有關高速傳帶設備張力控制的應用研究

李 南 ，劉秋楠

（1. 蘭州理工大學 數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室，蘭州 730050；2. 蘭州理工大學 機電工程學院，蘭州 730050）

0 引言

最近我們研究并開發了一套高速傳帶設備。該設備是用于原子核對撞機數據采樣中的關鍵設備，其工作原理結構圖如圖1所示：

圖1 工作原理結構圖

如圖1所示，由放帶電機放出帶子，將帶子通過滑輪真空盒狹縫，由拉帶電機拉過磁帶并纏繞到收帶電機上,其中在真空盒處，將可能探測出的粒子由粒子輸入口通過鹽固工藝附著在磁帶上由拉帶電機50ms拉帶500mm至探頭處，停200ms讓采集裝置探測是否存在所需要的衰變粒子。該設備涉及到定位、張力、糾偏等諸多參數的相互控制，尤其是磁帶的張力控制貫徹在這個設備運轉中，磁帶張力過小則容易松弛起皺，張力過大則容易引起變形甚至斷裂。機械的不平衡與磨損和電機響應運轉等方面引起的張力擾動就無法實現實時的平滑控制，這將直接影響實驗的結果。針對磁帶在整套設備運行過程中不同部位（放帶，拉帶，收帶）的特點，在充分考慮了張力擾動的多種原因后提出了行之有效的方案。

1 張力控制在設備中的應用

張力控制本質上是一個速度調節問題。在高速傳帶設備中張力即指放帶張力、放帶緩沖控制張力、收帶緩沖張力和收帶張力等四部分。四段張力控制均由伺服電機控制相應收放帶輪的速度和運動位置實現。在設備進行運行過程中要使磁帶不起皺、不脫帶、不斷帶，施加一合適的張力是必要的[1]。

高速傳帶設備運行時要求傳帶速度達到50ms走500mm，此運動是由拉帶電機來完成的。

由牛頓第二定律F=ma可以推導出運行中的磁帶受力情況如下：

F1-F2=m*d[v(t)]/dt.

其中v(t) ：線速度；F1：前張力；F2:后張力；m：取樣斷的質量。

顯然，若要使張力平穩過渡（F1=F2）則磁帶的牽引速度就要恒定。其控制的好壞主要取決于調速系統的各項指標[2]。

雖然我們拉帶電機的牽引速度是恒定的，但是設備要求拉帶電機中間有200ms是停止的，這就需要收放帶電機不停地起停，高速加減速運行。由于三個電機各自所在的機械結構上的不同，所以三個電機在速度加速度的響應上存在不同步等因素，有時會發生脫帶現象。因此，我們設計并采用了緩沖彈簧和4個限位（其中兩邊的是極限位置，一旦放帶電機側的滑輪到達其中一個位置，設備將停止運轉，中間的兩個是用來調節放帶電機的速度）進行控制收放帶電機的加減速（如圖1所示）。

以放帶部分為例我們進行分析：

圖2 放帶部分示意圖

圖2是放帶部分示意圖。設拉帶時的張力為F ；拉帶電機的速度為V1；放帶電機的速度為V2。顯然V1>V2，磁帶張緊；當V1V2[3]。

如圖2所示，設備運行時放帶側緩沖滑輪的運動位置為左右限位之間，初始停止位置為左右限位之間；在啟動時，需要根據拉帶電機的初始速度來計算放帶電機的初始速度，如果放帶電機的初始速度過快，放帶側緩沖滑輪就會向右限位偏離，計算所得估算直徑值就偏大，在運行幾次后，放帶側大緩沖滑輪就會碰右限位，并且超程碰右極限，使三個伺服電機都停止；相反放帶電機放帶加速度偏小，放出的磁帶不足以保證拉帶電機一次需要拉過的500mm的距離，就會使放帶側緩沖滑輪碰左限位，幾次運行后易碰左極限停機。所以放帶伺服電機的初始運行速度，加速度與啟動延時的大小，都要計算準確，否則不能保證拉帶電機與放帶電機的協調運行。另外，放帶電機加減速的大小也要能保證放帶電機在拉帶時放出的磁帶不碰右極限停機，拉帶停止時，放帶側緩沖滑輪不能超左限位，碰左極限停機。

計算時，我們采用輸入收放帶盤的直徑來給收放帶電機所需要的的脈沖當量，輸入的直徑越小，脈沖當量就越大；相反，直徑越大，脈沖當量就越小。當系統的張力為恒定值時放帶盤上傳送帶纏繞的松緊度為恒定值，但是由于我們此處采用彈簧提供薄傳送帶的張緊力，在放帶側大緩沖滑輪在左右限位之間運動時，彈簧的張緊力是變值，這也就導致了放帶盤上傳送磁帶纏繞大松緊度不同，這個松緊度是個不可測量值，所以我們在每次比較拉過的帶長和估算的傳送帶直徑之后，減少或者增加的2倍帶厚大基礎上又做了微量的調整，即在放帶盤側的滑輪在觸碰左右限位的時候，我們在當前PC計算的直徑的基礎上使直徑值加1或減1，從而使給伺服電機的脈沖相應的變小或變大，調節電機的轉動位移，協調與拉帶電機之間的運動。

收帶部分的工作原理與放帶部分相似，在此就不多做描述。

綜上所述可知我們在整體上對該設備采用張力控制，在細節調整上采用模糊控制原理。具體來說就是采用收放帶側彈簧拉動緩沖滑輪的位置檢測裝置和PC+運動控制卡構成自動控制系統，以調整收放帶速度與運動位置，從而調整控制傳送帶緩沖滑輪的位置，調整傳送帶的張力。而張力調整量為收放帶側滑輪運動左右限位的距離乘上彈簧的剛性。因為通過滑輪位置檢測裝置的反饋構成閉環, 并根據模糊自適應PID控制原理，設計模糊模糊自適應PID控制程序功能模塊，將收放帶盤上傳送帶的直徑值作為控制量，進而調節控制伺服電機得到穩定的張力。

2 結論

本文介紹的張力控制方法一方面使高速傳帶設備不但控制精度高，反應快，張力波動小，可吸收系統中突然產生的張力峰值。并且它很容易實現拉帶的快速起停，并在機器加、減速時有很好的緩沖吸收作用，達到準確檢測短衰變周期離子的效果。另一方面與高速傳送帶類似的設備還有很多。例如，在紡織行業中，漿紗機、漿染聯合機、并軸機等設備都會有收放卷的環節。傳遞紙張、薄膜、鋁箔的卷繞系統在工廠中都十分常見。通過研究高速傳送系統，可以使生產效率提高，節省材料消耗，在塑料薄膜、紡織、印染、造紙、復合材料等領域有著廣泛的推廣前景。

[1] 張一清.軟包裝生產線上薄膜的張力控制[J].基礎自動化,1999,6(6):18-20.

[2] 吳旭.高速浮輥張力控制系統的研究[J].電子工業董用設備,2007,154:5-6.

[3] 邱鳴.測徑及張力控制[J].百花苑,2007,29(12):47-48.