张力的合力大于保守力合力，移动辊朝向使卷料长度缩短的方向移动，从而使卷料所受的张力减小；整体上增大的张力与减小的张力相补偿，使得卷料上的张力基本保持稳定。同理，当送料装置启动时，移动辊所受张力的合力小于保守力合力，移动辊朝向使卷料长度增长的方向移动，使减小的张力得到补偿，卷料上的张力基本保持稳定。从而实现卷料上张力的自控制。

在一些实施例中，所述控制装置还包括杠杆；所述杠杆的阻力臂上设置所述移动辊，动力臂上设置所述动力组件；所述阻力臂臂长大于所述动力臂臂长。

在一些实施例中，所述动力组件活动连接在所述动力臂上，用于调节所述动力臂和所述阻力臂的长度比例。

在一些实施例中，所述动力组件包括永磁体和电磁铁；所述永磁体连接所述移动辊；所述电磁铁靠近所述永磁体设置，用于吸引所述永磁体。

在一些实施例中，所述动力组件包括气缸，所述气缸内充入定量气体。

在一些实施例中，所述控制装置还包括近传导辊、远传导辊和弧形导轨；所述移动辊滑动连接在所述弧形导轨上，所述远传导辊设置于所述弧形导轨的圆心处，所述近传导辊处于所述弧形导轨所在圆形的圆外；所述卷料依次绕过所述近传导辊、所述移动辊、所述远传导辊。

在一些实施例中，所述移动辊内设有用于增大所述移动辊转动阻尼的阻尼单元。

在一些实施例中，所述阻尼单元提供阻尼类型为电磁阻尼。

在一些实施例中，所述送料装置还包括送料步进电机和制动辊，所述送料步进电机的输出端连接所述送料辊，所述制动辊将所述卷料压紧在所述送料辊上。

在一些实施例中，所述收卷装置还包括连接所述收卷轴的伺服电机，所述伺服电机提供恒定转矩。

在一些实施例中，还包括放卷轴和连接所述放卷轴的磁粉制动器，所述卷料自放卷轴释放，并由所述送料装置输送，经所述控制装置后，收卷于收卷装置上。

附图说明

图1为一个具体实施例的控制系统的结构示意图；

图2为一个具体实施例提供的控制系统中的磁力控制装置的结构示意图；

图3为一个具体实施例提供的控制系统中的重力控制装置的结构示意图；

图4为一个具体实施例提供的控制系统中的弹力控制装置的结构示意图；

图5为一个具体实施例提供的控制系统中的弧形轨道的结构示意图。

附图标记：

100，送料装置；101，送料辊；102，制动辊；103，送料步进电机；104，制动气缸；105，随动辊；106，限位辊；107，限位气缸；

200，收卷装置；201，收卷轴；202，伺服电机；

300，控制装置；301，移动辊；302，杠杆；303，补偿气缸；304，永磁体；305，电磁铁；306，砝码；307，弹簧；308，近传导辊；309，远传导辊；310，导轨；

401，放卷轴；402，磁粉制动器；

5，换向辊；

601，镭雕器；602，读码器。

具体实施方式

附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定”于另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的方位或位置表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。

一种自适应锥度张力控制系统，参照图1，包括送料装置100，收卷装置200，和控制装置300；其中卷料从送料装置100送出，并收卷于收卷装置200上；控制装置300设置在送料装置100与收卷装置200之间，用于补偿控制装置300与收卷装置200之间的卷料张力，从而进一步控制卷在收卷装置200上的收卷卷料张力。

其中，收卷装置200包括收卷轴201，卷料收卷在收卷轴201上。收卷装置200提供恒定转矩，是卷料收卷的牵引力来源(下文简称为收卷力)；由公式F＝M/r，其中F为收卷力，M为收卷转矩，r为最外层卷料的曲率半径(下文简称卷径)，可知当收卷转矩M一定的时候，随着卷径r的增加，收卷力F与卷径r呈反比关系减小，在保持匀速收卷的情况下，张力与收卷力大小相等，这便实现了锥度张力。由此，收卷轴201上的卷料随着卷径的不断增大，其上的张力反而不断减小，形成收卷时卷料张力的内紧外松分布，随着时间的推移，内部卷料的张力会慢慢向外释放，最终使整个卷料上的张力变得更加均匀而不是被挤压变形，从而获得优良的收卷端面效果。

在一个实施例中，收卷装置200还包括伺服电机202，伺服电机202的输出端连接收卷轴201，并提供恒定转矩。伺服电机202具有高系统响应性和控制精度。

其中，送料装置100包括送料辊101，卷料被束缚在送料辊101上，并由送料辊101控制释放。在保持匀速收卷的情况下，张力与收卷力大小相等，在送料装置100端控制加速或减速的阶段，张力变化△F满足下述公式：

其中，J为收卷轴加已被收卷的卷料的惯性力矩，对于瞬时的变化过程中，可以认为惯性力矩J为常数值，r为卷径，a为卷料的瞬时加速度；由于物理过程发生的非常迅速，因此加速度a可以等效为△v/t，其中△v为收卷速度的变化量，t为变化发生的时间。可知，当送料装置100制动时，收卷速度由匀速v变为0，△v＝-v，张力变化为正值，收卷张力增大；同理，当送料装置100启动时，收卷速度由0变为v，△v＝v，张力变化为负值，收卷张力减小。同时可以看出，加速或减速阶段发展的越迅速，即时间t越小，张力变化越大。

在一个实施例中，送料装置100还包括送料步进电机103和制动辊102，送料步进电机103的输出端连接送料辊101，制动辊102将卷料压紧在送料辊101上；制动辊102连接一制动气缸104，在系统初始化完成后，制动气缸104伸长，推动制动辊102，将卷料压紧在送料辊101上，防止卷料在送料辊101上滑动。送料步进电机103控制送料辊101的送料速度，在实际操作过程中，送料辊101对卷料的制动或启动是瞬时完成的，因此会造成卷料的张力变化过大。因此设置控制装置，来控制张力变化过大的问题。

控制装置300包括移动辊301，移动辊301受保守力作用，如重力，弹力，电磁力等。如图1，卷料绕过移动辊301，并形成一定的曲折。

以重力作为保守力为示例，如图2，移动辊301悬挂若干砝码306，并在重力的作用下向下垂放，同时，移动辊301还受有卷料的拉力作用，拉力的大小等于卷料张力的大小。在卷料以匀速收卷或静止时，拉力的合力大小与移动辊301所受重力的大小相等，方向相反。当送料装置100制动时，卷料张力增大，给移动辊301拉力的合力增大，以致大于移动辊301所受的重力，带动移动辊301向上运动，卷料渐渐拉直，并且张力渐渐减小，直到移动辊301处于力的平衡状态；这时，卷料的运动也达到平衡状态，即静止。在这个暂态过程中，当送料装置100制动时，卷料并未立即静止，而是经过了一段时间的减速过程，因此据上述公式，时间t增大，张力变化量△F减小。

当送料装置100启动时，卷料张力减小，给移动辊301拉力的合力减小，以致小于移动辊301所受的重力，带动移动辊301向下运动，卷料渐渐更加曲折，并且张力渐渐增大，直到移动辊301处于力的平衡状态；这时，卷料的运动也达到平衡状态，即匀速运动。在这个暂态过程中，当送料装置100启动时，卷料并未立即达到匀速运动，而是经过了一段时间的加速过程，因此据上述公式，时间t增大，张力变化量△F减小。

除此之外，由于卷料与移动辊301之间为纯滚动摩擦，控制装置300还提供了一个更佳的效果。如图2，在上述任一暂态过程中，移动辊301的受力情况隔开成了两个部分，第一部分为送料装置100到移动辊301之间，第二部分为移动辊301到收卷装置200之间。即，如，当送料装置100制动时，首先是送料装置100到移动辊301之间的卷料张力变大，而移动辊301到收卷装置200之间的卷料张力依旧保持不变，随后，移动辊301渐渐向靠近收卷装置200的一边滚动，移动辊301到收卷装置200之间的卷料张力才渐渐开始增大，随后随着系统的稳定，而再次减小张力，直到达到平衡。

鉴于上述分析，在一个实施例中，请参照图3，控制装置300还包括近传导辊308、远传导辊309、导轨310，导轨310为弧形导轨，移动辊301滑动连接在导轨310上，远传导辊309设置于导轨310的圆心处，近传导辊308处于导轨310所在圆形的圆外；卷料依次绕过近传导辊308、移动辊301、远传导辊309。见图5中，自远传导辊309到收卷装置200之间的卷料长度是不随卷料运动状态改变的定值；将远传导辊309设置在弧形导轨310的圆心处，使得移动辊301至远传导辊309之间的卷料长度也是定值。因此，无论送料装置100处于怎样的送料状态，移动辊301至收卷装置200之间的卷料长度始终为定值，从而减小送料装置100送料状态的变化对卷料张力的影响，进而使收卷张力符合锥度张力规律。

在一个实施例中，移动辊301内设有用于增大移动辊301转动阻尼的阻尼单元。由于上述设置，移动辊301会由在水平方向上的纯绕轴转动，转为绕轴转动与平动的结合，在移动辊301的平动过程中，会降低甚至抵消移动辊301到收卷装置200之间的卷料张力变化的速度，以更佳的保障当卷料收卷于收卷装置200时，收卷张力符合锥度张力规律。

在一个实施例中，参照图4，弹簧307具有两端，其一端连接于移动辊301，另一端连接于任一与送料辊101位置相对固定之处。

在一个实施例中，更佳的，将上述阻尼单元设置为可调节阻尼的阻尼单元，对于不同的材料，不同质量或构造的系统，其最优阻尼也有所不同，因此设置为可调节阻尼，以方便调试。

在一个实施例中，具体的，阻尼单元提供的阻尼类型为电磁阻尼。根据楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化；因此在送料装置100改变卷料运动状态的瞬间，移动辊301在阻尼单元的影响下，依然会以原有的转速运行，这导致在移动辊301至收卷装置200之间的卷料运行速度在送料装置100改变的瞬间大体保持不变，然后以极慢的加速度改变移动辊301至收卷装置200之间的卷料运行速度，因此在移动辊301至收卷装置200之间的卷料的张力能大体保持不变。

在具体实施过程中，由于不同材料的张力系数不同，且由于控制参数的不同，而具有不同的保守力大小的需求；为了使保守力的大小更方便的调试至最优大小，实施例中提供两种可供选择的具体实施方式。

在一个实施例中，保守力由电磁力提供。参照图5，采用永磁体304与电磁铁305相互作用来提供保守力，其中电磁铁305的磁感应强度由通电电流决定，因此方便调节保守力至最适合的卷料的大小。具体的，永磁体304连接移动辊301；电磁铁305靠近永磁体304设置，用于吸引所述永磁体304。更具体的，电磁铁305设置在永磁体304的正下方，将电磁力作为重力的补充，因此调节范围可相应缩小，达到更高的精度。更佳的，为了达到上一实施例的技术效果，可设置电磁铁305的作用面积大于永磁体304的作用面积。理所当然的，永磁体304与电磁铁305可以更换位置。

在另一个实施例中，保守力由杠杆302来提供调节。参照图1，杠杆302的阻力臂上设置移动辊301；动力臂上连接提供保守力的动力组件，如弹簧306、补偿气缸304、再如上述实施例中的永磁体304和电磁铁305。一般情况下，对于受力敏感的材料，为了降低卷料受力，设置阻力臂臂长大于动力臂臂长。

为了方便调节保守力的大小，动力臂与阻力臂的臂长可以调节，以调节动力臂与阻力臂臂长的比值。其具备至少两个有益效果，一为方便调节移动辊301所受的固定保守力至最适合的卷料的大小，以达到优化的收卷效果，如重力大小取决于砝码的个数，为阶梯变化的受力，该设置将其改变为连续变化的保守力；二为给卷料提供更合适的缓冲距离。

在一个实施例中，动力臂为可锁定的伸缩杆，调节至合适的长度后，锁定即可。

在另一个实施例中，动力臂上设有导槽，动力组件滑动连接在导槽上，动力组件至合适的位置后，将其锁定即可，锁定方式可以是夹紧锁定或插销锁紧，甚至可以利用超导体的量子锁定效果进行锁紧。

在一个实施例中，参照图1，由于控制装置300需要保守力的涉入，其具备一定的方向性，从而导致卷料不能从最佳角度收卷至收卷装置200中，因此，在控制装置300与收卷装置200之间设置换向辊5，以引导卷料从最佳角度收卷至收卷装置200中，避免擦伤卷料。

在一个实施例中，参照图1，卷料自放卷轴401上释放，然后穿过送料装置100和控制装置300，收卷于收卷装置200上。同时，自适应锥度张力控制系统还包括磁粉制动器402，磁粉制动器402的输出端连接放卷轴401，用于拉紧卷料。

针对特定的应用，比如应用于新能源动力电池领域的一种超薄卷料，该卷料宽度只有10mm，厚度只有40μm，需激光在卷料的非粘性面上镭雕二维码并读取。需解决如下难题：一、频繁的间歇运动；要求先在卷料上镭雕二维码，然后读码器读码，若读码成功，则继续运动至下一个打标位打标；若读码不成功，则该已镭雕的二维码需用激光打掉，然后在其附近重新打一个二维码，重新读取。该重打过程最多重复三次，若连续三次读码均失败，则机器报警，人工介入处理。此应用需求决定了该卷料的收放卷不能像普通的收放卷机器一样一直连续运动，需做频繁的间歇运动，在电机不断启停送料的过程中会受到周期性的拉力冲击，而张力控制的一大前提就是物料运动需尽可能的平稳，这就让卷料激光镭雕张力控制变得更加困难。二、易变形；由于该卷料厚度只有40μm，很小的拉力波动就会造成卷料的弹性变形，如同橡皮筋一样，且若在拉伸状态下就被绕在了收卷轴上，随着时间的推移，卷料上的内应力会慢慢释放，不断挤压变形，就会出现收卷时端面平齐但放置一段时间后又出现锯齿形等不良现象。三、张力敏感；在使用恒张力控制的情况下，由于该卷料太薄，对张力异常敏感，测试后发现，若使用恒张力控制会出现凹凸形不良现象。

针对该特定应用所采用的实施例，在上述实施例的基础上，参照图1，还包括随动辊105，限位辊106，限位气缸107，镭雕器601，读码器602。随动辊105设置在放卷轴401与送料装置100之间，卷料绕过随动辊105，限位辊106连接限位气缸107的输出端，在限位气缸107的作用下，限位辊106将卷料压紧在随动辊105上。在磁粉制动器402的作用下，随动辊105至送料装置100之间的卷料被拉直，在随动辊105至送料装置100之间的卷料平面的一侧，通常是上侧，设置镭雕器601和读码器602，且，卷料处于镭雕器601和读码器602共同的焦平面上。

本实施例中，伺服电机202为安川7J系列400W伺服，额定转矩为1.27N·m，瞬时最大转矩为4.46N·m，额定转速为3000r/min。伺服重要参数选择为：Pn000(控制方式选择)为0020，Pn002(转矩限制选项)为0000，Pn400(转矩指令输入增益)为100，Pn402(正转转矩限制)为120，Pn407(转矩控制时的速度限制)为120。伺服电机202所接收的持续恒定模拟量电压为1.150V。经实验，本实施例下的综合送料速度可达200mm/s，读码成功率达99.9％。

在系统参数设定完备后，参照图1，可采用如下步骤使用该系统：

首先，系统初始化，将限位气缸107和制动气缸104收回，带动限位辊106和制动辊102离开随动辊105和送料辊101；送料步进电机103和伺服电机202去使能，使送料辊101和收卷轴201处于自由转动状态，方便上料。

然后，上料后预启动，将限位气缸107启动，带动限位辊106压紧随动辊105；使随动辊105和送料辊101间的卷料始终保持展平状态，处于镭雕器601和读码器602共同的焦平面上。伺服电机202上使能，并以额定转矩的40％开始工作，使随动辊105至收卷轴201之间的卷料逐渐拉直。补偿气缸303接通约0.4MPa的压缩气体。当随动辊105至收卷轴201之间的卷料逐渐拉直后，再使制动气缸104启动，带动制动辊102压紧送料辊101。送料步进电机103上使能。

之后保持自动运行。

与现有技术相比，上述实施例具有的主要有益效果可以概括为自适应张力控制系统使整个卷料上的张力取得锥度张力变化规律，变得更加均匀而不是被挤压变形，从而获得优良的收卷端面效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种自适应锥度张力控制系统，用于间歇性运动的卷料的收卷过程中的锥度张力控制，其特征在于，包括：

送料装置，包括送料辊，所述送料辊用于输送所述卷料并控制所述卷料的运动状态；

收卷装置，包括提供恒定收卷转矩的收卷轴，所述卷料收卷于所述收卷轴上；

控制装置，设置在送料装置与收卷装置之间，所述控制装置包括移动辊、动力组件、近传导辊、远传导辊和弧形导轨；所述卷料绕过所述移动辊，所述动力组件用于提供保守力，以使移动辊相对所述送料装置移动，而稳定所述送料装置在间歇性制动与启动的状态切换过程中产生的张力变化；所述移动辊滑动连接在所述弧形导轨上，所述远传导辊设置于所述弧形导轨的圆心处，所述近传导辊处于所述弧形导轨所在圆形的圆外；所述卷料依次绕过所述近传导辊、所述移动辊、所述远传导辊，使所述移动辊至所述远传导辊之间的卷料长度为定值；

其中，所述控制装置还包括杠杆；所述杠杆的阻力臂上设置所述移动辊，动力臂上设置所述动力组件；所述阻力臂臂长大于所述动力臂臂长；

所述动力组件活动连接在所述动力臂上，用于调节所述动力臂和所述阻力臂的长度比例。

2.根据权利要求1所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：所述动力组件包括永磁体和电磁铁；所述永磁体连接所述移动辊；所述电磁铁靠近所述永磁体设置，用于吸引所述永磁体。

3.根据权利要求1所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：所述动力组件包括气缸，所述气缸内充入定量气体。

4.根据权利要求1所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：所述移动辊内设有用于增大所述移动辊转动阻尼的阻尼单元。

5.根据权利要求4所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：所述阻尼单元提供阻尼类型为电磁阻尼。

6.根据权利要求1所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：所述送料装置还包括送料步进电机和制动辊，所述送料步进电机的输出端连接所述送料辊，所述制动辊将所述卷料压紧在所述送料辊上。

7.根据权利要求1所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：所述收卷装置还包括连接所述收卷轴的伺服电机，所述伺服电机提供恒定转矩。

8.根据权利要求1所述的自适应锥度张力控制系统，其特征在于：还包括放卷轴和连接所述放卷轴的磁粉制动器，所述卷料自放卷轴释放，并由所述送料装置输送，经所述控制装置后，收卷于收卷装置上。

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