TWI409207B - 定張力捲繞裝置及其調控模組 - Google Patents

Description

定張力捲繞裝置及其調控模組

本發明係有關於一種定張力捲繞裝置，特別是一種根據一張力擺動輪之速度變化動態調整放料之定張力捲繞裝置。

一般而言，捲繞裝置已廣泛應用於紡織、印染、造紙、冶金及軟性電子行業，且為避免進行加工的薄型材料遭過度拉張、擠壓或產生皺摺，必須在加工過程中保持該薄型材料之張力處於預定的狀態。然而，在放料及捲收的過程中，由於放料輪的捲徑持續變小而收料輪的捲徑係持續變大，因此如何控制放料輪之轉矩，以維持在該放料輪及收料輪之間的薄型材料呈現預定張力，進而避免該捲繞裝置中的薄型材料發生放料或捲收異常的現象，係已成為此類捲繞裝置的重要發展課題。

如中華民國專利第M267182號「全自動張力遞減裝置」專利案所述之一種習用之捲繞裝置，其係需先取得欲進行加工之薄型材料的長度、厚度及初捲的張力值，始能據以透過一捲徑演算器及一自動張力控制器控制放料輪及收料輪的轉速，進而使該放料輪及收料輪之間的薄型材料具有預設的張力。此外，該捲繞裝置另於該放料輪及收料輪之間設有一張力檢出器，以便將該薄型材料之實際張力值回授至該捲徑演算器，藉以供該自動張力控制器微調該放料輪及收料輪的轉速。

然而，由於一般的薄型材料均具有彈性，而該薄型材料本身亦可能存在製造誤差，因此在實際情況下難以精確測得該薄型材料之長度及厚度等參數。其中，若各參數的量測誤差過大，也將導致該自動張力控制器之輸出誤差隨著運作時間的增加而遞增。此外，當更換他種的薄型材料進行加工作業時，亦必須重新量測此種薄型材料之各參數，導致在使用上述的習用捲繞裝置時極為不便。

基於上述原因，有必要進一步改良上述習用之捲繞裝置，以期能簡化使用程序並提高薄型材料之張力的控制精確度。

本發明提供一種定張力捲繞裝置，其係根據一張力擺動輪之速度變化動態調整放料，以簡化人力作業程序及避免運算誤差量遞增，且進行線上即時監控，為其主要發明目的。

本發明提供一種定張力捲繞裝置，其係控制一放料單元以超前補償扭矩量，使該放料單元所輸出之薄型材料具有穩定的張力，以提高放捲及收捲穩定性，並抑制薄型材料之振動量，為其另一發明目的。

本發明提供一種定張力捲繞裝置之調控模組，其係便於直接使用於任何已預先設置完成的習知捲繞系統，控制此習知捲繞系統進行動態調整放料且提高放捲及收捲穩定性，為其另一發明目的。

本發明之一種定張力捲繞裝置，包含：一放料單元、一捲收單元、一張力擺動輪、一張力感測單元及一控制單元。該放料單元具有一輥輪及一調控致動器，該輥輪係可轉動並供固定及輸出呈筒狀捲繞的薄型材料，且該輥輪對應於本身之旋轉角度輸出一角度感測訊號，該調控致動器連接至該輥輪並能夠產生一輸出扭矩施加於該輥輪，且該調控致動器對應於該輸出扭矩輸出一扭矩感測訊號；該捲收單元係供捲收該薄型材料；該張力擺動輪設置於該放料單元及捲收單元之間，且對應本身的位移量輸出一位移感測訊號；該張力感測單元設置於該放料單元及捲收單元之間，並對應於所測得之張力輸出一張力感測訊號；該扭矩差值計算單元電性連接該輥輪、調控致動器、張力擺動輪及張力感測單元以接收各該感測訊號，並計算獲得一扭矩命令訊號；該控制單元電性連接該扭矩差值計算單元及該調控致動器，以接收該扭矩命令訊號，並根據一速度訊號或該扭矩命令訊號產生一控制訊號送至該調控致動器。

本發明之一種定張力捲繞裝置之調控模組，包含：一扭矩差值計算單元及一控制單元。該扭矩差值計算單元接收一角度感測訊號、一扭矩感測訊號、一位移感測訊號及一張力感測訊號，並據以計算獲得一扭矩命令訊號；該控制單元電性連接該扭矩差值計算單元以接收該扭矩命令訊號，並根據一速度訊號或該扭矩命令訊號產生一控制訊號。

本發明之一種定張力捲繞裝置及其調控模組，另包含：該扭矩差值計算單元設有一單向濾波器、一第一微分器、一第二微分器、一除法器、一扭矩計算器及一減法器，該單向濾波器連接至該張力擺動輪以截取該位移感測訊號中在單一方向上之數據；該第一微分器連接該單向濾波器並對該單向濾波器之輸出進行微分以獲得該速度訊號；該第二微分器連接該輥輪並對該角度感測訊號微分以取得一角速度訊號；該除法器連接該第一及第二微分器並將該速度訊號除以該角速度訊號；該扭矩計算器連接該除法器及張力感測單元，並將該除法器之輸出乘以該張力感測訊號；該減法器連接該扭矩計算器及調控致動器，並將該扭矩計算器之輸出減去該扭矩感測訊號而產生該扭矩命令訊號。

本發明之一種定張力捲繞裝置及其調控模組，更包含：該控制單元具有一補償控制器連接至該扭矩差值計算單元之微分器及減法器，並分別接收該速度訊號及扭矩命令訊號，該補償控制器於判斷該速度訊號與一預定速度之間的誤差大於一預設範圍時以該速度訊號產生該控制訊號，否則以該扭矩命令訊號產生該控制訊號。

本發明之一種定張力捲繞裝置及其調控模組，更包含：該控制單元具有一單向濾波器、一微分器及一補償控制器，該單向濾波器連接至該張力擺動輪以濾除該位移感測訊號中在水平方向上之分量，該微分器連接該單向濾波器並對該單向濾波器之輸出進行微分以獲得該速度訊號，該補償控制器連接至該微分器及該扭矩差值計算單元之減法器，並分別接收該速度訊號及扭矩命令訊號，該補償控制器於判斷該速度訊號與一預定速度之間的誤差大於一預設範圍時以該速度訊號產生該控制訊號，否則以該扭矩命令訊號產生該控制訊號。

為讓本發明上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明的較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係為本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置的系統架構圖，該定張力捲繞裝置係包含一放料單元1、一捲收單元2、一張力擺動輪3、一張力感測單元4、一扭矩差值計算單元5及一控制單元6，其中該扭矩差值計算單元5及控制單元6係共同構成一調控模組，該調控模組係藉由該放料單元1、張力擺動輪3及張力感測單元4所產生的數個感測訊號以回授控制的方式控制該放料單元1，進而保持該放料單元1及捲收單元2之間的薄型材料具有固定的張力。

請再參照第1圖所示，本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置的放料單元1係供呈筒狀捲繞的薄型材料可轉動的設置，以便輸出該薄型材料。該放料單元1包含一輥輪11及一調控致動器12，該輥輪11係可轉動並供該筒狀之薄型材料套設固定，且該輥輪11係對應於其本身之旋轉角度θ輸出一角度感測訊號S_θ ；該調控致動器12連接至該輥輪11，以便產生一輸出扭矩M_R 並施加於該輥輪11，且該調控致動器12係對應於該輸出扭矩M_R 輸出一扭矩感測訊號S_MR 。其中，該調控致動器12係為可輸出旋轉動力之裝置，例如可由一馬達構成。該捲收單元2則供捲收該薄型材料，以將該薄型材料恢復為呈筒狀捲繞，藉此使該薄型材料在該放料單元1及捲收單元2之間展開以便進行加工。該張力擺動輪3係設置於該放料單元1及捲收單元2之間，且可轉動的懸吊於該放料單元1及捲收單元2之間的薄型材料上，該張力擺動輪3係對應其本身的位移量S輸出一位移感測訊號S_S 。該張力感測單元4亦設置於該放料單元1及捲收單元2之間，以感測該放料單元1及捲收單元2之間的薄型材料之張力T_L ，並對應該張力T_L 輸出一張力感測訊號S_TL 。

請同時參照第1及2圖所示，本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置的扭矩差值計算單元5係電性連接該輥輪11、調控致動器12、張力擺動輪3及張力感測單元4，以供接收各該感測訊號S_θ 、S_MR 、S_S 、S_TL ，並據以輸出一扭矩命令訊號S_MC 。詳言之，該薄型材料相對於該輥輪11之軸芯的捲徑D、該張力擺動輪3在單一方向上之速度V_T 及該輥輪11之轉動角速度ω係具有如下列公式(1)之關係：

其中之k係為一常數；此外，該薄型材料之張力T_L 、該捲徑D及該調控致動器12之需求扭矩M另具有如下列公式(2)之關係：

因此，可推得該需求扭矩M之係可表示如下列公式(3)所示：

據此，當該扭矩差值計算單元5所輸出之扭矩命令訊號S_MC 可操作該調控致動器12之輸出扭矩M_R 等於上述公式(3)之需求扭矩M，即可維持該薄型材料之張力T_L 為定值。

根據上述之推導，該扭矩差值計算單元5係設有一單向濾波器51、一第一微分器52、一第二微分器53、一除法器54、一扭矩計算器55及一減法器56，其中該單向濾波器51連接至該張力擺動輪3，以接收該位移感測訊號S_S ，並擷取該位移感測訊號S_S 在單一方向上之數據，以第1圖之實施例而言，該單向濾波器係只擷取該張力擺動輪3向第1圖之下位移時所對應之位移感測訊號S_S ；該第一微分器52係連接該單向濾波器51，並於接收該單向濾波器51之輸出後進行微分，以獲得對應於該張力擺動輪3之該速度V_T 的一速度訊號S_V ；該第二微分器53連接至該輥輪11以接收該角度感測訊號S_θ ，且該第二微分器53係對該角度感測訊號S_θ 進行微分，以取得對應於該輥輪11之轉動角速度ω的角速度訊號S_ω ；該除法器54分別連接至該第一及第二微分器52、53，並將該速度訊號S_V 除以該角速度訊號S_ω ；該扭矩計算器55連接該除法器54及張力感測單元4，以接收該除法器54之輸出及該張力感測訊號S_TL ，並將該除法器54之輸出乘以該張力感測訊號S_TL ，藉以計算獲得對應於該需求扭矩M之訊號；該減法器56係連接該扭矩計算器55及該調控致動器12，並以該扭矩計算器55之輸出減去該扭矩感測訊號S_MR ，進而獲得欲送至該控制單元6之該扭矩命令訊號S_MC 。

請同時參照第1及3圖所示，本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置的控制單元6電性連接該放料單元1之調控致動器12、張力擺動輪3及扭矩差值計算單元5，以便在接收該位移感測訊號S_S 及扭矩命令訊號S_MC 之後，產生一控制訊號S_C 送至該放料單元1之調控致動器12，以使該調控致動器12將該需求扭矩M施加於該輥輪11。詳言之，該控制單元6係預設有一預定速度V，並具有一單向濾波器61、一微分器62及一補償控制器63，其中該單向濾波器61及微分器62串聯連接至該張力擺動輪3，且該單向濾波器61及微分器62的作動方式與該扭矩差值計算單元5之單向濾波器51及第一微分器52的作動方式相同。該補償控制器63分別連接於該微分器62及該扭矩差值計算單元5之減法器56，以接收該微分器62所輸出之速度訊號S_V 及該扭矩命令訊號S_MC ，並於判斷該速度訊號S_V 所對應的該速度V_T 與該預定速度V之間的誤差大於一預設範圍時進行一速度控制模式，以該速度訊號S_V 產生該控制訊號S_C ；而在判斷該速度V_T 與該預定速度V之間的誤差不大於該預設範圍時進行一扭矩控制模式，以該扭矩命令訊號S_MC 產生該控制訊號S_C 。其中，該預設範圍係可為該預定速度V之縮放值，例如可選擇該預設範圍介於該預定速度V之95%至105%；另，以該速度訊號S_V 或扭矩命令訊號S_MC 產生該控制訊號S_C 的方式係可為誤差比例放大、比例放大、積分、微分或其他本領域之技術人員所可理解之控制方法。此外，該控制單元6亦可省略設置該單向濾波器61及微分器62，直接以該補償控制器63分別連接至該扭矩差值計算單元5之第一微分器52及減法器56，以分別取得該速度訊號S_V 及扭矩命令訊號S_MC 。

換言之，藉由上述之該扭矩差值計算單元5及控制單元6所構成的調控模組，該控制單元6可在初啟動而該張力擺動輪3在該速度V_T 未達該預定速度V之預設範圍時，先執行該速度控制模式，持續調整該控制訊號S_C 以增加該調控致動器12之輸出扭矩M_R ，使該速度V_T 逐漸趨近於該預設速度V。至該速度V_T 等於落入該預定速度V之預設範圍[即已控制該放料單元1及捲收單元2之間的薄型材料存在一預定張力]，便執行該扭矩控制模式，利用該扭矩命令訊號S_MC 透過該控制單元6控制該調控致動器12，以維持該薄型材料之張力。藉此，即可達成無需預先量測該薄型材料之各種參數而直接進行張力控制之目的。此外，由於本發明之調控模組僅需要連接至該放料單元1、張力擺動輪3及張力感測單元4，故可輕易的單獨組裝使用於任何已預先設置完成的習知捲繞系統。

綜上所述，本發明之定張力捲繞裝置可利用該張力擺動輪3之速度V_T 、該輥輪11之轉動角速度ω及該薄型材料之張力T_L ，直接計算獲得該調控致動器12之需求扭矩M，進而使該放料單元所輸出之薄型材料具有穩定的張力。

因此，本發明之定張力捲繞裝置無需設定薄型材料之初始捲徑、厚度等各參數，即可透過該調控致動器12對應調整施加於該輥輪11之扭矩，以對該薄型材料之張力作即時的監控，具有簡化人力作業程序、減少人為疏失、避免運算誤差量遞增、可進行即時監控等功效。

另，本發明之定張力捲繞裝置更可透過上述控制方式達成超前補償扭矩量之功能，使該放料單元1所輸出之薄型材料具有穩定的張力，因而具有提高放捲及收捲穩定性、抑制薄型材料之振動量等功效。

此外，本發明之調控模組可直接電性連接至任何已預先設置完成的習知捲繞系統，以使該捲繞系統達成上述之功能，故而具有便於使用之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明的精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護的技術範疇，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1．．．放料單元

11．．．輥輪

12．．．調控致動器

2．．．捲收單元

3．．．張力擺動輪

4．．．張力感測單元

5．．．扭矩差值計算單元

51．．．單向濾波器

52．．．第一微分器

53．．．第二微分器

54．．．除法器

55．．．扭矩計算器

56．．．減法器

6．．．控制單元

61．．．單向濾波器

62．．．微分器

63．．．補償控制器

S_θ ．．．角度感測訊號

S_MR ．．．扭矩感測訊號

S_S ．．．位移感測訊號

S_TL ．．．張力感測訊號

S_MC ．．．扭矩命令訊號

S_V ．．．速度訊號

S_ω ．．．角速度訊號

S_C ．．．控制訊號

第1圖：本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置的系統架構圖。

第2圖：本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置之扭矩差值計算單元的系統架構圖。

第3圖：本發明較佳實施例之定張力捲繞裝置之控制單元的系統架構圖。

1．．．放料單元

11．．．輥輪

12．．．調控致動器

2．．．捲收單元

3．．．張力擺動輪

4．．．張力感測單元

5．．．扭矩差值計算單元

6．．．控制單元

Claims (7)

1. 一種定張力捲繞裝置，係包含：一放料單元，具有一輥輪及一調控致動器，該輥輪係可轉動並供固定及輸出呈筒狀捲繞的薄型材料，且該輥輪對應於本身之旋轉角度輸出一角度感測訊號，該調控致動器連接至該輥輪並能夠產生一輸出扭矩施加於該輥輪，且該調控致動器對應於該輸出扭矩輸出一扭矩感測訊號；一捲收單元，供捲收上述薄型材料；一張力擺動輪，設置於該放料單元及捲收單元之間，並對應本身的位移量輸出一位移感測訊號；一張力感測單元，設置於該放料單元及捲收單元之間，並對應於所測得之張力輸出一張力感測訊號；一扭矩差值計算單元，電性連接該輥輪、調控致動器、張力擺動輪及張力感測單元以接收各該感測訊號，並計算獲得一扭矩命令訊號；及一控制單元，電性連接該扭矩差值計算單元及該調控致動器，以接收該扭矩命令訊號，並根據一速度訊號或該扭矩命令訊號產生一控制訊號送至該調控致動器。
2. 依申請專利範圍第1項所述之定張力捲繞裝置，其中該扭矩差值計算單元設有一單向濾波器、一第一微分器、一第二微分器、一除法器、一扭矩計算器及一減法器，該單向濾波器連接至該張力擺動輪以截取該位移感測訊號中在單一方向上之數據；該第一微分器連接該單向濾波器並對該單向濾波器之輸出進行微分以獲得該速度訊號；該第二微分器連接該輥輪並對該角度感測訊號微分以取得一角速度訊號；該除法器連接該第一及第二微分器並將該速度訊號除以該角速度訊號；該扭矩計算器連接該除法器及張力感測單元，並將該除法器之輸出乘以該張力感測訊號；該減法器連接該扭矩計算器及調控致動器，並將該扭矩計算器之輸出減去該扭矩感測訊號而產生該扭矩命令訊號。
3. 依申請專利範圍第2項所述之定張力捲繞裝置，其中該控制單元具有一補償控制器連接至該扭矩差值計算單元之微分器及減法器，並分別接收該速度訊號及扭矩命令訊號，該補償控制器於判斷該速度訊號所對應的垂直速度與一預定速度之間的誤差大於一預設範圍時以該速度訊號產生該控制訊號，否則以該扭矩命令訊號產生該控制訊號。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之定張力捲繞裝置，其中該控制單元具有一單向濾波器、一微分器及一補償控制器，該單向濾波器連接至該張力擺動輪以截取該位移感測訊號中在單一方向上之數據，該微分器連接該單向濾波器並對該單向濾波器之輸出進行微分以獲得該速度訊號，該補償控制器連接至該微分器及該扭矩差值計算單元之減法器，並分別接收該速度訊號及扭矩命令訊號，該補償控制器於判斷該速度訊號與一預定速度之間的誤差大於一預設範圍時以該速度訊號產生該控制訊號，否則以該扭矩命令訊號產生該控制訊號。
5. 一種定張力捲繞裝置之調控模組，係包含：一扭矩差值計算單元，接收一角度感測訊號、一扭矩感測訊號、一位移感測訊號及一張力感測訊號，該扭矩差值計算單元設有一單向濾波器、一第一微分器、一第二微分器、一除法器、一扭矩計算器及一減法器，該單向濾波器截取該位移感測訊號中在單一方向上之數據；該第一微分器連接該單向濾波器，並對該單向濾波器之輸出進行微分以獲得一速度訊號；該第二微分器對該角度感測訊號微分以取得一角速度訊號；該除法器連接該第一及第二微分器並將該速度訊號除以該角速度訊號；該扭矩計算器連接該除法器，並將該除法器之輸出乘以該張力感測訊號；該減法器連接該扭矩計算器，並將該扭矩計算器之輸出減去該扭矩感測訊號而產生一扭矩命令訊號；及一控制單元，電性連接該扭矩差值計算單元以接收該扭矩命令訊號，並根據該速度訊號或該扭矩命令訊號產生一控制訊號。
6. 依申請專利範圍第5項所述之定張力捲繞裝置之調控模組，其中該控制單元具有一補償控制器連接至該扭矩差值計算單元之微分器及減法器，並分別接收該速度訊號及扭矩命令訊號，該補償控制器於判斷該速度訊號與一預定速度之間的誤差大於一預設範圍時以該速度訊號產生該控制訊號，否則以該扭矩命令訊號產 生該控制訊號。
7. 依申請專利範圍第5項所述之定張力捲繞裝置之調控模組，其中該控制單元具有一單向濾波器、一微分器及一補償控制器，該單向濾波器截取該位移感測訊號中在單一方向上之數據，該微分器連接該單向濾波器並對該單向濾波器之輸出進行微分以獲得該速度訊號，該補償控制器連接至該微分器及該扭矩差值計算單元之減法器，並分別接收該速度訊號及扭矩命令訊號，該補償控制器於判斷該速度訊號與一預定速度之間的誤差大於一預設範圍時以該速度訊號產生該控制訊號，否則以該扭矩命令訊號產生該控制訊號。