CN115335304A - 张力控制装置、张力控制程序及存储介质 - Google Patents

张力控制装置、张力控制程序及存储介质 Download PDF

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CN115335304A CN202080099127.7A CN202080099127A CN115335304A CN 115335304 A CN115335304 A CN 115335304A CN 202080099127 A CN202080099127 A CN 202080099127A CN 115335304 A CN115335304 A CN 115335304A
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Abstract

张力控制装置(10)对在旋转体即卷芯进行卷绕的对象物的张力进行控制。张力控制装置(10)具有：卷径分布取得部(11)，其是取得卷芯径分布的取得部，该卷芯径分布表示针对以卷芯的旋转轴为中心的卷芯的周上的每个位置的卷芯的直径；第1补偿量运算部(30)，其对第1补偿量进行计算，该第1补偿量是通过基于卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由在卷芯卷绕有对象物的卷绕体的直径即卷径的变动引起的张力的变动；第2补偿量运算部(31)，其基于对被输送的对象物的周速度进行检测而得到的结果，对第2补偿量进行计算，该第2补偿量是通过基于卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由与卷绕体的旋转相伴的惯性矩的变动引起的张力的变动；以及转矩控制部(33)，其基于第1补偿量和第2补偿量，对用于使卷芯旋转的转矩进行控制。

Description

张力控制装置、张力控制程序及存储介质
技术领域
本发明涉及对卷绕于卷芯的对象物的张力进行控制的张力控制装置、张力控制程序及存储介质。
背景技术
关于在卷芯进行卷绕的对象物即长条的材料，在进行材料的放卷或者材料的卷绕时，进行用于防止材料的变形、材料的断裂或者材料的弯曲的张力控制。作为张力控制的方法，已知通过转矩控制而实现的方法和通过速度控制而实现的方法。在转矩控制中，通过对用于使卷芯旋转的转矩直接进行控制，从而使张力恒定。在速度控制中，使送出材料的进给电动机的速度和卷芯的速度同步，由此使卷芯所产生的张力不施加于材料，然后通过张力赋予机构对材料赋予一定的张力。在转矩控制的情况下，不需要张力赋予机构，因此与速度控制的情况相比能够使用于张力控制的结构变得简单。另外，在转矩控制的情况下，也可以不确保用于赋予张力的材料的轨迹线，因此与速度控制的情况相比能够缩短轨迹线。由于能够缩短轨迹线，因此转矩控制具有下述特征，即，能够使控制响应性变好，能够进行高精度的张力控制。
在通常的材料的放卷或者卷绕中，大多使用圆柱形状的卷芯。在制造二次电池或者电容器这样的蓄电元件的制造装置等中，有时在扁平形状的卷芯对材料进行卷绕，由此形成扁平形状的卷绕体。作为形成扁平形状的卷绕体的方法，还已知对圆筒状的卷绕体进行按压的方法。在使用扁平形状的卷芯而形成扁平形状的卷绕体的情况下，具有能够省略对卷绕体进行按压的工序这一优点。
在专利文献1公开了在通过扁平形状的卷芯将材料卷绕时进行通过速度控制实现的张力控制的扁平卷绕体的制造装置。根据专利文献1的技术，在从材料的供给源至卷芯为止的材料的移动路径上，设置使材料的张力恒定的张力稳定机构和与卷绕机联动的旋转凸轮。旋转凸轮在与材料的移动方向正交的方向使带状体振动，由此使材料的速度变动缓和。
在专利文献2公开了计算用于对由惯性矩的变动引起的张力的变动进行补偿的补偿量，由此进行通过转矩控制实现的张力控制的张力控制装置。
专利文献1：日本特开2010－235301号公报
专利文献2：日本特开平7－148518号公报
发明内容
在上述专利文献1中公开的现有技术中，在材料的移动路径上配置旋转凸轮和张力稳定机构，材料的轨迹线相应地变长，且用于张力控制的系统的结构变得复杂。如果轨迹线变长，则从向卷绕机输出转矩指令至张力稳定机构进行动作为止的传递时间变长，因此控制响应性变差。在如二次电池或者电容器这样的蓄电元件的制造中，为了将材料设为低张力且提高产品的品质，有时要求高精度的张力控制，但在专利文献1中公开的现有技术难以应对该要求。如上所述，根据在专利文献1中公开的现有技术，存在难以进行高精度的张力控制这一课题。
在上述专利文献2中公开的现有技术中，在用于张力控制的运算中，使用了将卷绕体的剖面为圆形作为前提的运算。因此，根据在专利文献2中公开的现有技术存在下述课题，即，在对剖面为圆形以外的形状的卷芯卷绕对象物的情况下，难以抑制张力变动。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到能够抑制在剖面为圆形以外的形状的卷芯进行卷绕的对象物的张力变动，且能够进行高精度的张力控制的张力控制装置。
为了解决上述的课题，并达到目的，本发明所涉及的张力控制装置对在旋转体即卷芯进行卷绕的对象物的张力进行控制。本发明所涉及的张力控制装置具有：取得部，其取得卷芯径分布，该卷芯径分布表示针对以卷芯的旋转轴为中心的卷芯的周上的每个位置的卷芯的直径；第1补偿量运算部，其对第1补偿量进行计算，该第1补偿量是通过基于卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由在卷芯卷绕有对象物的卷绕体的直径即卷径的变动引起的张力的变动；第2补偿量运算部，其基于对被输送的对象物的周速度进行检测而得到的结果，对第2补偿量进行计算，该第2补偿量是通过基于卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由与卷绕体的旋转相伴的惯性矩的变动引起的张力的变动；以及转矩控制部，其基于第1补偿量和第2补偿量对用于使卷芯旋转的转矩进行控制。
发明的效果
本发明所涉及的张力控制装置具有下述效果，即，能够抑制在剖面为圆形以外的形状的卷芯进行卷绕的对象物的张力变动，且能够进行高精度的张力控制。
附图说明
图1是表示包含实施方式1所涉及的张力控制装置的系统的结构的图。
图2是用于对在实施方式1所涉及的张力控制装置中对由卷径的变动引起的张力的变化量进行计算的方法进行说明的图。
图3是用于对通过实施方式1所涉及的张力控制装置实现的惯性矩的计算方法进行说明的第1图。
图4是用于对通过实施方式1所涉及的张力控制装置实现的惯性矩的计算方法进行说明的第2图。
图5是表示实施方式1所涉及的张力控制装置的功能结构的图。
图6是表示实施方式2所涉及的张力控制装置的功能结构的图。
图7是表示包含实施方式3所涉及的张力控制装置的系统的结构的图。
图8是表示实施方式3所涉及的张力控制装置的功能结构的图。
图9是表示实施方式1至3所涉及的张力控制装置所具有的硬件结构的例子的图。
具体实施方式
下面，基于附图对实施方式所涉及的张力控制装置、张力控制程序及存储介质详细地进行说明。
实施方式1.
图1是表示包含实施方式1所涉及的张力控制装置的系统的结构的图。图1所示的系统100进行材料1向旋转体即卷芯6a的卷绕和材料1的张力控制。系统100包含实施方式1所涉及的张力控制装置10。张力控制装置10对卷绕于卷芯6a的对象物即材料1的张力进行控制。材料1是可自由地变形的长条的材料，且如纸或者薄膜这样的带状的片材。材料1也可以是线状的材料。
系统100具有对材料1进行输送的进给辊3、对进给辊3进行驱动的进给电动机2、扁平形状的卷芯6a、对卷芯6a进行驱动的轴驱动机4和固定辊5。卷芯6a及轴驱动机4构成对材料1进行卷绕的卷绕机。卷绕体6由卷绕体6的中心即卷芯6a和卷绕于卷芯6a的周围的材料1构成。
卷芯6a之中的与旋转轴6b垂直的剖面为圆形以外的形状。卷芯6a的该剖面是在某径向上将圆压扁那样的形状，例如为椭圆形状。轴驱动机4以卷芯6a的旋转轴6b为中心使卷芯6a旋转。由进给辊3送出的材料1在与固定辊5接触后卷绕于卷芯6a。在卷芯6a将材料1进行卷绕，由此形成卷绕体6。
另外，系统100具有对卷芯6a的旋转角度进行检测的角度检测器7、对卷芯6a的直径即卷芯径或者卷绕体6的直径即卷径进行检测的卷径检测器8、对材料1的周速度进行检测的周速度检测器9、和张力控制装置10。周速度检测器9对从进给辊3送出的材料1的周速度、即由系统100输送的对象物的周速度进行检测。角度检测器7、卷径检测器8和周速度检测器9分别与张力控制装置10连接。张力控制装置10取得通过角度检测器7得到的旋转角度的检测结果、通过卷径检测器8得到的直径的检测结果和通过周速度检测器9得到的周速度的检测结果。
张力控制装置10进行用于张力控制的运算，将基于运算结果的转矩指令值向轴驱动机4输出。张力控制装置10进行通过转矩控制实现的张力控制。张力控制装置10与进行通过速度控制实现的张力控制的情况相比，不需要与卷绕机联动的旋转凸轮及用于抑制张力变动的机构这样的要素，相应地系统100的结构变得简单。另外，在转矩控制的情况下，可以不确保用于赋予张力的材料1的轨迹线，因此张力控制装置10与进行通过速度控制实现的张力控制的情况相比能够缩短轨迹线。由于能够缩短轨迹线，因此张力控制装置10能够使控制响应性变好，能够进行高精度的张力控制。
接下来，对张力控制装置10中的用于张力控制的运算进行说明。此外，在下面的说明中，卷绕体6的卷径是卷绕体6的半径，且设为卷绕体6的外周上的位置和卷芯6a的旋转中心之间的距离。卷芯6a的卷芯径是卷芯6a的半径，且设为卷芯6a的外周上的位置和卷芯6a的旋转中心之间的距离。在这里，在与扁平形状的卷芯6a有关的用于实施方式1所涉及的张力控制的运算的说明之前，对与圆柱形状的卷芯6a有关的现有技术所涉及的用于张力控制的运算进行说明。
将材料1所涉及的张力设为“F”，将卷绕体6的半径设为“R”，将卷绕体6的惯性矩设为“J”，将卷绕体6的角速度设为“ω”，用于使卷绕体6旋转的转矩“T”通过以下的式(1)表示。式(1)的右边的第1项表示通过张力和卷径而求出的转矩即卷轴转矩。式(1)的右边的第2项表示用于对惯性矩的变动进行补偿的惯性转矩。转矩“T”是轴驱动机4的负载转矩。
【式1】
Figure BDA0003866238680000051
张力的力矩使用张力的张量和卷径的张量，通过以下的式(2)表示。在式(2)中，在“F”之上赋予了箭头后的记号表示张力的张量。在“R”之上赋予了箭头后的记号表示卷径的张量。
【式2】
Figure BDA0003866238680000052
在卷绕体6为圆柱形状的情况下，张力的张量和卷径的张量正交，因此如上述式(1)所示，能够将卷轴转矩表示为“F·R”。但是，在卷绕体6为扁平形状的情况下，张力的张量和卷径的张量之间的角度在卷绕体6旋转1周的期间变动。因此，卷绕体6为扁平形状的情况下的卷轴转矩无法表示为“F·R”。
上述式(1)的第2项是角速度量即“Jω”的时间“t”的微分量。在由于卷绕不良而卷径变化的情况下，考虑运算结果变动的情况，该微分量通过以下的式(3)表示。此外，“Jin”表示卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩。“Jout”表示卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩。“Jm”表示卷绕机的机械惯性矩。“v”表示材料1的线基准速度。“D”表示材料1的厚度。“r”表示卷径。
【式3】
Figure BDA0003866238680000061
“Jout”通过以下的式(4)表示。“Jin”通过以下的式(5)表示。此外，“rmin”表示卷绕开始时的卷径即卷芯径。“rth”表示卷绕完成时的卷径。“S”表示卷绕体6的截面积。“ρ”表示卷绕体6的密度。
【式4】
Figure BDA0003866238680000062
【式5】
Figure BDA0003866238680000063
上述式(3)至(5)设想了卷绕体6为圆柱形状的情况。因此，在卷绕体6为扁平形状的情况下，在上述式(3)至(5)的运算中，无法对角速度量“Jω”的微分量进行计算。
在实施方式1中，张力控制装置10关于使用扁平形状的卷芯6a的情况，求出考虑了材料1的张力和卷径之间的角度的变动的卷轴转矩补偿量。另外，张力控制装置10求出考虑了对卷绕体6的形状的惯性转矩补偿量。张力控制装置10基于用于对卷径的变动进行补偿的卷轴转矩补偿量和用于对惯性矩的变动进行补偿的惯性转矩补偿量，对用于使卷芯6a旋转的转矩进行控制。张力控制装置10将卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量同时进行校正，由此抑制卷绕体6旋转1周的期间的材料1的张力变动。
在卷绕开始前，系统100使卷芯6a旋转1周。张力控制装置10基于使卷芯6a旋转1周的期间的卷芯径的检测结果，取得卷芯6a的卷芯径分布。在卷芯6a为扁平形状的情况下，针对以旋转轴6b为中心的卷芯6a的周上的每个位置而卷芯6a的直径不同。卷芯6a的卷芯径分布表示针对以旋转轴6b为中心的卷芯6a的周上的每个位置的卷芯6a的直径。张力控制装置10基于取得的卷芯径分布，求出卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量。
在这里，说明对由卷径的变动引起的张力的变化量进行计算的方法。图2是用于对在实施方式1所涉及的张力控制装置中对由卷径的变动引起的张力的变化量进行计算的方法进行说明的图。在图2中示出了图1所示的结构之中的固定辊5、卷绕体6及角度检测器7和固定辊5和卷绕体6之间的材料1。
在图2中，旋转中心O表示卷绕体6的旋转中心且旋转轴6b的位置。点P表示卷绕体6和材料1的接触点。卷绕体6和材料1的接触点是将点P和点Q连结的线段即连接线与卷绕体6的外周的接触点。点Q表示固定辊5和材料1的接触点。点O’表示角度检测器7的中心位置。基准线OO’是将旋转中心O和点O’连结的线段。
Figure BDA0003866238680000072
是∠POO’的角度。“α”是∠QPO的角度。“δ”是∠QOO’的角度，且是将旋转中心O和点Q连结的线段与基准线之间的角度。“γ”是∠PQO的角度。“l”是点P和点Q的距离。“L”是旋转中心O和点Q的距离。线段OP是经过点P的卷绕体6的半径且卷绕体6的卷径。
Figure BDA0003866238680000073
表示卷绕体6的卷径。卷绕体6为扁平形状，因此各角度
Figure BDA0003866238680000074
、“α”及“γ”和卷径即
Figure BDA0003866238680000075
随着卷绕体6的旋转而变化。
卷轴转矩“TR”通过上述式(2)表示。另外，卷轴转矩“TR”通过以下的式(6)表示。
【式6】
Figure BDA0003866238680000071
上述式(6)中的“sinα”根据以下的式(7)及(8)的关系，通过以下的式(9)表示。式(7)表示基于余弦定理的关系。式(8)表示基于正弦定理的关系。
【式7】
Figure BDA0003866238680000081
【式8】
Figure BDA0003866238680000082
【式9】
Figure BDA0003866238680000083
向上述式(6)代入上述式(9)，卷轴转矩“TR”能够表示为以下的式(10)。
【式10】
Figure BDA0003866238680000084
在这里，对决定角度
Figure BDA0003866238680000085
的方法进行说明。角度“γ”最大时的点
Figure BDA0003866238680000086
为接触点即点P。角度“γ”根据以下的式(11)的关系，通过以下的式(12)表示。式(11)表示基于正弦定理的关系。
【式11】
Figure BDA0003866238680000087
【式12】
Figure BDA0003866238680000088
张力“F”和距离“L”各自恒定，因此与转矩“T”成为最大时的角度
Figure BDA0003866238680000089
有关的点
Figure BDA00038662386800000810
成为接触点。角度
Figure BDA00038662386800000811
包含于角度“δ”至角度“δ+π”为止的范围。为了对角度
Figure BDA00038662386800000812
进行推定，需要与角度“δ”相对应的卷径和与角度“δ+π”相对应的卷径的信息。张力控制装置10通过角度检测器7和卷径检测器8，预先取得基准线和卷径之间的角度与卷径的长度之间的关系。张力控制装置10基于该关系，取得与角度“δ”相对应的卷径和与角度“δ+π”相对应的卷径，对角度
Figure BDA0003866238680000091
进行推定。由此，张力控制装置10能够求出使用扁平形状的卷芯6a的情况下的卷轴转矩“TR”。
接下来，对惯性矩的计算方法进行说明。图3是用于对通过实施方式1所涉及的张力控制装置实现的惯性矩的计算方法进行说明的第1图。在图3示出了图1所示的结构之中的卷绕体6。
卷绕体6的惯性矩“J”通过以下的式(13)表示。“W”是材料1的宽度，即，旋转轴6b的方向上的材料1的长度。此外，在图3中，卷绕体6的整体的密度设为“ρ”。
【式13】
J＝∫dJ＝pW∫IdI…(13)
在角度范围
Figure BDA0003866238680000092
中，卷绕体6的半径假定为恒定。该半径设为通过以下的式(14)表示的
Figure BDA0003866238680000093
【式14】
Figure BDA0003866238680000094
角度范围
Figure BDA0003866238680000095
中的剖面2次力矩
Figure BDA0003866238680000096
通过以下的式(15)表示。
【式15】
Figure BDA0003866238680000097
作为
Figure BDA0003866238680000098
求出每隔角度范围“Δφ”的点即n个各点处的卷绕体6的半径。各点设为卷绕体6的周上的点。卷绕体6的惯性矩“J”通过以下的式(16)表示。此外，“n”设为任意的整数。
【式16】
Figure BDA0003866238680000099
如果为了对惯性矩“J”进行计算而始终进行上述式(16)的运算，则张力控制装置10的运算单元中的负载增大。
如果将与角度
Figure BDA00038662386800000910
相对应的卷芯6a的半径设为
Figure BDA00038662386800000911
将经过该半径的剖面中的剖面2次力矩设为“IC”，则与卷径即
Figure BDA00038662386800000912
相对应的卷绕体6的惯性矩“J”通过以下的式(17)表示。通过式(17)能够将惯性矩“J”的运算简化。
【式17】
Figure BDA0003866238680000101
在上述式(13)至(17)中，视作在卷芯6a和材料1没有密度差而计算出惯性矩。在存在卷芯6a和材料1的密度差的情形中，在上述式(13)至(17)中，无法对准确的惯性矩进行计算。此外，即使存在卷芯6a和材料1的密度差，在不对惯性矩的计算结果造成影响的程度的情况下，该密度差也可以视作没有。
在这里，对在卷绕体6的惯性矩的计算时将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的情形进行说明。在将密度差考虑在内的情况下，将卷绕体6分为卷芯6a和材料1的层而对惯性矩进行计算。
图4是用于对通过实施方式1所涉及的张力控制装置实现的惯性矩的计算方法进行说明的第2图。在图4示出了卷绕完成时的卷绕体6。图4所示的卷绕体6之中的卷芯6a的周围的部分是材料1的层。
在这里，对与卷芯6a有关的惯性矩的计算进行说明。
Figure BDA0003866238680000102
是与角度
Figure BDA0003866238680000103
相对应的卷芯6a的半径。
Figure BDA0003866238680000104
是与
Figure BDA0003866238680000105
相对应的卷绕体6的半径，且是卷绕完成时的卷绕体6的半径。
Figure BDA0003866238680000106
是与角度
Figure BDA0003866238680000107
相对应的卷芯6a的半径。
Figure BDA0003866238680000108
是与角度
Figure BDA0003866238680000109
相对应的卷绕体6的半径，且是卷绕完成时的卷绕体6的半径。
作为
Figure BDA00038662386800001010
求出每隔角度范围“Δφ”的点即n个各点处的卷芯6a的半径。假定在某角度范围
Figure BDA00038662386800001011
中卷芯6a的半径恒定，将该半径设为“R·Cn”。卷芯6a的惯性矩“JC”通过与上述式(13)至(16)相同的运算，由以下的式(18)表示。“ρC”是卷芯6a的密度。
【式18】
Figure BDA00038662386800001012
接下来，对与材料1的层有关的惯性矩的计算进行说明。在某角度范围
Figure BDA0003866238680000111
中，假定卷绕完成时的材料1的层的半径恒定，将该半径设为“R·Rn”。角度范围
Figure BDA0003866238680000112
中的材料1的层的剖面2次力矩
Figure BDA0003866238680000119
通过以下的式(19)表示。
【式19】
Figure BDA0003866238680000113
求出每隔角度范围“Δφ”的点即n个各点处的材料1的层的半径。材料1的层的惯性矩“JM”通过以下的式(20)表示。“ρM”是材料1的层的密度。
【式20】
Figure BDA0003866238680000114
卷绕体6的惯性矩“J”是卷芯6a的惯性矩“JC”与材料1的层的惯性矩“JM”之和。根据上述式(18)及(20)，卷绕体6的惯性矩“J”通过以下的式(21)表示。
【式21】
Figure BDA0003866238680000115
接下来，对在将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的情况下将惯性矩“J”的运算简化的方法进行说明。关于卷绕完成时的卷绕体6，在某角度范围
Figure BDA0003866238680000116
中假定卷绕体6的半径恒定，将该半径设为“R·max＿n”。卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”通过以下的式(22)表示。
【式22】
Figure BDA0003866238680000117
另外，卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”使用卷绕完成时的卷绕体6的剖面2次力矩“Imax”，能够表示为以下的式(23)。
【式23】
Figure BDA0003866238680000118
与
Figure BDA0003866238680000121
相对应的卷绕体6的惯性矩“J”通过以下的式(24)及(25)表示。
Figure BDA0003866238680000122
是与角度
Figure BDA0003866238680000123
相对应的卷芯6a的半径。“Rmax”是卷芯6a的半径。张力控制装置10预先对通过上述式(23)计算的惯性矩“Jmax”和通过上述式(18)计算的惯性矩“JC”进行存储，由此能够在运算时使用读出的惯性矩“Jmax”及“JC”。通过式(24)及(25)，能够将惯性矩“J”的运算简化。
【式24】
Figure BDA0003866238680000124
【式25】
Figure BDA0003866238680000125
上述式(1)使用卷轴转矩“TR”和惯性矩“J”，能够按照以下的式(26)进行修正。
【式26】
Figure BDA0003866238680000126
上述式(26)的右边的第2项即“d(Jω)/dt”表示用于对惯性矩的变动进行补偿的惯性转矩。使用ω＝V/R的关系、周速度“V”的偏微分和半径“R”的偏微分而求出“Jω”的全微分，由此惯性转矩“d(Jω)/dt”通过以下的式(27)进行计算。“V”表示卷绕体6的周速度。
【式27】
Figure BDA0003866238680000127
上述式(27)的
Figure BDA0003866238680000129
能够表示为以下的式(28)。
【式28】
Figure BDA0003866238680000128
上述式(27)的右边的第1项表示由卷径的变动引起的惯性转矩的增减量。上述式(27)的右边的第2项表示由周速度的变动引起的惯性转矩的增减量。通过向上述式(27)代入上述式(28)，从而上述式(27)能够表示为以下的式(29)。
【式29】
Figure BDA0003866238680000131
在没有将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的情形即通过上述式(17)对惯性矩“J”进行计算的情况下，上述式(29)中的
Figure BDA0003866238680000132
Figure BDA0003866238680000133
表示为以下的式(30)。
【式30】
Figure BDA0003866238680000134
在将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的情形即通过上述式(23)对惯性矩“J”进行计算的情况下，上述式(29)中的
Figure BDA0003866238680000135
Figure BDA0003866238680000136
表示为以下的式(31)。
【式31】
Figure BDA0003866238680000137
向上述式(26)代入上述式(10)及(29)，用于使卷绕体6旋转的转矩“T”通过以下的式(32)表示。
【式32】
Figure BDA0003866238680000138
张力控制装置10能够通过后面记述的目标张力设定器而取得张力“F”。张力控制装置10通过后面记述的位置设定器，能够取得将固定辊5及材料1的接触点和卷芯6a的旋转中心连结的线段的长度即距离“L”、和该线段与基准线之间的角度即“δ”。张力控制装置10基于通过卷径检测器8得到的检测结果和通过角度检测器7得到的检测结果，能够取得卷径即
Figure BDA0003866238680000139
。张力控制装置10基于由位置设定器取得的值、通过卷径检测器8得到的检测结果和通过角度检测器7得到的检测结果，能够取得惯性矩“J”。张力控制装置10能够从周速度检测器9取得通过周速度检测器9得到的检测结果即周速度“V”。张力控制装置10将周速度“V”通过时间“t”进行微分，由此能够对“dV/dt”进行计算。张力控制装置10将
Figure BDA0003866238680000141
通过角度
Figure BDA0003866238680000142
进行微分，由此能够对
Figure BDA0003866238680000143
进行计算。张力控制装置10将得到的各值代入至上述式(32)，由此能够对转矩“T”进行计算。
接下来，对张力控制装置10的功能结构进行说明。图5是表示实施方式1所涉及的张力控制装置的功能结构的图。在图5示出了张力控制装置10进行没有将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的张力控制的情况下的功能结构的例子。下面，在实施方式1中，对没有将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的情形进行说明。
张力控制装置10具有取得卷芯6a的卷芯径分布的卷径分布取得部11。卷径分布取得部11是取得卷芯径分布的取得部，该卷芯径分布表示针对以旋转轴6b为中心的卷芯6a的周上的每个位置的卷芯6a的直径。张力控制装置10具有对卷芯6a的密度进行设定的卷芯密度设定器12、对材料1的宽度进行设定的材料宽度设定器13、对固定辊5的位置进行设定的位置设定器17和对材料1所承受的张力的目标值进行设定的目标张力设定器26。
张力控制装置10具有对卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩进行计算的第1惯性矩运算部14、和对卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩进行存储的第1惯性矩存储部15。
张力控制装置10具有对卷绕开始时的卷芯6a的卷芯径分布和卷绕开始时的卷芯6a的卷轴转矩的分布进行计算的卷径分布转矩运算部16、对卷绕开始时的卷芯6a的卷芯径分布进行存储的卷芯径分布存储部18、和对卷绕开始时的卷芯6a的卷轴转矩的分布进行存储的第1卷轴转矩存储部19。
张力控制装置10具有：第1变化量分布运算部20，其求出针对每一定角度范围的卷芯6a的卷芯径的变化量，对该变化量的分布进行计算；以及第1变化量分布存储部21，其对该变化量的分布进行存储。
张力控制装置10具有对卷芯6a的卷芯径的平均值即平均卷芯径和卷绕体6的卷径的平均值即平均卷径进行计算的平均卷径运算部22、对卷芯6a的平均卷芯径进行存储的平均卷芯径存储部24、对卷绕体6的平均卷径和卷芯6a的平均卷芯径之比即卷绕比进行计算的卷绕比运算部25、时间测量器23和微分运算部32。
张力控制装置10具有对卷绕体6的惯性矩进行计算的惯性矩运算部27、和对卷绕体6的卷径分布进行计算的卷径分布运算部28。张力控制装置10具有变化量分布运算部29，其求出针对每一定角度范围的卷绕体6的卷径的变化量，对该变化量的分布进行计算。
张力控制装置10具有对卷轴转矩补偿量进行计算的第1补偿量运算部30、和对惯性转矩补偿量进行计算的第2补偿量运算部31。卷轴转矩补偿量是用于对由在卷芯6a卷绕有材料1的卷绕体6的直径即卷径的变动引起的张力的变动进行补偿的第1补偿量。第1补偿量运算部30基于由卷径分布取得部11取得的卷芯径分布，对卷轴转矩补偿量进行计算。惯性转矩补偿量是用于对由与卷绕体6的旋转相伴的惯性矩的变动引起的张力的变动进行补偿的第2补偿量。第2补偿量运算部31基于由周速度检测器9检测出的周速度和按照由卷径分布取得部11取得的卷芯径分布而计算出的惯性矩，对第2补偿量进行计算。
张力控制装置10具有生成转矩指令值的转矩控制部33。转矩控制部33基于卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量而生成转矩指令值。转矩控制部33将生成的转矩指令值向轴驱动机4输出，由此基于卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量对用于使卷芯6a旋转的转矩进行控制。
接下来，对实施方式1所涉及的张力控制装置10的各功能部中的运算的具体例进行说明。在实施方式1中，张力控制装置10在卷绕开始前，通过轴驱动机4的控制使卷芯6a旋转1周。角度检测器7通过一定间隔的角度的检测，对针对旋转1周的每一定的角度范围的卷芯6a的旋转角度“θ”进行检测。卷径检测器8对针对旋转1周的每一定的角度范围的卷芯6a的半径“Rθ”进行检测。周速度检测器9对针对旋转1周的每一定的角度范围的周速度“Vθ”进行检测。
张力控制装置10取得旋转角度“θ”、半径“Rθ”及周速度“Vθ”的各值，求出为了卷轴转矩和惯性转矩的计算所需的各运算值。张力控制装置10作为与卷绕开始时有关的各运算值，对卷绕开始前的卷芯6a的卷芯径分布“Rcore(θ)”、卷绕开始时的卷芯6a的惯性矩“Jcore”、与经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径有关的卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000161
、该卷芯径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000162
卷芯6a的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”和卷芯6a的平均卷芯径“Rcore_ave”。
在计算出与卷绕开始时有关的各运算值后，张力控制装置10通过轴驱动机4的控制，使材料1向卷芯6a的卷绕开始。张力控制装置10基于关于卷绕体6而计算出的运算值和卷绕体6的平均卷径，对卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量进行计算。张力控制装置10将卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量相加，由此对转矩指令值进行计算。
接下来，对与卷绕开始时有关的各运算值的计算方法进行说明。卷径分布取得部11从角度检测器7取得卷芯6a的旋转角度“θ”。卷径分布取得部11从卷径检测器8取得卷芯6a的半径“Rθ”。卷径分布取得部11将针对每固定的角度范围而取得的半径“Rθ”与旋转角度“θ”相关联，由此取得以下的式(33)所示的卷芯径分布“Rcore(θ)”。
【式33】
Rcore(θ)＝{(θ，Rcore(θ))，(θ+Δθ，Rcore(θ+Δθ))…}…(33)
卷径分布转矩运算部16基于由卷径分布取得部11取得的卷芯径分布“Rcore(θ)”，对与经过接触点的卷芯径有关的卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000163
和卷芯6a的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”进行计算。卷芯径分布存储部18对计算出的卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000164
进行存储。第1卷轴转矩存储部19对计算出的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”进行存储。第1变化量分布运算部20基于由卷径分布取得部11取得的卷芯径分布“Rcore(θ)”，对经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000165
进行计算。第1变化量分布存储部21对计算出的变化量分布
Figure BDA0003866238680000166
进行存储。
第1惯性矩运算部14通过以下的式(34)，对卷绕开始时的卷芯6a的惯性矩“Jcore”进行计算。第1惯性矩运算部14作为Δθ＝2π/n，取得每隔角度范围“Δθ”的点即n个各点处的卷芯6a的半径，求出惯性矩“Jcore”。第1惯性矩运算部14从卷芯密度设定器12取得密度“ρ”。第1惯性矩运算部14从材料宽度设定器13取得材料1的宽度“W”。第1惯性矩存储部15对由第1惯性矩运算部14计算出的惯性矩“Jcore”进行存储。
【式34】
Figure BDA0003866238680000171
卷径分布转矩运算部16对与旋转角度“θ”相对应的上述的角度
Figure BDA0003866238680000172
和与角度
Figure BDA0003866238680000173
相对应的半径即
Figure BDA0003866238680000174
进行计算。卷径分布转矩运算部16将与计算出的角度
Figure BDA0003866238680000175
相对应的卷轴转矩
Figure BDA0003866238680000176
与旋转角度“θ”相关联而存储，由此求出卷轴转矩分布“Tcore(θ)”。
从由卷径分布取得部11取得卷芯径分布时的状态起的卷芯6a的旋转角度设为“θ”，旋转角度为“θ”时的将卷芯6a的旋转中心和卷绕体6及材料1的接触点连结的线段与基准线之间的角度设为
Figure BDA0003866238680000177
。材料1和卷芯6a的接触点设为点
Figure BDA0003866238680000178
，与旋转角度“θ”相对应的卷轴转矩
Figure BDA0003866238680000179
使用距离“L”及角度“δ”而通过以下的式(35)表示。
【式35】
Figure BDA00038662386800001710
此外，有时目标张力被变更，因此张力控制装置10在通过式(35)进行的运算时将张力“F”假定为1(N)，在卷绕时的运算时可以进行从卷轴转矩除以目标张力。
卷径分布转矩运算部16对以下的式(36)所示的卷轴转矩“Tθ”进行计算。根据上述式(12)，卷轴转矩“Tθ”是通过找到卷轴转矩
Figure BDA00038662386800001711
成为最大时的角度而进行计算的。卷径分布转矩运算部16在角度
Figure BDA0003866238680000181
的0至2π的范围中，对针对每角度范围
Figure BDA0003866238680000182
的卷轴转矩
Figure BDA0003866238680000183
进行计算，取得计算出的卷轴转矩
Figure BDA0003866238680000184
之中的最大值而作为卷轴转矩“Tθ”。卷轴转矩
Figure BDA0003866238680000185
成为最大时的半径即
Figure BDA0003866238680000186
成为经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径。卷径分布转矩运算部16还对卷芯径即
Figure BDA0003866238680000187
进行计算。
【式36】
Figure BDA0003866238680000188
并且，卷径分布转矩运算部16针对每Δθ＝2π/n即Δθ，对卷轴转矩“Tθ”和卷芯径即
Figure BDA0003866238680000189
进行计算。由此，卷径分布转矩运算部16取得表示卷芯6a的卷轴转矩分布的“T(θ)”和表示与经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径有关的卷芯径分布的
Figure BDA00038662386800001810
。卷轴转矩分布“T(θ)”通过以下的式(37)表示。卷径分布
Figure BDA00038662386800001811
通过以下的式(38)表示。
【式37】
T(θ)＝{T0，T2π/n，...，T2(n-1)π/n}…(37)
【式38】
Figure BDA00038662386800001812
卷径分布转矩运算部16从位置设定器17取得距离“L”和角度“δ”，进行上述式(35)至(38)的运算。由此，卷径分布转矩运算部16求出卷芯6a的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”和与经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径有关的卷芯径分布
Figure BDA00038662386800001813
。卷芯径分布存储部18对卷芯径分布
Figure BDA00038662386800001814
进行存储。第1卷轴转矩存储部19对卷轴转矩分布“Tcore(θ)”进行存储。
第1变化量分布运算部20基于通过卷径分布转矩运算部16求出的表示卷芯径分布的
Figure BDA00038662386800001815
，对以下的式(39)所示的变化量、
Figure BDA00038662386800001816
进行计算。变化量
Figure BDA00038662386800001817
是针对每Δθ的
Figure BDA00038662386800001818
的变化量。
【式39】
Figure BDA00038662386800001819
第1变化量分布运算部20通过上述式(39)的运算，求出经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000191
第1变化量分布存储部21对变化量分布
Figure BDA0003866238680000192
进行存储。
平均卷径运算部22对卷芯6a的平均卷芯径进行计算。平均卷径运算部22从角度检测器7取得旋转角度“θ”。平均卷径运算部22从周速度检测器9取得周速度“V”。平均卷径运算部22取得通过时间测量器23得到的时间的测量结果。平均卷径运算部22基于周速度“V”和卷芯6a旋转1周所需的时间，对卷芯6a的周长“LC”进行计算。将卷芯6a旋转1周的周速度的平均设为“Vave”，将卷芯6a旋转1周所需的时间设为“t”，周长“LC”通过以下的式(40)表示。
【式40】
LC＝Vavet…(40)
在这里，在将与旋转轴6b垂直的卷芯6a的剖面假定为圆形的情况下，平均卷芯径“Rcore_ave”通过以下的式(41)表示。
【式41】
Rcore_ave＝πLC…(41)
平均卷径运算部22通过上述的式(40)及(41)的运算，对卷芯6a的平均卷芯径“Rcore_ave”进行计算。平均卷芯径存储部24对平均卷芯径“Rcore_ave”进行存储。
以上，张力控制装置10对与卷绕开始时有关的各运算值，即，卷芯径分布“Rcore(θ)”、惯性矩“Jcore”、卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000193
变化量分布
Figure BDA0003866238680000194
、卷轴转矩分布“Tcore(θ)”和平均卷芯径“Rcore_ave”进行计算。另外，张力控制装置10对计算出的各运算值进行存储。
接下来，对开始卷绕之后的各运算值的计算方法进行说明。平均卷径运算部22对正在进行卷绕的当前的平均卷径“Rave”进行计算。卷绕比运算部25基于当前的平均卷径“Rave”和在平均卷芯径存储部24中存储的平均卷芯径“Rcore_ave”，通过以下的式(42)，对卷绕比“PRave”进行计算。
【式42】
PRave＝Rave/Rcore_ave…(42)
惯性矩运算部27从第1惯性矩存储部15取得卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩“Jcore”。惯性矩运算部27从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。惯性矩运算部27通过以下的式(43)，对正在进行卷绕的当前的卷绕体6的惯性矩“J”进行计算。
【式43】
J＝PRave 4Jcore…(43)
卷径分布运算部28从卷芯径分布存储部18取得卷绕开始前的卷芯6a的卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000201
。卷径分布运算部28从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。卷径分布运算部28通过以下的式(44)，对表示正在进行卷绕的当前的卷绕体6的卷径分布的
Figure BDA0003866238680000202
进行计算。
【式44】
Figure BDA0003866238680000203
变化量分布运算部29从第1变化量分布存储部21，关于卷绕开始前的卷芯6a，取得经过材料1和卷芯6a的接触点的卷芯径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000204
。变化量分布运算部29从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。卷径分布运算部28对以下的式(45)所示的变化量
Figure BDA0003866238680000205
进行计算。
【式45】
Figure BDA0003866238680000206
第1补偿量运算部30从角度检测器7取得旋转角度“θ”。第1补偿量运算部30从第1卷轴转矩存储部19取得卷绕开始前的卷芯6a的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”。第1补偿量运算部30从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。第1补偿量运算部30从目标张力设定器26取得目标张力“Ftarget”。第1补偿量运算部30通过以下的式(46)对卷轴转矩补偿量“TR”进行计算。
【式46】
TR＝PRave·Ftarget·Tcore(θ)…(46)
第2补偿量运算部31从角度检测器7取得旋转角度“θ”。第2补偿量运算部31从周速度检测器9取得周速度“V”。第2补偿量运算部31从惯性矩运算部27取得正在进行卷绕的当前的卷绕体6的惯性矩“J”。第2补偿量运算部31从卷径分布运算部28取得表示正在进行卷绕的当前的卷绕体6的卷径分布的
Figure BDA0003866238680000211
第2补偿量运算部31从变化量分布运算部29取得与正在进行卷绕的当前的卷绕体6有关的变化量
Figure BDA0003866238680000212
。第2补偿量运算部31从微分运算部32取得周速度“V”的微分量即“dV/dt”。
第2补偿量运算部31使用上述式(30)及(32)，通过以下的式(47)对惯性转矩补偿量“TI”进行计算。此外，“dV/dt”是在微分运算部32中针对每一定的时间“Δt”通过以下的式(48)进行运算得到的结果。
【式47】
Figure BDA0003866238680000213
【式48】
Figure BDA0003866238680000214
转矩控制部33将卷轴转矩补偿量“TR”和惯性转矩补偿量“TI”相加，由此对转矩指令值进行计算。转矩控制部33将计算出的转矩指令值向轴驱动机4输出，由此对轴驱动机4的驱动进行控制。
根据实施方式1，张力控制装置10基于按照卷芯6a的卷芯径分布而得到的卷轴转矩补偿量和按照卷芯6a的卷芯径分布而得到的惯性转矩补偿量，对用于使卷芯6a旋转的转矩进行校正。张力控制装置10能够抑制由在卷芯6a旋转1周的期间卷芯径变动而引起的张力变动。另外，张力控制装置10能够抑制由在卷芯6a旋转1周的期间惯性矩变动而引起的张力变动。由此，张力控制装置10具有下述效果，即，能够抑制在剖面为圆形以外的形状的卷芯6a卷绕的对象物的张力变动，且能够进行高精度的张力控制。
实施方式2.
图6是表示实施方式2所涉及的张力控制装置的功能结构的图。在实施方式2中，对张力控制装置10A进行将卷芯6a和材料1的密度差考虑在内的张力控制的情况进行说明。在实施方式2中，对与上述的实施方式1相同的结构要素标注同一标号，主要对与实施方式1不同的结构进行说明。
实施方式2所涉及的张力控制装置10A具有对由卷径分布取得部11取得的卷芯6a的卷芯径分布进行存储的卷芯径分布存储部34、以及对材料1的密度进行设定的材料密度设定器36。张力控制装置10A具有对卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩进行计算的第2惯性矩运算部35、以及对卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩进行存储的第2惯性矩存储部37。
张力控制装置10A具有对卷绕完成时的卷绕体6的卷径分布进行存储的卷径分布存储部38、对卷绕完成时的卷绕体6的卷轴转矩的分布进行存储的第2卷轴转矩存储部39、以及关于卷绕完成时的卷绕体6，对针对每一定角度范围的卷径的变化量的分布进行存储的第2变化量分布存储部40。张力控制装置10A具有对卷绕完成时的卷绕体6的平均卷径进行存储的平均卷径存储部41。
在实施方式2中，卷径分布取得部11取得与没有卷绕材料1的状态下的卷芯6a有关的第1卷径分布、和与具有卷芯6a和卷绕于卷芯6a的材料1的卷绕体6有关的第2卷径分布。第2补偿量运算部31基于按照第1卷径分布而计算出的惯性矩和按照第2卷径分布而计算出的惯性矩，对惯性转矩补偿量进行计算。
接下来，对实施方式2所涉及的张力控制装置10A的各功能部中的运算的具体例进行说明。在实施方式2中，张力控制装置10A与实施方式1所涉及的张力控制装置10同样地，在卷绕开始前，通过轴驱动机4的控制使卷芯6a旋转1周。张力控制装置10A与实施方式1所涉及的张力控制装置10同样地，对与卷绕开始前有关的各运算值，即，卷芯径分布“Rcore(θ)”、惯性矩“Jcore”、卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000221
、变化量分布
Figure BDA0003866238680000222
、卷轴转矩分布“Tcore(θ)”和平均卷芯径“Rcore＿ave”进行计算。
张力控制装置10A在卷绕完成后，通过轴驱动机4的控制使卷绕体6旋转1周。角度检测器7通过一定间隔的角度的检测，对针对旋转1周的每一定的角度范围的卷绕体6的旋转角度“θ”进行检测。卷径检测器8对针对旋转1周的每一定的角度范围的卷绕体6的半径“Rθ”进行检测。周速度检测器9对针对旋转1周的每一定的角度范围的周速度“Vθ”进行检测。
张力控制装置10A取得旋转角度“θ”、半径“Rθ”及周速度“Vθ”的各值，求出为了卷轴转矩和惯性转矩的计算所需的各运算值。张力控制装置10A作为与卷绕完成时有关的各运算值，对与卷绕完成时的卷绕体6有关的第2卷径分布即卷径分布“Rmax(θ)”、卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”、与经过材料1和卷绕体6的接触点的卷径有关的卷径分布
Figure BDA0003866238680000231
、该卷径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000232
Figure BDA0003866238680000233
、卷绕完成时的卷绕体6的卷轴转矩分布“Tmax(θ)”和卷绕完成时的卷绕体6的平均卷径“Rmax＿ave”进行计算。
张力控制装置10A在实施通过与实施方式1相同的方法进行的卷绕后，使卷绕体6旋转1周，对与卷绕完成时有关的各运算值进行计算。或者，张力控制装置10A将卷绕完成的状态的卷绕体6安装于卷绕机，使卷绕体6旋转1周，由此对与卷绕完成时有关的各运算值进行计算。张力控制装置10A在能够使卷绕完成的状态的卷绕体6旋转1周的状态时，对与卷绕完成时有关的各运算值进行计算。张力控制装置10A在计算出与卷绕完成时有关的各运算值后的卷绕时，基于与卷绕开始前有关的各运算值和与卷绕完成时有关的各运算值，对卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量进行计算。
关于与卷绕开始前有关的各运算值的计算，与实施方式1相同，因此省略说明。但是，与实施方式1的不同点在于，为了对卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”进行计算，将与卷绕开始前的卷芯6a有关的卷芯径分布“Rcore(θ)”存储于卷芯径分布存储部34。
接下来，对与卷绕完成时有关的各运算值的计算方法进行说明。卷径分布取得部11从角度检测器7取得卷绕体6的旋转角度“θ”。卷径分布取得部11从卷径检测器8取得卷绕体6的半径“Rθ”。卷径分布取得部11将针对每一定的角度范围的旋转角度“θ”和半径“Rθ”彼此相关联，由此取得以下的式(49)所示的卷径分布“Rmax(θ)”。
【式49】
Rmax(θ)＝{(θ，Rθ)，(θ+Δθ，Rθ+Δθ)…}…(49)
卷径分布转矩运算部16基于由卷径分布取得部11取得的卷径分布“Rmax(θ)”，对与经过接触点的卷径有关的卷径分布
Figure BDA0003866238680000241
Figure BDA0003866238680000242
和卷绕体6的卷轴转矩分布“Tmax(θ)”进行计算。卷径分布存储部38对计算出的卷径分布
Figure BDA0003866238680000243
进行存储。第2卷轴转矩存储部39对计算出的卷轴转矩分布“Tmax(θ)”进行存储。第1变化量分布运算部20基于由卷径分布取得部11取得的卷径分布“Rmax(θ)”，对经过材料1和卷绕体6的接触点的卷径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000244
进行计算。第2变化量分布存储部40对计算出的变化量分布
Figure BDA0003866238680000245
进行存储。
第2惯性矩运算部35从卷芯径分布存储部34取得与卷绕开始前的卷芯6a有关的卷芯径分布“Rcore(θ)”。第2惯性矩运算部35从卷径分布取得部11经由第1惯性矩运算部14而取得卷径分布“Rmax(θ)”。第2惯性矩运算部35从第1惯性矩存储部15取得卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩“Jcore”。第2惯性矩运算部35从材料宽度设定器13经由第1惯性矩运算部14而取得材料1的宽度“W”。第2惯性矩运算部35从材料密度设定器36经由第1惯性矩运算部14而取得材料1的密度“ρM”。
第2惯性矩运算部35通过以下的式(50)，对卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”进行计算。第2惯性矩存储部37对通过第2惯性矩运算部35计算出的惯性矩“Jmax”进行存储。
【式50】
Figure BDA0003866238680000251
卷径分布转矩运算部16通过关于卷芯6a的卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000252
Figure BDA0003866238680000253
的与上述式(38)相同的运算，对与卷绕完成时的卷绕体6有关的卷径分布
Figure BDA0003866238680000254
进行计算。卷径分布存储部38对卷径分布
Figure BDA0003866238680000255
进行存储。
卷径分布转矩运算部16通过关于卷芯6a的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”的与上述式(35)至(37)相同的运算，对卷绕完成时的卷绕体6的卷轴转矩分布“Tmax(θ)”进行计算。第2卷轴转矩存储部39对卷轴转矩分布“Tmax(θ)”进行存储。
第1变化量分布运算部20通过关于卷芯6a的变化量分布
Figure BDA0003866238680000256
的与上述式(39)相同的运算，对卷绕完成时的卷绕体6的变化量分布
Figure BDA0003866238680000257
进行计算。第2变化量分布存储部40对变化量分布
Figure BDA0003866238680000258
进行存储。
平均卷径运算部22通过关于卷芯6a的平均卷芯径“Rcore＿ave”的与上述式(40)及(41)相同的运算，对卷绕完成时的卷绕体6的平均卷径“Rmax＿ave”进行计算。平均卷径存储部41对平均卷径“Rmax＿ave”进行存储。
以上，张力控制装置10A对与卷绕完成时有关的各运算值、即卷径分布“Rmax(θ)”、惯性矩“Jmax”、卷径分布
Figure BDA0003866238680000259
、变化量分布
Figure BDA00038662386800002510
、卷轴转矩分布“Tmax(θ)”和平均卷径“Rmax＿ave”进行计算。另外，张力控制装置10A对计算出的各运算值进行存储。
接下来，对开始卷绕之后的各运算值的计算方法进行说明。平均卷径运算部22对正在进行卷绕的当前的平均卷径“Rave”进行计算。卷绕比运算部25基于当前的平均卷径“Rave”、在平均卷芯径存储部24中存储的平均卷芯径“Rcore_ave”和在平均卷径存储部41中存储的平均卷径“Rmax_ave”，通过以下的式(51)对卷绕比“PRave”进行计算。
【式51】
Figure BDA0003866238680000261
惯性矩运算部27从第1惯性矩存储部15取得卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩“Jcore”。惯性矩运算部27从第2惯性矩存储部37取得卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”。惯性矩运算部27从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。惯性矩运算部27通过以下的式(52)，对正在进行卷绕的当前的卷绕体6的惯性矩“J”进行计算。
【式52】
J＝Jcore+(Jmax-Jcore)PRave 4…(52)
卷径分布运算部28从卷芯径分布存储部18取得卷绕开始前的卷芯6a的卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000262
。卷径分布运算部28从卷径分布存储部38取得卷绕完成时的卷绕体6的卷径分布
Figure BDA0003866238680000263
卷径分布运算部28从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。卷径分布运算部28通过以下的式(53)，对正在进行卷绕的当前的卷绕体6的卷径分布
Figure BDA0003866238680000264
进行计算。
【式53】
Figure BDA0003866238680000265
变化量分布运算部29从第1变化量分布存储部21取得与卷绕开始前的卷芯6a有关的卷芯径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000266
变化量分布运算部29从第2变化量分布存储部40取得与卷绕完成时的卷绕体6有关的卷径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000267
。变化量分布运算部29从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。卷径分布运算部28通过以下的式(54)，对与正在进行卷绕的当前的卷绕体6有关的卷径的变化量分布
Figure BDA0003866238680000268
进行计算。
【式54】
Figure BDA0003866238680000271
第1补偿量运算部30从角度检测器7取得旋转角度“θ”。第1补偿量运算部30从第1卷轴转矩存储部19取得卷绕开始前的卷芯6a的卷轴转矩分布“Tcore(θ)”。第1补偿量运算部30从第2卷轴转矩存储部39取得卷绕完成时的卷绕体6的卷轴转矩分布“Tmax(θ)”。第1补偿量运算部30从卷绕比运算部25取得卷绕比“PRave”。第1补偿量运算部30从目标张力设定器26取得目标张力“Ftarget”。第1补偿量运算部30通过以下的式(55)对卷轴转矩补偿量“TR”进行计算。
【式55】
TR＝Ftarget(Tcore(θ)+PRave(Tmax(θ)-Tcore(θ)))…(55)
第2补偿量运算部31从角度检测器7取得旋转角度“θ”。第2补偿量运算部31从周速度检测器9取得周速度“V”。第2补偿量运算部31从惯性矩运算部27取得正在进行卷绕的当前的卷绕体6的惯性矩“J”。第2补偿量运算部31从卷径分布运算部28取得正在进行卷绕的当前的卷绕体6的卷径分布
Figure BDA0003866238680000272
。第2补偿量运算部31从变化量分布运算部29取得与正在进行卷绕的当前的卷绕体6有关的变化量
Figure BDA0003866238680000273
。第2补偿量运算部31从微分运算部32取得周速度“V”的微分量即“dV/dt”。第2补偿量运算部31使用上述式(31)及(32)，通过以下的式(56)对惯性转矩补偿量“TI”进行计算。
【式56】
Figure BDA0003866238680000274
转矩控制部33将卷轴转矩补偿量“TR”和惯性转矩补偿量“TI”相加，由此对转矩指令值进行计算。转矩控制部33将计算出的转矩指令值向轴驱动机4输出，由此对轴驱动机4的驱动进行控制。
根据实施方式2，张力控制装置10A基于按照卷芯径分布而计算出的惯性矩和按照卷径分布而计算出的惯性矩，对惯性转矩补偿量进行计算，由此能够准确地计算卷绕体6的惯性矩。张力控制装置10A能够准确地计算卷绕体6的惯性矩，由此能够高精度地抑制由惯性矩的变动引起的张力的变动。
实施方式3.
图7是表示包含实施方式3所涉及的张力控制装置的系统的结构的图。实施方式3所涉及的张力控制装置10B基于对材料1的张力进行检测得到的结果而对张力校正量进行计算，基于计算出的张力校正量而对转矩指令值进行校正。另外，张力控制装置10B基于按照对材料1的张力进行检测得到的结果而计算出的惯性矩，对第2补偿量即惯性转矩补偿量进行计算。在实施方式3中，对与上述的实施方式1或者2相同的结构要素标注同一标号，主要对与实施方式1或者2不同的结构进行说明。
实施方式3的系统100具有与实施方式1的系统100相同的结构要素和对材料1的张力进行检测的张力检测器42。张力检测器42对从进给辊3送出的材料1的张力即由系统100输送的对象物的张力进行检测。张力控制装置10B取得通过张力检测器42得到的张力的检测结果。
接下来，对张力控制装置10B中的用于张力控制的运算进行说明。通过上述式(13)至(21)的运算，基于卷芯6a的形状和卷芯6a及材料1的各密度而求出的惯性矩，有可能在与实际的惯性矩之间产生误差。该误差可能通过材料1的层中的空气的卷入或者卷径的检测误差等而产生。
张力控制装置10B在卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量的基础上，对张力校正量进行计算。张力控制装置10B基于卷轴转矩补偿量、惯性转矩补偿量及张力校正量，对用于使卷芯6a旋转的转矩进行控制。
在材料1的厚度相对于卷绕体6的半径充分小的情况下，由惯性矩的增加引起的惯性转矩补偿量的增加量变得极小。在该情况下，在表示惯性转矩补偿量的“d(Jω)/dt”的计算中，认为能够忽略该增加量。该情况下的惯性转矩补偿量“d(Jω)/dt”通过以下的式(57)表示。
【式57】
Figure BDA0003866238680000291
根据上述式(32)及(57)，惯性矩“J”通过以下的式(58)表示。
【式58】
Figure BDA0003866238680000292
张力控制装置10B以一定的负载转矩使卷绕体6旋转1周，且对多次取得的惯性矩“J”的值进行平均，由此能够减小由卷径的变动引起的惯性矩“J”的误差。
作为
Figure BDA0003866238680000293
求出每隔角度范围
Figure BDA0003866238680000294
的点即n个各点处的卷绕体6的半径。卷绕体6的惯性矩“J”通过以下的式(59)表示。
【式59】
Figure BDA0003866238680000295
张力控制装置10B通过上述式(59)的运算，对卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩“JC”和卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩“Jmax”进行计算。由此，张力控制装置10B应用上述式(29)对惯性矩“J”进行计算。
图8是表示实施方式3所涉及的张力控制装置的功能结构的图。在实施方式3所涉及的张力控制装置10B中，在与实施方式2的张力控制装置10A所具有的功能部相同的功能部中追加有用于计算张力校正量的功能部。另外，第2补偿量运算部31基于按照由卷径分布取得部11取得的卷径分布和由张力检测器42检测出的张力而计算出的惯性矩和由周速度检测器9检测出的周速度，对第2补偿量即惯性转矩补偿量进行计算。
实施方式3所涉及的张力控制装置10B具有对从轴驱动机4输出的转矩进行设定的输出转矩设定器43、对周速度分布进行存储的周速度分布存储部44、对加速度分布进行存储的加速度分布存储部45和求出张力分布的张力分布取得部46。张力控制装置10B具有对卷绕开始前的卷芯6a的惯性矩和卷绕完成时的卷绕体6的惯性矩进行计算的惯性矩运算部47、和对张力校正量进行计算的张力校正量运算部48。
接下来，对实施方式3所涉及的张力控制装置10B的各功能部中的运算的具体例进行说明。在实施方式3中，张力控制装置10B通过在输出转矩设定器43中设定的转矩“TRot”使卷芯6a旋转1周。张力控制装置10B对与卷绕开始前有关的各运算值、即卷芯径分布“Rcore(θ)”、惯性矩“Jcore”、卷芯径分布
Figure BDA0003866238680000301
、变化量分布
Figure BDA0003866238680000302
、卷轴转矩分布“Tcore(θ)”和平均卷芯径“Rcore_ave”进行计算。张力控制装置10B与实施方式2的情况同样地，对该各运算值之中的惯性矩“Jcore”以外的运算值进行计算。
张力控制装置10B取得在计算出惯性矩“Jcore”以外的运算值后使卷芯6a再旋转1周时的周速度分布和加速度分布。张力控制装置10B与取得卷芯径分布“Rcore(θ)”的情况同样地，将旋转角度“θ”与周速度“V”相关联，由此取得以下的式(60)所示的周速度分布“Vcore(θ)”。周速度分布存储部44对周速度分布“Vcore(θ)”进行存储。
【式60】
Vcore(θ)＝{(θ，Vcore(θ))，(θ+Δθ，Vcore(θ+Δθ))…}…(60)
张力控制装置10B通过微分运算部32中的周速度“V”的微分运算而求出加速度
Figure BDA0003866238680000303
。张力控制装置10B与取得卷芯径分布“Rcore(θ)”的情况同样地，将旋转角度“θ”与加速度
Figure BDA0003866238680000304
相关联，由此取得以下的式(61)所示的加速度分布
Figure BDA0003866238680000305
加速度分布存储部45对加速度分布
Figure BDA0003866238680000306
进行存储。
【式61】
Figure BDA0003866238680000307
张力分布取得部46从张力检测器42取得检测出的张力“Fcore”。张力分布取得部46将针对每一定的角度范围而取得的张力“Fcore”与旋转角度“θ”相关联，由此取得张力分布。
惯性矩运算部47通过基于得到的各运算值和上述式(35)的运算，对与卷绕开始前有关的惯性矩“Jcore”进行计算。惯性矩“Jcore”通过以下的式(62)表示。
【式62】
Figure BDA0003866238680000311
张力控制装置10B在卷绕完成时，也通过在输出转矩设定器43中设定的转矩“TRot”使卷芯6a旋转1周。张力控制装置10B对与卷绕完成时有关的各运算值、即卷径分布“Rmax(θ)”、惯性矩“Jmax”、卷径分布
Figure BDA0003866238680000312
、变化量分布
Figure BDA0003866238680000313
、卷轴转矩分布“Tmax(θ)”和平均卷径“Rmax＿ave”进行计算。张力控制装置10B与实施方式2的情况同样地，对该各运算值之中的惯性矩“Jmax”以外的运算值进行计算。惯性矩运算部47与惯性矩“Jcore”同样地，对惯性矩“Jmax”进行计算。
张力控制装置10B与实施方式2同样地，在与卷绕完成时有关的运算后，对卷轴转矩补偿量和惯性转矩补偿量进行计算。张力校正量运算部48从目标张力设定器26取得目标张力“Ftarget”。张力校正量运算部48从张力检测器42取得检测出的张力“Fdetect”。张力校正量运算部48通过目标张力“Ftarget”和检测出的张力“Fdetect”的比较对张力校正量进行计算。张力校正量运算部48将张力校正量的计算结果向转矩控制部33输出。
转矩控制部33将卷轴转矩补偿量、惯性转矩补偿量和张力校正量相加，由此对转矩指令值进行计算。转矩控制部33将计算出的转矩指令值向轴驱动机4输出，由此对轴驱动机4的驱动进行控制。
根据实施方式3，张力控制装置10B基于对材料1的张力进行检测出的结果而对张力校正量进行计算，基于计算出的张力校正量而对转矩指令值进行校正。由此，张力控制装置10B能够进行高精度的张力控制。此外，实施方式3中的张力校正量的计算和基于计算出的张力校正量的转矩指令值的校正可以应用于实施方式1所涉及的张力控制装置10。
在上述的实施方式1中，第2补偿量运算部31可以与实施方式3同样地，基于按照由卷径分布取得部11取得的卷径分布和由张力检测器42检测出的张力而计算出的惯性矩和由周速度检测器9检测出的周速度，对惯性转矩补偿量进行计算。
接下来，对实施方式1至3所涉及的张力控制装置10、10A、10B所具有的硬件结构进行说明。图9是表示实施方式1至3所涉及的张力控制装置所具有的硬件结构的例子的图。在图9示出了通过使用执行程序的硬件而实现张力控制装置10、10A、10B的功能的情况下的硬件结构。张力控制装置10、10A、10B是安装有张力控制程序的计算机系统。张力控制程序是用于使计算机作为对在卷芯6a卷绕的对象物的张力进行控制的张力控制装置10、10A、10B起作用的程序。计算机系统是个人计算机或者通用计算机。
张力控制装置10、10A、10B具有执行各种处理的处理器51、内置存储器即存储器52、用于信息向张力控制装置10、10A、10B的输入和信息从张力控制装置10、10A、10B的输出的接口电路53、对信息进行存储的存储装置54和接受用于各种设定的输入的输入装置55。
处理器51是CPU(Central Processing Unit)。处理器51也可以是处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机或DSP(Digital Signal Processor)。存储器52是RAM(RandomAccess Memory)、ROM(Read Only Memory)、闪存、EPROM(Erasable Programmable ReadOnly Memory)或者EEPROM(注册商标)(Electrically Erasable Programmable Read OnlyMemory)。
存储装置54是HDD(Hard Disk Drive)或者SSD(Solid State Drive)。张力控制程序储存于存储装置54。处理器51将在存储装置54中储存的张力控制程序读出至存储器52而执行。输入装置55是键盘或者鼠标这样的设备。
张力控制程序可以在计算机系统可读取的存储介质中存储。张力控制装置10、10A、10B可以将在存储介质中记录的张力控制程序向存储器52储存。存储介质可以是软盘即移动型存储介质或者半导体存储器即闪存。张力控制程序可以从其他计算机或者服务器装置经由通信网络向计算机系统安装。
张力控制装置10、10A、10B中的运算部、取得部、设定器、测量器及控制部的各功能通过处理器51和软件的组合而实现。该各功能可以通过处理器51及固件的组合而实现，也可以通过处理器51、软件及固件的组合而实现。软件或者固件作为程序被记述，储存于存储装置54。张力控制装置10、10A、10B中的存储部的功能通过使用存储装置54而实现。
在上述实施方式1至3中，张力控制装置10、10A、10B被应用于将材料1卷绕的卷绕机。张力控制装置10、10A、10B也可以被应用于将材料1放卷的放卷机。
以上的各实施方式所示的结构示出本发明的内容的一个例子。各实施方式的结构能够与其他的公知技术进行组合。也可以将各实施方式的结构彼此适当组合。在不脱离本发明的主旨的范围能够将各实施方式的结构的一部分省略或者变更。
标号的说明
1材料，2进给电动机，3进给辊，4轴驱动机，5固定辊，6卷绕体，6a卷芯，6b旋转轴，7角度检测器，8卷径检测器，9周速度检测器，10、10A、10B张力控制装置，11卷径分布取得部，12卷芯密度设定器，13材料宽度设定器，14第1惯性矩运算部，15第1惯性矩存储部，16卷径分布转矩运算部，17位置设定器，18、34卷芯径分布存储部，19第1卷轴转矩存储部，20第1变化量分布运算部，21第1变化量分布存储部，22平均卷径运算部，23时间测量器，24平均卷芯径存储部，25卷绕比运算部，26目标张力设定器，27、47惯性矩运算部，28卷径分布运算部，29变化量分布运算部，30第1补偿量运算部，31第2补偿量运算部，32微分运算部，33转矩控制部，35第2惯性矩运算部，36材料密度设定器，37第2惯性矩存储部，38卷径分布存储部，39第2卷轴转矩存储部，40第2变化量分布存储部，41平均卷径存储部，42张力检测器，43输出转矩设定器，44周速度分布存储部，45加速度分布存储部，46张力分布取得部，48张力校正量运算部，51处理器，52存储器，53接口电路，54存储装置，55输入装置，100系统。

Claims (7)

1.一种张力控制装置，其对在旋转体即卷芯进行卷绕的对象物的张力进行控制，
该张力控制装置的特征在于，具有：
取得部，其取得卷芯径分布，该卷芯径分布表示针对以所述卷芯的旋转轴为中心的所述卷芯的周上的每个位置的所述卷芯的直径；
第1补偿量运算部，其对第1补偿量进行计算，该第1补偿量是通过基于所述卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由在所述卷芯卷绕有所述对象物的卷绕体的直径即卷径的变动引起的所述张力的变动；
第2补偿量运算部，其基于对被输送的所述对象物的周速度进行检测而得到的结果，对第2补偿量进行计算，该第2补偿量是通过基于所述卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由与所述卷绕体的旋转相伴的惯性矩的变动引起的所述张力的变动；以及
转矩控制部，其基于所述第1补偿量和所述第2补偿量，对用于使所述卷芯旋转的转矩进行控制。
2.根据权利要求1所述的张力控制装置，其特征在于，
所述第2补偿量运算部基于按照所述卷芯径分布而计算出的惯性矩，对所述第2补偿量进行计算。
3.根据权利要求1所述的张力控制装置，其特征在于，
所述取得部还取得所述卷径的分布即卷径分布，
所述第2补偿量运算部基于按照所述卷芯径分布而计算出的惯性矩和按照所述卷径分布而计算出的惯性矩，对所述第2补偿量进行计算。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的张力控制装置，其特征在于，
所述第2补偿量运算部基于惯性矩对所述第2补偿量进行计算，该惯性矩是基于对被输送的所述对象物的所述张力进行检测的结果而进行计算得到的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的张力控制装置，其特征在于，
具有张力校正量运算部，该张力校正量运算部基于所述对象物的张力的检测结果对张力校正量进行计算，
所述转矩控制部基于所述张力校正量对用于使所述卷芯旋转的转矩进行校正。
6.一种张力控制程序，其使计算机作为对在旋转体即卷芯进行卷绕的对象物的张力进行控制的张力控制装置起作用，
该张力控制程序的特征在于，使所述计算机执行下述步骤：
取得卷芯径分布，该卷芯径分布表示针对以所述卷芯的旋转轴为中心的所述卷芯的周上的每个位置的所述卷芯的直径；
对第1补偿量进行计算，该第1补偿量是通过基于所述卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由在所述卷芯卷绕有所述对象物的卷绕体的直径即卷径的变动引起的所述张力的变动；
基于对被输送的所述对象物的周速度进行检测而得到的结果，对第2补偿量进行计算，该第2补偿量是通过基于所述卷芯径分布的运算而得到的补偿量，用于补偿由与所述卷绕体的旋转相伴的惯性矩的变动引起的所述张力的变动；以及
基于所述第1补偿量和所述第2补偿量对用于使所述卷芯旋转的转矩进行控制。
7.一种存储介质，其特征在于，
存储有权利要求6所述的张力控制程序，可由计算机读取。
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