CN112249777A - 一种恒张力控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒张力控制装置及控制方法，包括第一导向轮、浮动滑轮组件、第二导向轮、测量监控机构、导向轮安装板、第三导向轮、底板、驱动机构和编码器；基材的一端绕附于所述收卷滚筒，其另一端自所述收卷滚筒依次穿过所述第三导向轮、测量监控机构、第二导向轮、第二导向轮和第一导向轮；驱动机构用于根据所述测量监控机构显示的基材的张力数值驱动所述收卷滚筒转动，以实现对所述基材的收卷或放卷从而使所述基材的张力保持恒定。本发明采用了电机驱动磁粉离合器作为执行机构，并使用浮动滑轮组件进行被动调节，对被控目标的张力起到良好的控制；并且采用前馈控制与反馈控制相结合的方法对被控目标的张力进行精确控制，提升了控制精度。

Description

一种恒张力控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，更具体地，涉及一种恒张力控制装置及控制方法。

背景技术

张力控制，指的是对在两个加工设备之间静止或作连续运动的被加工材料所受的张力进行自动控制的技术。传统的张力控制一般应用于造纸、印刷、包装、纺织印染等行业中。

目前市场上的张力控制方法，针对的是一侧放卷，一侧收卷的双端固定系统的恒张力控制，该方案已经较为成熟，能够满足行业的基本需求。在这些张力控制系统中，被控目标一直处于运动状态。而且，在这些张力控制系统中，被加工材料的两端导轮位置不变，通过调节放卷速度与收卷速度之间的速度差，使得张力根据控制需求变化。然而，当被加工材料两端的导轮存在相对位置变化，尤其是无法预测的变化时，例如两端分别位于两个不同的移动物体上时，目前的张力控制装置并不能保持张力恒定不超调。故亟需一种能在被控目标双端导轮存在相对位移时也能使用的张力控制装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种恒张力控制装置及控制方法，由此解决连接两相对移动平台的基材张力不恒定的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种恒张力控制装置，包括：第一导向轮、第二导向轮、测量监控机构、导向轮安装板、第三导向轮、底板、驱动机构和编码器；

所述导向轮安装板垂直安装于所述底板上；所述驱动机构安装于所述底板并位于所述导向轮安装板的一侧，所述驱动机构的输出端设有收卷滚筒；

所述第一导向轮、所述第二导向轮和所述第三导向轮沿水平方向间隔安装于所述导向轮安装板上；测量监控机构位于所述第二导向轮与所述第三导向轮之间；所述编码器安装于所述第一导向轮；

基材的一端绕附于所述收卷滚筒，其另一端自所述收卷滚筒依次穿过所述第三导向轮、测量监控机构、第二导向轮、浮动滑轮组件和第一导向轮；

所述驱动机构用于根据所述测量监控机构显示的所述基材的张力数值驱动所述收卷滚筒转动，以实现对所述基材的收卷或放卷从而使所述基材的张力保持恒定。

优选地，还包括浮动滑轮组件，所述浮动滑轮组件安装于所述导向轮安装板并位于所述第一导向轮与所述第二导向轮之间；

所述浮动滑轮组件包括浮动滑轮、直线导轨、安装座、弹簧支撑点、导轨底座和支撑件；

所述浮动滑轮安装于所述安装座，所述浮动滑轮和所述安装座分别位于所述导向轮安装板的两侧；所述安装座滑动安装于所述直线导轨；所述直线导轨固定安装于所述导轨底座；所述导轨底座的两端设有支撑件，所述支撑件用于使所述直线导轨在所述导轨底座上滑动；

所述安装座的两端设有弹簧支撑点，所述弹簧支撑点分别连接于所述导轨底座两端的支撑件。

优选地，所述导向轮安装板设有第一安装孔、浮动滑轮安装孔、第二安装孔、第三安装孔和测量监控机构安装座；

所述第一安装孔、所述第二安装孔、所述第三安装孔分别沿垂直于所述底板的方向设有多个；所述浮动滑轮安装孔设置于所述第一安装孔与所述第二安装孔之间；所述测量监控机构安装座设置于所述第二安装孔与所述第三安装孔之间。

优选地，所述驱动机构还包括电机、联轴器和离合器；

所述电机的输出端连接于所述联轴器的一端，所述联轴器的另一端连接于所述离合器的输入端；所述离合器的输出端连接于所述收卷滚筒；

所述电机用于通过所述联轴器带动所述离合器的输入端转动，且传动扭矩大于所述离合器的设定扭矩，以使所述离合器产生差速转动；所述离合器的输出端用于通过转动所述收卷滚筒使所述基材产生恒定的收卷力。

优选地，所述离合器为磁粉离合器。

优选地，所述第一导向轮为可转向型导向轮。

按照本发明的另一方面，提供了一种恒张力控制方法，通过控制驱动机构输出扭矩值为固定值，以实现连接两相对移动平台的基材张力保持恒定，其中所述驱动机构由电机、联轴器、磁粉离合器和收卷滚筒依次连接组成，所述方法具体包括以下步骤：

预设驱动机构的输出扭矩，对测量监控机构进行标定；

当给电机一个阶跃信号后，所述电机通过联轴器带动磁粉离合器的输入端转动，所述电机转动扭矩大于所述磁粉离合器设定扭矩，使两者之间产生差速转动，所述磁粉离合器的输出端扭矩即为驱动机构的预设扭矩；

所述磁粉离合器的输出端扭矩通过收卷滚筒，实现对基材产生恒定的收卷力。

优选地，根据测量监控机构监测的实时张力数据，通过调节所述磁粉离合器的控制电压，进而改变所述磁粉离合器输出端的扭矩值，以实现对基材张力的实时控制。

优选地，当编码器检测到干扰信号过大时，通过加入前馈控制器，对干扰信号进行运动预报算法获取预报值以补偿干扰信号的影响。

优选地，所述前馈控制器还通过B样条插值法将所述运动预报算法得到的离散预报值进行连续化，进而获得未来一段时间的干扰信号，从而使所述前馈控制器提前进行补偿。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的恒张力控制装置根据测量监控机构显示基材的张力数值，通过驱动机构输出扭矩为固定值，使得基材张力恒定，并通过浮动滑轮组件防止超调，实现了对基材的恒张力控制；

2、本发明的恒张力控制装置通过电机驱动磁粉离合器作为执行机构，可以大大提升控制精度；

3、本发明的恒张力控制方法通过引入前馈控制器，通过对干扰信号进行预报算法以补偿干扰信号的影响，并通过B样条插值法将运动预报算法获得的离散值进行连续化，让系统进行提前动作，以抵消时滞对系统控制带来的不利影响，提高了恒张力装置的精度；

4、本发明提出的恒张力控制装置可以应用于海上两船舶之间的绳索张力控制、空中双飞行器之间的柔性管道的恒张力控制，也可以用于两电线塔之间电线电缆的静态张力控制等，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明的恒张力控制装置的结构示意图；

图2是本发明恒张力控制装置的绕线及浮动滑轮组件安装示意图；

图3是本发明的驱动机构的结构示意图；

图4是本发明的浮动滑轮组件的结构正视图；

图5是本发明的浮动滑轮组件的结构侧视图；

图6是本发明的导向轮安装板的结构正视图；

图7是本发明的导向轮安装板的结构侧视图；

图8是本发明实施例中两相对移动平台的恒张力控制装置的结构示意图；

图9是本发明恒张力控制方法的控制算法框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：第一导向轮1；浮动滑轮组件2；第二导向轮3；测量监控机构4；导向轮安装板5；第三导向轮6；底板7；驱动机构8；驱动机构安装座9；电机10；联轴器11；离合器12；收卷滚筒13；直线导轨14；安装座15；弹簧支撑点16；导轨底座17；支撑件18；第一安装孔19；浮动滑轮安装孔20；第二安装孔21；第三安装孔22；测量监控机构安装座23；前导轮24；后导轮25。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明恒张力控制装置的结构示意图。如图1所示，本发明提出了一种恒张力控制装置，由第一导向轮1、第二导向轮3、第三导向轮6、浮动滑轮组件2、测量监控机构4、导向轮安装板5、底板7、驱动机构8和编码器组成。

导向轮安装板5安装于所述底板7上，所述驱动机构8安装于所述导向轮安装板5的一侧。

更进一步的说明，图6是本发明的导向轮安装板的结构正视图。如图6所示，所述导向轮安装板5包括多个垂直排列的第一安装孔19，所述第一导向轮1安装于所述第一安装孔19内，可根据实际需要，将所述第一导向轮1的高度位置进行调整。所述导向轮安装板5还包括多个与所述第一安装孔19平行设置的多个垂直排列的所述第二安装孔21和多个垂直排列的所述第三安装孔22，所述第二导向轮3和所述第三导向轮6分别安装于所述第二安装孔21和所述第三安装孔22内。同理，可根据实际需要对所述第二导向轮3和所述第三导向轮6的高度位置进行调整。

更进一步的说明，图7是本发明的导向轮安装板的结构侧视图。如图6和图7所示，所述导向轮安装板5上还包括浮动滑轮安装孔20和测量监控机构安装座23。所述浮动滑轮安装孔20为一矩形长孔，具体的，所述矩形长孔位于导向轮安装板5中部靠下的部位，所述浮动滑轮组件2可在所述浮动滑轮安装孔孔径的长度区间内进行上下移动。所述测量监控机构安装座23位于所述导向轮安装板5的底部，其包括一个方孔和一个底座，所述方孔用于将所述测量监控机构4的测量端伸出，所述底座设置于所述底板7上，其贴合于底板7使得位于底座上的测量监控机构在工作时更加稳定。

更进一步的说明，所述第一导向轮1上设有编码器。所述编码器为测量外部干扰信号用，所获得的信号可以用于高精度控制算法使用。

图4是本发明的浮动滑轮组件的结构正视图。如图4所示，所述浮动滑轮组件2包括浮动滑轮、直线导轨14、安装座15和弹簧支撑点16，所述浮动滑轮组件2除所述浮动滑轮外，全部设置于所述导向轮安装座5的后侧，所述浮动滑轮穿过所述浮动滑轮安装孔20位于所述导向轮安装座5的前侧，即所述浮动滑轮与第一导向轮、第二导向轮和第三导向轮位于导向轮安装座的同一侧。

具体的，所述浮动滑轮安装在所述安装座15上，所述安装座15安装于所述直线导轨14上并且可沿着直线导轨的轨迹移动。所述安装座15的上下两端分别设有弹簧支撑点16，具体的，所述弹簧支撑点16为圆柱形的凸点。两个所述弹簧支撑点16分别套有两根弹簧。图5是本发明的浮动滑轮组件的结构侧视图。如图5所示，所述浮动滑轮组件2还包括导轨底座17和支撑件18，所述直线导轨14固定安装于所述导轨底座17，所述支撑件位于所述导轨底座17的两端，两根弹簧分别连接于位于导轨底座两端的支撑件。本发明通过双弹簧固定浮动滑轮安装座可以抵消其自身的重力作用，使得控制装置的控制精度更高。

需要说明的是，所述浮动滑轮组件2在干扰信号频率较大时连入系统，可以对高频干扰信号产生抑制效果，使张力的控制效果提升。当干扰信号频率较小时，无需浮动滑轮组件2。

图3是本发明的驱动机构的结构示意图。如图3所示，所述驱动机构8通过驱动机构安装座9固定安装于所述底板7上，所述驱动机构8包括电机10、联轴器11、离合器12和收卷滚筒13。所述电机10的输出轴连接于所述联轴器11的一端，所述联轴器11的另一端连接于所述离合器12的一端，所述离合器12的另一端安装有所述收卷滚筒13。需要说明的是，所述收卷滚筒13与所述第一导向轮1、所述浮动滑轮、所述第二导向轮3和所述第三导向轮6皆位于同一平面上。

优选地，本发明中所述离合器12为磁粉离合器。

具体的，所述电机10用于通过所述联轴器11带动所述磁粉离合器12的输入端转动，且传动扭矩大于所述磁粉离合器12的设定扭矩，以使所述磁粉离合器12产生差速转动；所述磁粉离合器12的输出端用于通过转动所述收卷滚筒13使所述基材产生恒定的收卷力。

更进一步的说明，通过调节电机10的转速，可以调节装置的控制能力。具体的，转速越高，控制效果越好。

优选地，根据所述测量监控机构4的读数，通过调节输入磁粉离合器12的电压控制信号，可以调节被控基材的张力大小，满足各种需要。

优选地，根据所述测量监控机构4的读数，可以知道整个装置的控制效果，若张力波动超出允许范围，可适当增大电机10的转速，加强控制效果。

优选地，本发明中可以将所述第一导向轮1更换为可转向型导轮，可以使所述装置在导轮多自由度相对位移时依然能够发挥恒张力的控制作用。

将本发明的装置固定安装于两相对移动平台中的一个平台，通过基材将两相对移动平台进行连接。需要说明的是，所述基材可以为绳索、柔性管道、电缆等可以用于连接两平台的任意柔性基材。

图2是本发明恒张力控制装置的绕线及浮动滑轮组件安装示意图。如图2所示，所述基材的一端绕附于安装于所述驱动机构8的收卷滚筒13，其另一端依次穿过所述第三导向轮6、测量监控机构4、第二导向轮3、浮动滑轮组件2和第一导向轮1后连接于另一移动平台。

本发明的创新点在于采用了常开的电机驱动磁粉离合器作为执行机构，并且在装置中使用浮动滑轮组件进行被动调节，防止装置发生瞬时超调，可以对被控基材的张力进行良好的控制。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

图8是本发明实施例中两相对移动平台的恒张力控制装置的结构示意图。其中，恒张力控制装置放置于供给船上，所述基材为线材，所述基材的另一端绕附于后导轮25后连接于接收船，需要说明的是，图中前导轮24相当于恒张力控制装置中的第一导向轮。

在装置进行加载前，需要先进行张力标定，以及对测量监控机构4进行标定。

如图8所示，在进行张力恒定控制时，当前导轮24与后导轮25距离变小时，所述前导轮24处线材张力变小，即第一导向轮处线材张力变小，浮动滑轮组件2通过自身弹簧的作用，滑轮部分向下降低，使得线材保持张紧。与此同时，驱动机构8自动收卷，使得线材张力迅速恢复至额定值，浮动滑轮组件2回到初始平衡位置。

当前导轮24与后导轮25距离变大时，第一导向轮处线材张力变大，浮动滑轮组件2通过自身弹簧的作用，滑轮部分向上提升，使得线材不会过度张紧。与此同时，所述驱动机构8自动放卷，使得线材张力迅速恢复至额定值，浮动滑轮组件2回到初始平衡位置。

更进一步的说明，本发明中的恒张力控制装置可以用于如上述实施例所提到的海上两船舶之间的绳索张力控制，还可以用于空中双飞行器之间的柔性管道等两端导轮存在不定位移的特殊条件下的线材恒张力控制。同时，本发明的恒张力控制装置也可以用于两电线塔之间电线电缆的静态张力控制等。

本发明的另一个实施例提出了一种恒张力控制方法，该方法基于上文所述的恒张力控制装置，其原理在于通过驱动机构输出扭矩为固定值，从而由式T＝F×R来使得基材张力稳定，并通过浮动滑轮组件防止超调。式中T为输出扭矩，F为被控张力，R为收卷滚筒的收卷半径。

具体的，本发明提出了一种恒张力控制方法，通过控制驱动机构输出扭矩值为固定值，以实现连接两相对移动平台的基材张力保持恒定，其中所述驱动机构由电机、联轴器、磁粉离合器和收卷滚筒依次连接组成，所述方法具体包括以下步骤：

预设驱动机构的输出扭矩，对测量监控机构进行标定；

当给电机一个阶跃信号后，所述电机通过联轴器带动磁粉离合器的输入端转动，所述电机转动扭矩大于所述磁粉离合器设定扭矩，使两者之间产生差速转动，所述磁粉离合器的输出端扭矩即为驱动机构的预设扭矩；

所述磁粉离合器的输出端扭矩通过收卷滚筒，实现对基材产生恒定的收卷力。

更进一步的说明，根据测量监控机构监测的实时张力数据，通过调节所述磁粉离合器的控制电压，进而改变所述磁粉离合器输出端的扭矩值，以实现对基材张力的实时控制。

更进一步的说明，当编码器检测到干扰信号过大时，通过加入前馈控制器，对干扰信号进行运动预报算法获取预报值以补偿干扰信号的影响。

更进一步的说明，所述前馈控制器还通过B样条插值法将所述运动预报算法得到的离散预报值进行连续化，进而获得未来一段时间的干扰信号，从而使所述前馈控制器提前进行补偿。

具体的，图9是本发明恒张力控制方法的控制算法框图。如图9所示，干扰信号可以通过第一导向轮1处的编码器获得。根据所获得的干扰信号，以结构不变性原理为依据，可以相应的设计合适的前馈控制器，在对干扰信号进行预报算法获得预报值之后，理想情况下，可以完全补偿干扰信号的影响。实际张力值由测量监控机构获得，可以运用所获得的值对系统进行反馈补偿，提高控制精度。

更进一步的说明，所述前馈控制器可以基于运动预报算法和B样条插值法进行设计，由运动预报算法获得干扰信号未来的变化，通过B样条插值法将运动预报算法获得的离散值进行连续化，让系统进行提前动作，以抵消时滞对系统控制带来的不利影响，提高了恒张力控制装置的精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种恒张力控制装置，其特征在于，包括：第一导向轮(1)、第二导向轮(3)、测量监控机构(4)、导向轮安装板(5)、第三导向轮(6)、底板(7)和驱动机构(8)；

所述导向轮安装板(5)垂直安装于所述底板(7)上；所述驱动机构(8)安装于所述底板(7)并位于所述导向轮安装板(5)的一侧，所述驱动机构(8)的输出端设有收卷滚筒(13)；

所述第一导向轮(1)、所述第二导向轮(3)和所述第三导向轮(6)沿水平方向间隔安装于所述导向轮安装板(5)上；测量监控机构(4)位于所述第二导向轮(3)与所述第三导向轮(6)之间；

基材的一端绕附于所述收卷滚筒(13)，其另一端自所述收卷滚筒(13)依次穿过所述第三导向轮(6)、测量监控机构(4)、第二导向轮(3)、浮动滑轮组件(2)和第一导向轮(1)；

所述驱动机构(8)用于根据所述测量监控机构(4)显示的所述基材的张力数值驱动所述收卷滚筒(13)转动，以实现对所述基材的收卷或放卷从而使所述基材的张力保持恒定。

2.根据权利要求1所述的一种恒张力控制装置，其特征在于，还包括浮动滑轮组件(2)，所述浮动滑轮组件(2)安装于所述导向轮安装板(5)并位于所述第一导向轮(1)与所述第二导向轮(3)之间；

所述浮动滑轮组件(2)包括浮动滑轮、直线导轨(14)、安装座(15)、弹簧支撑点(16)、导轨底座(17)和支撑件(18)；

所述浮动滑轮安装于所述安装座(15)，所述浮动滑轮和所述安装座(15)分别位于所述导向轮安装板(5)的两侧；所述安装座(15)滑动安装于所述直线导轨(14)；所述直线导轨(14)固定安装于所述导轨底座(17)；所述导轨底座(17)的两端设有支撑件(18)，所述支撑件(18)用于使所述直线导轨(14)在所述导轨底座(17)上滑动；

所述安装座(15)的两端设有弹簧支撑点(16)，所述弹簧支撑点(16)分别连接于所述导轨底座(17)两端的支撑件(18)。

3.根据权利要求1或2所述的一种恒张力控制装置，其特征在于，所述导向轮安装板(5)设有第一安装孔(19)、浮动滑轮安装孔(20)、第二安装孔(21)、第三安装孔(22)和测量监控机构安装座(23)；

所述第一安装孔(19)、所述第二安装孔(21)、所述第三安装孔(22)分别沿垂直于所述底板(7)的方向设有多个；所述浮动滑轮安装孔(20)设置于所述第一安装孔(19)与所述第二安装孔(21)之间；所述测量监控机构安装座(23)设置于所述第二安装孔(21)与所述第三安装孔(22)之间。

4.根据权利要求3所述的一种恒张力控制装置，其特征在于，所述驱动机构(8)还包括电机(10)、联轴器(11)和离合器(12)；

所述电机(10)的输出端连接于所述联轴器(11)的一端，所述联轴器(11)的另一端连接于所述离合器(12)的输入端；所述离合器(12)的输出端连接于所述收卷滚筒(13)；

所述电机(10)用于通过所述联轴器(11)带动所述离合器(12)的输入端转动，且传动扭矩大于所述离合器(12)的设定扭矩，以使所述离合器(12)产生差速转动；所述离合器(12)的输出端用于通过转动所述收卷滚筒(13)使所述基材产生恒定的收卷力。

5.根据权利要求4所述的一种恒张力控制装置，其特征在于，所述离合器(12)为磁粉离合器。

6.根据权利要求1所述的一种恒张力控制装置，其特征在于，所述第一导向轮(1)为可转向型导向轮。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的一种恒张力控制装置的控制方法，其特征在于，通过控制驱动机构输出扭矩值为固定值，以实现连接两相对移动平台的基材张力保持恒定，其中所述驱动机构由电机、联轴器、磁粉离合器和收卷滚筒依次连接组成，所述方法具体包括以下步骤：

预设驱动机构的输出扭矩，对测量监控机构进行标定；

当给电机一个阶跃信号后，所述电机通过联轴器带动磁粉离合器的输入端转动，所述电机转动扭矩大于所述磁粉离合器设定扭矩，使两者之间产生差速转动，所述磁粉离合器的输出端扭矩即为驱动机构的预设扭矩；

所述磁粉离合器的输出端扭矩通过收卷滚筒，实现对基材产生恒定的收卷力。

8.根据权利要求7所述的一种恒张力控制方法，其特征在于，根据测量监控机构监测的实时张力数据，通过调节所述磁粉离合器的控制电压，进而改变所述磁粉离合器输出端的扭矩值，以实现对基材张力的实时控制。

9.根据权利要求7或8所述的一种恒张力控制方法，其特征在于，当编码器检测到干扰信号过大时，通过加入前馈控制器，对干扰信号进行运动预报算法获取预报值以补偿干扰信号的影响。

10.根据权利要求9所述的一种恒张力控制方法，其特征在于，所述前馈控制器还通过B样条插值法将所述运动预报算法得到的离散预报值进行连续化，进而获得未来一段时间的干扰信号，从而使所述前馈控制器提前进行补偿。

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