一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统及控制方法专利检索- 纸张或纸板制造物品;纸张或纸板的加工专利检索查询-专利查询网

一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统及控制方法
申请号	CN201610207536.X	申请日	2016-04-05	公开(公告)号	CN105856635A	公开(公告)日	2016-08-17
申请人	武汉理工大学;			发明人	徐汉斌; 孙大林; 张正敏; 孙光耀; 白云昭;
摘要	本发明公开了一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，包括单片机、转速传感器、电压传感器、采集卡、张力传感器；单片机通过励磁调节器与他励发电机连接，他励发电机的电枢部分通过变速器与滚筒连接；转速传感器采集伺服电机的转速，电压传感器采集他励发电机的励磁电压，张力传感器采集瓦楞纸的张力，转速传感器和电压传感器将采集的数据通过采集卡传递给单片机，张力传感器将采集的数据传递给单片机，单片机根据上述数据使励磁调节器调节他励发电机的电流，从而控制他励发电机的阻磁转矩；他励发电机将电能储存在电能储能器内。本发明还提供一种瓦楞纸生产线的张力控制方法。本发明能准确控制瓦楞纸生产线的张力，提高瓦楞纸生产质量。
权利要求	1.一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，其特征在于：包括单片机、励磁调节器、他励发电机、变速器、滚筒、伺服电机、转速传感器、电压传感器、采集卡、张力传感器；所述单片机通过励磁调节器与他励发电机连接，所述他励发电机的电枢部分通过变速器与滚筒连接；所述转速传感器采集伺服电机的转速，所述电压传感器采集他励发电机的励磁电压，所述张力传感器采集瓦楞纸的张力，转速传感器和电压传感器将采集的数据通过采集卡传递给单片机，所述张力传感器将采集的数据传递给单片机，单片机根据张力传感器和转速传感器采集的数据使励磁调节器调节他励发电机的电流，从而控制他励发电机；电压传感器将采集的数据反馈给单片机；所述他励发电机将电能储存在电能储能器内；所述励磁调节器与直流电源连接。 2.根据权利要求1所述的用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，其特征在于：所述张力传感器置于轧辊上。 3.根据权利要求1所述的用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，其特征在于：所述单片机通过光电隔离I/O卡与励磁调节器连接。 4.根据权利要求1所述的用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，其特征在于：所述电能储能器与伺服电机连接。 5.采用权利要求1-4任一所述的用于瓦楞纸生产线的张力控制系统进行张力控制的方法，其特征在于包括如下步骤： 1)伺服电机带动转筒上的瓦楞纸运动，转筒通过变速器将动能传递给他励发电机发电；转速传感器采集伺服电机的转速，张力传感器采集瓦楞纸的张力；转速传感器和张力传感器将采集的数据传递给单片机； 2)单片机根据上述数据控制励磁调节器调节他励发电机的励磁电流；他励发电机根据励磁电流控制转筒的转速，从而控制瓦楞纸的张力； 3)单片机对他励发电机的励磁电压进行监控，进行励磁电流调整，以准确控制瓦楞纸的张力。 6.根据权利要求1所述的用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，其特征在于：所述电能储能器为伺服电机供电。
说明书全文	一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统及控制方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种张力控制领域，具体涉及一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统及控制方法。背景技术 [0002] 瓦楞纸板生产的工艺流程是：先将卷筒瓦楞纸分别放到瓦楞纸架上，由电机带动卷筒瓦楞纸展开，经过压制瓦楞、涂胶、定型、分切等工序后制成规格纸板成品。在瓦楞纸板加工过程中,瓦楞纸在设备上输送的张力直接影响到瓦楞纸板的加工质量，如果瓦楞纸张力超过允许范围，则容易出现断纸，影响生产效率和产品质量。张力不稳定时,瓦楞纸会出现走偏﹑起皱和断纸等问题,影响生产效率和成本，影响瓦楞纸板质量。 [0003] 现有的张力控制方式通常采用不断改变电机转速、转矩来实现张力控制，这种方式自动化程度低，纸张质量差，而且容易使瓦楞纸走偏、漂移等使得生产废品率高。这种方式使得电机频繁的变化速度，因此对整个装置的内部电路和外部机械结构冲击增大，因此降低了真个装置的使用寿命，增加了生产成本。因电机在不断的改变转速和转矩，因此能耗高。发明内容 [0004] 本发明的目的在于提供一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统及控制方法，该控制系统和控制方法能准确控制瓦楞纸生产线的张力，提高瓦楞纸生产质量。 [0005] 本发明所采用的技术方案是：一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，包括单片机、励磁调节器、他励发电机、变速器、滚筒、伺服电机、转速传感器、电压传感器、采集卡、张力传感器；所述单片机通过励磁调节器与他励发电机连接，所述他励发电机的电枢部分通过变速器与滚筒连接；所述转速传感器采集伺服电机的转速，所述电压传感器采集他励发电机的励磁电压，所述张力传感器采集瓦楞纸的张力，转速传感器和电压传感器将采集的数据通过采集卡传递给单片机，所述张力传感器将采集的数据传递给单片机，单片机根据张力传感器和转速传感器采集的数据使励磁调节器调节他励发电机的电流，从而控制他励发电机；电压传感器将采集的数据反馈给单片机； [0006] 所述他励发电机将电能储存在电能储能器内； [0007] 所述励磁调节器与直流电源连接。 [0008] 更进一步的方案是，所述张力传感器置于轧辊上。 [0009] 更进一步的方案是，所述单片机通过光电隔离I/O卡与励磁调节器连接。 [0010] 更进一步的方案是，所述电能储能器与伺服电机连接。 [0011] 伺服电机提供恒定牵引力F拖动瓦楞纸，为保证生产过程中纸张保持平整，瓦楞纸需保持匀速V0运动。由于伺服电机端不断地收起瓦楞纸，滚筒端不断展出瓦楞纸，为保持瓦楞纸的张力和运动速度恒定，伺服电机端转速逐步减少，同时扭矩逐步增加；滚筒端的转速逐步增大，提供的阻力矩逐步减少。 [0012] 本发明通过调节转筒的转速来实现瓦楞纸的张力和运动速度恒定，具体步骤为： [0013] 1)伺服电机提供驱动力带动滚筒转动将瓦楞纸拉出，并通过变速器与他励发电机相连，将运动传给他励发电机，使他励发电机发电，同时将他励发电机产生的电能储存到电能储能器中；转速传感器采集伺服电机的转速，张力传感器采集瓦楞纸的张力；转速传感器和张力传感器将采集的数据传递给单片机； [0014] 2)随着滚筒上瓦楞纸半径的减小，滚筒的转速将增大，传感器将测量的伺服电机转速和纸材张力信号给单片机，单片机根据上述数据进行计算，控制励磁调节器调节他励发电机产生合适的他励发电机励磁电流，使他励发电机产生需要的他励发电机阻磁转矩，进而控制滚筒的转速，使滚筒的线速度保持恒定，从而控制瓦楞纸的张力； [0015] 3)单片机对他励发电机的励磁电压进行监控，进行励磁电流调整，以准确控制瓦楞纸的张力。 [0016] 本发明产生的有益效果是： [0017] (1)传感器测速结合发电机阻磁转矩控制滚筒与电机转速差，从而实现张力的稳定精确控制； [0018] (2)采用控制转筒转速来实现瓦楞纸的张力的控制方式，改变传统通过控制伺服电机转速来控制瓦楞纸张力的控制方式，以准确控制瓦楞纸生产线的张力，提高瓦楞纸生产质量； [0019] (3)采用他励发电机，将转筒的动能转化为电能，将该电能储存起来进行再利用； [0020] (4)该控制系统结构简单，使用方便，便于推广引用； [0021] (5)该控制系统和控制方法使瓦楞纸的张力控制更加精确智能，保证了生产效率和生产质量，减少了能源消耗，提高了设备使用寿命； [0022] (6)整个系统采用反馈控制的闭环控制系统，可以有效的减小因各种扰动输入和内部参数(如滚筒转速)变化而产生的影响，自动纠正偏差，提高控制精度。附图说明 [0023] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： [0024] 图1是本发明用于瓦楞纸生产线的张力控制系统的结构示意图； [0025] 图2是瓦楞纸张力控制原理图。 [0026] 其中：1、瓦楞纸，2、伺服电机、3、滚筒，4、变速器，5、他励发电机，6、单片机，7、励磁调节器，8、转速传感器，9、张力传感器，10、电压传感器，11、直流电源，12、电能储能器，13、采集卡，14、光电隔离I/O卡，15、轧辊。具体实施方式 [0027] 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用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0028] 参见图2，伺服电机2提供恒定牵引力F拖动瓦楞纸，为保证生产过程中瓦楞纸1纸张保持平整，瓦楞纸1需保持匀速V0运动。由于伺服电机2不断地收起瓦楞纸1，滚筒3不断展出瓦楞纸1，为保持瓦楞纸1的张力和运动速度恒定，伺服电机2转速逐步减少，同时扭矩逐步增加(回转半径逐步加大)；滚筒3的转速逐步增大，提供的阻力矩逐步减少(回转半径逐步减少)。根据上述原理，本发明提供一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统及控制方法。 [0029] 参见图1，一种用于瓦楞纸生产线的张力控制系统，包括单片机10、励磁调节器7、他励发电机5、变速器4、滚筒3、伺服电机2、转速传感器8、电压传感器10、采集卡13、张力传感器9；单片机6通过励磁调节器7与他励发电机5连接，他励发电机5的电枢部分通过变速器4与滚筒3连接；转速传感器8采集伺服电机2的转速，电压传感器10采集他励发电机5的励磁电压，张力传感器9采集瓦楞纸1的张力，转速传感器8和电压传感器10将采集的数据通过采集卡13传递给单片机6，张力传感器9将采集的数据传递给单片机6，单片机6根据张力传感器9和转速传感器8采集的数据使励磁调节器7调节他励发电机5的电流，从而控制他励发电机5的阻磁转矩；电压传感器10将采集的数据反馈给单片机6； [0030] 他励发电机5将电能储存在电能储能器12内；励磁调节器7与直流电源11连接。 [0031] 为了准确测量瓦楞纸的张力，张力传感器9置于轧辊15上。单片机6通过光电隔离I/O卡14与励磁调节器7连接。为了实现节能，电能储能器12与伺服电机2连接。 [0032] 本发明中，当励磁电流增大时，他励发电机5阻磁转矩增大，伺服电机2载荷增大，滚筒3转速变慢，从而瓦楞纸1张力变大；反之，当励磁电流减小时，他励发电机5阻磁转矩减小，伺服电机2载荷减小，滚筒3转速变快，从而瓦楞纸1张力变小。 [0033] 本发明还提供一种采用上述用于瓦楞纸生产线的张力控制系统进行张力控制的方法，包括如下步骤： [0034] 1)伺服电机2提供驱动力带动滚筒3转动将瓦楞纸1拉出，并通过变速器4与他励发电机5相连，将运动传给他励发电机5，使他励发电机5发电，同时将他励发电机5产生的电能储存到电能储能器12中；转速传感器8采集伺服电机2的转速，张力传感器9采集瓦楞纸1的张力；转速传感器8和张力传感器9将采集的数据传递给单片机6； [0035] 2)随着滚筒3上瓦楞纸1半径的减小，滚筒3的转速将增大，传感器将测量的伺服电机转速和瓦楞纸1张力信号给单片机6，单片机6根据上述数据进行计算，控制励磁调节器7调节他励发电机5产生合适的他励发电机励磁电流，使他励发电机5产生需要的他励发电机阻磁转矩，进而控制滚筒3的转速，使滚筒3的线速度保持恒定，从而控制瓦楞纸1的张力； [0036] 3)单片机6对他励发电机5的励磁电压进行监控，进行励磁电流调整，以准确控制瓦楞纸1的张力。 [0037] 在整个控制过程中，电能储能器12为伺服电机供电。 [0038] 本发明将伺服电机2转速与瓦楞纸1张力作为输入信号，将伺服电机2转速作为目标转速(伺服电机转速和瓦楞纸张力由转速传感器测得)；将他励发电机5的转速作为反馈信号，利用电压传感器10测得他励发电机5的励磁电压，经转换得到他励发电机转速作为实际转速，反馈到单片机6，形成负反馈，使系统趋于稳定。将实际转速和目标转速经过比较得到转速偏差信号，偏差信号结合瓦楞纸张力进行计算，单片机6根据计算结果控制励磁调节器7调节他励发电机5的励磁电流，进而控制发电机阻磁转矩的大小，调节滚筒转速，进而使瓦楞纸张力保持在稳定范围内。 [0039] 由于滚同的转速不断地变化，为了保证滚筒的稳定工作，需要不断调整他励发电机的励磁电流来提供不断变化的阻转矩。为了明确此过程中张力的变化情况，确定合理的算法控制方案，建立了纸张张力控制的数学模型： [0040] 设定参数： [0041] 纸卷半径——r [0042] 瓦楞纸供应速度——v [0043] 纸卷及转轴等效转动惯量——J [0044] 纸卷及转轴质量——m [0045] 纸卷及转轴等效密度——ρ [0046] 瓦楞纸宽幅——L [0047] 瓦楞纸张力的合力——F [0048] 纸卷转轴的角速度——ω [0049] 他励直流发电机对转轴施加的制动力矩——M [0050] 并设转动阻尼系数为——ξ [0051] 由阻尼转矩与转动角速度成正比结合牛顿定律，推导可得纸卷应遵循的动力学运动规律为： [0052] [0053] [0054] 根据生产线实际情况，瓦楞纸在输送过程速度要求保持一个合理的值，所以瓦楞纸速度： [0055] [0056] 已知纸卷及转轴等效转动惯量为J，其计算公式为： [0057] [0058] m＝ρ·(πr2·L) [0059] [0060] 将公式代入得 [0061] [0062] [0063] 对他励直流发电机来说，其制动力矩与所加电压成正比，即M＝kU，代入公式得[0064] [0065] 由上述公式可得出，在速度v稳定不变的情况下，制动力矩M和瓦楞纸纸卷半径r直接影响张力的变化。如果要保持张力恒定，必须跟随r的大小来调节制动力矩M。但是在整个生产过程中，纸卷半径r一直处在变化之中，从而导致了系数控制模型的时变型，而且变化范围较大。 [0066] 本发明中，单片机为MSP430F149或同类别单片机。他励发电机不仅要产生磁力矩调节滚筒的转速，同时会从滚筒的转动中获取动力进行发电。转速传感器采用投射式光电转速传感器，属于间接式测量装置。电压传感器采用霍尔电压传感器。 [0067] 本发明的张力控制可运用于冶金、纺织、造纸等行业的产品生产中。 [0068] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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