王文亚\李金龙圆
(1.山西大同大学，山西大同037000;.北京泰拓精密清洗设备有限公司，北京100000)
摘要：目前收放卷结构存在于很多领域中，由于收卷放卷机构中最重要的是对张力的恒定要求，此时力矩电机可以满足 其要求，并对力矩电机的选型与控制以及在新型领域中的应用做详细的介绍。关键词：收放卷结构；张力恒定；力矩电机；选型；控制中图分类号：TM 3B 36 文献标志码：B 文章编号：1002-2333(2017)01-0073-02
引言
收卷、放卷结构在很多行业中都会使用，如造纸工业 中的收卷机与放卷机。现在市面上有很多不同尺寸与形 状的纸，其来源就是把造好的纸修剪或者分切成所需要 的长度与宽度，这时会用到放卷与收卷的动作。纸的印刷 机械中对纸的印刷过程也会出现放卷与收卷；组成电路 板的铜箔，其生产过程中收放卷是其非常重要的环节；冷 带钢卷的成卷过程；纺织机械中的浆纱机、浆染机、涂布 机中对布料的处理都存在收卷的动作；胶带行业中，半成 品与成品都需要卷取动作；清洗行业中，带状产品的清洗 必然也会遇到收放卷的操作。总的来说，只要设计中存在 对卷状物体的生产与处理就必然会用到收卷与放卷的结
构。1
收卷放卷结构的力矩电机
1)收卷放卷结构的特性要求。收卷与放卷虽然动作 简单，由电机带动轴或者辊筒旋转，就可以实现，但是整 个设备对其收放动作是有一定的要求，首先看张力形成 的原因，如图1。薄膜放卷结构示意图，图中薄膜张力为T ， 放卷的最大直径为D 薄膜放卷前端为一对牵引轮对薄膜
迷途的女人进行牵引，牵引轮 前方的速度为V ,， 此速度一般恒定， 而放卷时的线速度 为v 2，l 为牵引轮到 放卷位置的距离，
张力是由两者之间的薄膜伸长量AL 产生，在这里假设薄 膜的横截面积为A ，弹性模量为E 。由胡克定律得T =(AE /L )A L ，AL J 0(V 「V 2)dt 。所以张力公式为
丛乙^^汕。
⑴
t 乙0
由式（1)可知，张力形成的原因是前后速度71与72的 不同步，刚开始放卷肯定要满足VPV 2，以便有合适的张力 拉动来放卷，当张力形成以后要保证V 1 = V 2，这样就使被 放卷产品在恒张力作用下进行放卷。但是随着放卷过程 的进行，如果放卷的转速不变，随着放卷半径的减小，v 2= 仔Dn 将减小，将会导致张力增加，所以要想保证恒张力， 则必须根据放卷直径的变化来实时调整放卷电机的转速 以实现V 1与V 2的同步。
所以对于收放卷的电机要求必须具有软特性才能保 证张力恒定，所谓软特性就是当负载大小变化时，电机的 转速也随着变化较大。这样的电机有转子回路串人电阻 的绕线型异步电动机、滑差电动机、直流串激电动机、力 矩电动机。
前三种电动机控制系统相对力矩电动机要复杂，所 以现在很多卷绕设备上面都选择力矩电动机，因为力矩 电动机，当负载增加时，电动机的转速能自动随之降低， 输出力矩会增加，保持与负载平衡。同理负载减少时，电 动机的转速能自动随之增加，输出力矩减少。
力矩电动机在收卷与放卷过程能保持张力恒定，张 力调节方便，结构可靠，维护方便，控制简单。
2)力矩电机的选型。假设卷取机的最大直径为D ，最 小卷径为d ，最大卷重为G ，被卷产品的行走速度为V ，卷取 张力为F 。最小卷径的转速斤_=7/(仔d )，最大卷径的转速 Nm a x =V /(仔D )，卷径比A =D /d ，电机有不同的同步转速，假设 选择为n 。。根据力矩电机的卷绕特性曲线，最佳速度范围 为（1/3~2/3)n ，此转速范围内基本上使产品保持恒张力和 恒线速度，所以尽量使电机的最高转速(空载时)和最低 转速(满载时)处于（1/3~2/3)n 。范围内，此范围卷径比为 2，如果A 大于2，速度需要向两边合理延伸。卷绕时电动机 的输出力矩公式为 under age10 years old
式中：为传动减速比;％为减速装置效率，一般取0.8~0.9 或按实际选取;K 为折算至额定力矩的系数，K=n 0-n 7n 。，％ 为电机同步转速，n '为对应于最大卷绕直径时的电机转
速，当最低转速为f n 。时为0.85，最低转速为|n 。时为 0.55，堵转时为1.0。
最后根据式⑵算出来M ，根据M 的大小来选取力矩电机。 力矩电机型号国家没有强制执行标准，一般国内以 Y LJ 系列为基础。
3)力矩电机的控制。力矩电机的控制主要分为开环网址 www.jxgcs 电邮：hrbengineer@163 2017 年第 1 期 7
3
控制与闭环控制。开环控制：利用电机本身的与收放卷 特性相似的软机械特性，电机直接驱动收放卷装置，以获 得近似的恒张力控制，整个过程无检测与反馈。主要用 于卷径变化不大的场合，精度比较低。闭环控制：利用检 测设备进行检测，且根据输出结果与理论要求的差异进 行修正。存在反馈电路，主要用于卷径变换大的场合，精 度高。闭环控制又分为直接张力控制、间接张力控制。
葬援直接张力控制。直接张力控制利用张力传感器来 测量实际张力，其输出信号作为张力反馈量经张力调节 控制张力恒定。图2为直接张力控制模型，TE 为张力传感 器，直接测量张力，再通过张力控制器TC 进行控制。
遭援间接张力控制。间接张力控制的实质是通过电气 传动理论对恒张力放卷机构的物理方程进行静态和动态
的分析，从中出影响张力的各电气物理量，传感器将测 得的物理量转变为电压信号传给控制器，控制器再根据 其设定的控制方法对其输出做出调整，使压力稳定在某 个值附近从而分别对它们进行控制。根据控制要求的不 同可采用不同的方法，其中包括功率反馈、电流反馈、电
枢反电势反馈和卷径反馈等。间接张力控制模型如图3， 主要由PG (编码器)、MS (转速传感器)测得卷径，通过计 算算出张力，再由TC (张力控制器)进行控制。
直接控制是直接测量张力，没有卷径、速度等的干 扰，所以精度相对间接控制要高。
4)卷径的 测量。实际 中，无论采用 哪种控制方法 实现恒张力控 制，卷径都会
是其主要的干
扰因素，所以需要对卷径进行实时的控制。图3就是对卷径进行实时 监测。卷径的计算方法一般有以下3种：
葬援由实际被卷产品的速度和电机转速计算得到卷径。 根据V =2™R =仔Dn 得:D =V /(™)，所以需要有测速传感器 与编码器、电动机转速4金测装置。
遭援由织物线速度与织物实际的厚度计算得到卷径。
糟.用迭代法计算得到卷径D 。设卷绕过程中t 时刻直 径为Dt ，则在t +At 时刻卷径为Dt +A t =Dt +AD ，因为卷轴每转1 周，其直径就增加2层织物的厚度，所以在At 时间内卷径
增量AD =2^，逐次迭代，即可求得任一时刻卷径D 的值。
仔D t
可以看出通过检查速度与电机转速是最简单的方法。
2
力矩电机在收放卷机构中的应用前景
力矩电机与普通电机相比有很多优势，首先在性能
方面，转速低转矩大，当负载转矩增大时能自动降低转 速，同时加大输出转矩；其次在结构方面，力矩电机可以 直接与负载相连，而普通电机必须要先进行减速，即在电 机与负载之间必须要联接减速器，所以力矩电机结构节 电，操作方便高效，在未来有很大的应用前景。
1)
清洗行业。带状的物体的清洗，在清洗设备中必
须要有收放卷机构，这时力矩电机可以保证在整个清洗 过程中张力恒定，即使被清洗物体要经过清洗，烘干处理 也可以保证恒定速度，整个过程能保证被清洗产品变形 最小，清洗效率最高。
2) 多种卷状材质复合。在生活中可以看到双面胶是 由两种材质复合在一起，这样需要有2套放卷装置
和1套收 卷装置，在未来可以把性能好的几种材质复合在一起，这 样的产品可以具有更好的性能，比如拉伸性能，不易变形 的性能等，这样就根据需要增加收放卷结构以及力矩电 机。
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印顺
(编辑明涛）
网
作者简介：王亚文（1988—)，女，硕士，助教，主要从事机械类基础课2018最新国旗法
与专业课的教学工作。
收稿日期：2016-07-25
图3
间接张力控制系统
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