影響張力機構張力穩定性因素研究及改進設計

蘭賢輝， 李超， 劉偉， 馬鵬， 葛正福， 周濤

（西安聚能超導磁體科技有限公司，西安 710018）

0 引言

繞線作業通常需要用到繞線機，繞線機指的是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的設備，通常用于線材纏繞。電器產品大多需要用線材繞制成線圈，可以使用繞線機完成這一道或多道加工。常用繞線機繞制的線多為漆包銅線（繞制電子、電器產品的電感線圈）、漆包鋁線、紡織線（繞制紡織機用的紗綻、線團），還有繞制電熱器具用的電熱線及焊錫線、電線、電纜等。繞線機的種類繁多，按其用途分類，可分為通用型和專用型。繞線機通過電動機、電動元件、氣動元件、傳動裝置、傳感器、控制系統等組合成一臺具有高自動化程度的設備。通常可以自動排線、纏頭、斷夾線、捻線、上下料。操作工只需要保證原料的充足，在沒有工件或銅線時及時更換即可保證連續生產，通常軸數較高，以實現高效率生產。自動化程度足夠高的機器可以滿足一名員工同時看管多臺設備的要求。

但是對于繞線精度高的線圈，除了基本尺寸需要嚴格控制，甚至繞線過程中對張力也要控制，從而使得線圈繞制的質量穩定。從而在繞線或者卷制方面的工作中，經常遇到張力控制問題，張力控制得好壞直接影響著產品的質量。在銅鋁線材等生產中均采用收卷裝置，為了使線材卷得緊而齊，并改善產品質量，均需對收卷裝置實現恒張力控制[1]。對于高速卷筒紙膠印機，張力的波動和變化對印刷套準精度影響更大[2]。目前對于某些型號鈦合金絲材的校直，也采用在一定條件下，利用恒張力使其發生一定塑性變形的方式進行校直[3]。尤其是對于超導磁體制作，恒張力密排穩定繞線，是不可缺少的關鍵工序。總之，此類用到張力控制的案例中，均需要對張力進行穩定性控制，張力或大或小都會造成產品質量問題產生，甚至出現不可挽回的巨大損失。

張力控制的形式很多，而且較為復雜，針對不同的使用要求選用合理的控制形式至關重要。比如有力矩電動機及驅動控制器、磁粉制動器/磁粉離合器張力控制、舞蹈棍控制器、直接張力閉環控制等形式。

對于張力閉環系統而言，張力由于系統的結構設計，造成張力在整個運行過程中不穩定，隨著運行不斷變化，從而使得整個系統變化。通過對目前已經存在的張力控制案例中影響張力穩定性的因素進行總結分析，改進設計出一套能夠通過氣壓施加穩定張力的結構及控制方案。此設計有效避免或降低了張力穩定性的影響程度，使張力穩定性較好地得到提高，同時為張力穩定性控制的進一步深入研究做出有益嘗試。而且在恒張力校直設備中得到應用，達到穩定運行的目標。

1 影響張力機構張力穩定性因素分析

目前在張力控制領域用到的張力機構形式很多，最常用的施加穩定張力效果比較好的如圖1（a）所示，此機構由2個起導向作用的定輪、1個由氣缸推拉上下浮動的動輪、機架和張力控制系統（如圖2）組成。特點是機械結構方面，線材在輪子上繞好以后，線材與動輪中心豎直方向有一個α（0°＜α＜90°）的夾角；控制方面，如圖2所示，氣缸為雙作用氣缸，氣缸一端進氣，一端出氣。若換向，則通過普通換向閥進行操作。

1.1 張力機構機械結構分析

對于如圖1（a）機械結構形式，在張力施加過程中，對浮動輪進行受力分析，如圖1（b）所示。

圖1 常用張力機械機構及動輪受力分析

圖1中：F張力為系統工作中在線材上施加的張力；α為線材與動輪中心豎直方向夾角；F氣缸為系統工作中，氣缸施加在動輪上的作用力；G浮動輪重力為動輪本身的重力。

在系統工作中，動輪是在一定范圍內處于動態平衡的，此時可以假定動輪靜止。所以有關系式：

式中：當F張力＞G浮動輪重力時，氣缸施加在動輪上的作用力是豎直向下的，此時取“＋”；當F張力＜G浮動輪重力時，氣缸施加在動輪上的作用力是豎直向上的，此時取“－”。

實際上，在系統工作過程中，動輪是不可能靜止不動的，它在一定范圍內上下浮動，帶來的直接變化就是線材與動輪中心豎直方向夾角α在浮動過程中是實時變化的。α的變化會使得F張力實時變化，從而使得系統不穩定。

1.2 張力機構張力控制分析

如圖2所示的控制形式，氣壓是從雙作用缸一端進，一端出，每一路上均有調壓閥，施加在動輪上作用力方向的改變依靠普通換向閥實現。對于張力的控制，尤其是張力穩定性要求很高的控制系統，給動輪施加張力的氣缸、調壓閥等均為張力控制專用的精密元器件。而這些元器件的使用條件比較苛刻。普通換向閥換向時沖擊比較大，既不利于張力施加的穩定性，又對精密元器件有很大的沖擊損傷甚至破壞。

圖2 常用張力機構控制示意圖

2 常用張力機構改進設計

針對以上對常用張力機構機械結構和張力控制兩方面的研究分析，對相應的部分做了改進設計。

2.1 機械結構改進設計

從式（1）中可以看出，影響張力穩定性的主要因素為線材與動輪中心豎直方向夾角α，如果α＝0°，則式（1）可以改寫為

式中：R為動輪的半徑；r為定輪的半徑；L為定輪和動輪水平方向的中心距。

其中，2個定輪直徑大小可以不同，但是必須分別滿足式（3）條件，其他結構形式不變。這樣則消除了線材與動輪中心豎直方向夾角α對F張力穩定性的影響因素。此時受力分析如圖3（a）所示。

2.2 張力控制改進設計

針對用普通的換向閥來控制氣缸施加動輪上作用力的換向中產生的問題，改進設計出了如圖3（b）所示的控制示意圖。

圖3中：Pt為調節壓力；Ps為設定壓力；At為調節端氣缸面積；As為設定端氣缸面積；Ft為調節端產生的作用力；Fs為設定端產生的作用力；ΔF為氣缸對外表現出來的壓力，即雙作用氣缸兩個氣口進氣壓力差。

圖3 改進后動輪受力分析及控制

氣缸對動輪施加壓力通過氣缸雙口進氣壓差ΔF施加產生所需張力。

實施方法為：在確定好張力范圍后，根據所選調節閥Pt量程和所需使用量程范圍，合理調節設定好Ps值，將其作為定值。在工作過程中，通過手動調節Pt的大小來實現壓差ΔF大小和方向的改變，從而實現張力在所需范圍內的調節。

由于Pt調節是接近連續變化的過程，所以壓差ΔF的變化是平滑的，方向改變也是柔性的，從而既實現了張力變化和換向的穩定性，又保護了精密元器件不受損壞。另外Pt調節范圍與Ps有關系，合理選擇Ps值，則可以使得Pt避開調壓閥量程中不穩定部分，從而提高調節精度和穩定性。

3 應用實例

將此結構應用到鈦合金絲材在線加熱張力校直裝置系統中[4]，此校直裝置包括以下結構：主動放線機、張力機構、感應爐、管式爐、浸入式槽型循環水冷裝置、導向裝置和主動收線機。這幾個機構依次相連，張力結構連接有旋轉編碼器和直線電位計，主動放線機連接有放線變頻器，主動收線機連接有收線變頻器；校直方法為：主動放線機、張力機構、導向裝置和主動收線機組成恒張力恒速度系統，實現絲材校直時所需的精確穩定的校直張力和速度，由感應爐和管式爐組成預熱均溫系統，實現絲材快速高效地加熱和保證一定的溫度均勻性。

通過其中的張力結構參與形成的恒張力系統，將直徑為6 mm絲材進行加熱，同時施加恒定的張力進行拉伸，過程中對于絲材張力通過張力機構系統進行控制，使其穩定持續提供可控范圍內張力，最終可以將絲材在加熱拉伸過程中的直徑穩定控制在（6±0.2）mm以內。

4 結語

通過對張力機構機械結構和張力控制進行了改進設計，有效避免或降低了對張力穩定性的影響程度，同時得出以下結論。

1）機械結構改進設計避開了影響張力穩定性較大的一個因素，但其適用于設備結構尺寸可以設計很大，或者絲材材質較軟的情況。即結構形式使得其應用范圍減小。若設備結構尺寸要求較小且絲材材質較硬時，由于繞線時操作可能比較困難而使得此結構形式不宜使用，對此需要進一步研究。

2）調節閥Pt調節為手動，是為了防止電磁干涉，提高張力穩定性。若系統穩定性和調節精度要求不高時，可以考慮采用電動控制調節，從而提高系統自動化程度。

3）此結構已經在恒張力校直設備中應用，校直的絲材產品直徑公差一致性和穩定性滿足要求。下一步工作可以考慮將精度進一步提高。