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机床恒速恒张力自动控制的设计与研究
殷祥狮，朱家成**
作者简介：殷祥狮（1989-），男，合肥工业大学机械与汽车工程学院研究生，主要研究方向：机械设计和
计算机集成制造
通信联系人：朱家成（1959-）男，教授，主要研究方向：机电产品设计
（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）
5 摘要：现在许多产品以“成卷”的形式供应，而其最后一道工序都是将产品按照恒速恒张力
的要求卷绕在一个卷筒上。针对此问题，以塑料薄膜卷绕机为例，利用磁粉离合器优异的特
性，很好的实现了卷绕过程的恒速恒张力的控制，大大简化了传动系统的结构设计和控制系
统的复杂性。
关键词：机械制造自动化；恒速；恒张力；塑料薄膜 10
中图分类号：TP391
Research and design on constant velocity and tension on
machine tool
YIN Xiangshi, ZHU Jiacheng 15
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei
230009, China)
Abstract: Now,many products are supplied in rolls ,but it demands to be wound into reels with
constant velocity and tension in the last working this problem,takeing plastic
film coiler for example,it uses the excellent characteristics of magnetic powder this 20
way,it not only achieves constant velocity and tension control very well,but also simplifies the
design of driving systerm structure and the complexity of control system.
Key words: Machinery manufacturing and automation; Constant velocity; Constant tension;
Plastic film
25
0 引言
现在许多产品以“成卷”的形式供应，例如轧钢行业的卷板、塑料行业的卷装塑料薄膜、
造纸行业的卷纸、纺织行业的卷布，以及箔制品、电线、电缆等。在成卷时，产品按一定速
度连续不断的送出来，卷筒则同步转动，把产品卷绕成卷[1]。这个成卷的过程要求卷绕的速
度与产品喂入的速度同步，同时要求在传输的过程中保持一定的张力[2]，既不能将产品拉长，30
也不能产生产品松弛的现象。而且，随着收卷辊的卷绕直径的不断增大和放卷辊卷绕直径的
不断减小，要求收卷辊的转速不断下降和放卷辊的转速不断增加，最终实现卷绕的速度与喂
入速度一致和张力的恒定。
本文以比较典型的塑料薄膜卷绕机为例，塑料薄膜要求在恒定的速度和恒定的张力下进
行卷绕，否则就很容易造成塑料薄膜要么卷绕得比较松散，要么就将其拉伸得过紧造成其产35
生过大的变形，极大的影响了卷绕质量和产品品质[3]。为此，国内外许多学者提出了一些实
现恒速恒张力的设计方法。张晓武，崔桂梅等提出了选取合适的控制方法并结合西门子交流
矢量控制变频器装置来实现张力的稳定控制；张成风采用控制精度较高、抗干扰能力强的闭
环控制系统，由张力传感器实现闭环反馈，得到张力系统闭环模型；顾利秋采用三菱 PLC
为逻辑控制器，再结合嵌入式工控机、组态软件和变频器来实现卷染机的恒速恒张力控制。40
本此设计中充分利用磁粉离合器的优异的特性来实现恒速恒张力的控制，大大的简化了传动
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系统的结构和控制系统的复杂性。
1 被卷物速度与张力检测
传动系统设计
机床运行时，随着收卷辊卷绕直径的不断增大和放卷辊卷绕直径的不断减小，要求被卷45
物的运行速度和张力保持恒定[4]，本次设计中采用两台磁粉离合器，通过调节其励磁电流来
分别控制被卷物运行的速度和张力，其传动系统图如图 1 所示。
1 电动机 2 联轴器 3 减速器 4 链轮 5 磁粉离合器 6 收卷辊 7 被卷物 8 放卷辊
图 1 传动系统图 50
Fig. 1 Transmission system graph
速度和张力检测
为了使速度和张力检测的方便，结构中增加了一个检测辊和两个导辊，其位置布置如图
2 所示。速度和张力检测主要依靠 3 个霍尔元件和一个压力传感器，其中，安装在与卷辊轴
端的感应盘相对应的霍尔元件用来检测卷辊的转数；安装在与检测辊轴端的感应盘相对应的55
霍尔元件，用来检测被卷物的运行速度和总长度，由于在检测辊的外圆上加工有防滑槽，可
以保证检测辊外径的线速度与被卷物的运行速度一致，最后将检测结果反馈到电脑，由电脑
控制图 1 左端磁粉离合器的输出转速，使被卷物的运行速度保持恒定；安装在检测辊另一端
的通过杠杆与辊筒轴承相连的荷重传感器，用来检测被卷物的张力，并将检测结果反馈回电
脑，再由电脑控制图 1 右端磁粉离合器的输出转矩（制动转矩），使被卷物的张力保持恒定。60
检测辊速度与张力检测原理如图 3 所示。
1 检测辊 2、3 导辊 4、5 卷辊
图 2 检测辊布置图
Fig. 2 Layout drawing of checking winding drum 65
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1 霍尔传感器 2 感应盘 3 被卷物 4 传力杠杆 5 荷重传感器 6 卷辊 7 检测辊
图 3 检测辊速度与张力检测原理
Fig. 3 The detection principle of linear velocity and tension of checking winding drum
2 被卷物张力分析 70
被卷物在检测辊的外圆上穿行，在带动检测辊旋转的同时，被卷物的张力也使其承受了
径向的作用力，其受力如图 2 所示[5]。其中检测辊两端的轴承座承受的载荷是相等的，均为
F1 与 F2 合力的一半，而且靠近荷重传感器一端的轴承座是浮动轴承座，其底面与浮动架的
槽底留有间隙，使轴承座可在槽中上下浮动。轴承承受的作用力经连杆、传力杠杆等作用到
荷重传感器上。 75
荷重传感器承受的压力按下式计算：
i
n
FF
1
cos2 (1)
式中 F′——荷重传感器承受的压力
F ——被卷物张力
α——被卷物输入角，α=30° 80
n——检测辊支承点数量，n=2
i——传力杠杆臂长比，如图 1 所示。
解得 FFF
39
45
2
1
30cos2
故被卷物的张力可以直接由荷重传感器测得。
3 恒速恒张力控制原理 85
如图 4 所示，当放卷辊的卷绕半径从 R 下降到 r 时，由于恒张力控制，所以应该有 F1=F2
[6]，又因为图 1 右端链轮传动比为 1:1，故右端磁粉离合器输出的制动转矩需要从 MR调整到
Mr，MR与 Mr之间的关系为；
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图 4 放卷示意图 90
Sketch map of feeding roll
rFMRFMR 2r1 ;
r
M
F
R
M
F rR 21 ;
即有
R
rM
M Rr
(2) 95
所以磁粉离合器输出的制动转矩为初始转矩与卷径比的乘积，当放卷辊的卷绕直径随着
时间不断减小时，磁粉离合器输出的制动转矩也需要不断减小[6]。于是上式又可以写成：
R
trM
tM R
r (3)
因此，我们只要测出实时卷绕半径就能计算出磁粉离合器所需要调到的制动转矩[6]。又
已知放卷辊的卷绕半径与放卷圈数的关系为： 100
2
2
n2 00
nD
rDD
(3)
D0——放卷辊初始卷绕直径
——被卷物厚度
n——放卷辊放卷圈数，由霍尔元件检测
最后将检测辊张力的检测值与设定值比较，并进行“差值控制”，当两者不符时，由电105
脑输出指令调整右端磁粉离合器的的励磁电流，调整其输出的制动转矩。
左端磁粉离合器的速度调节主要依靠其励磁电流——转速特性，如图 5 所示，其中 n1
为主动端转速，n2 为从动端转速，通过改变励磁电流就可以调节其输出转速[5,7]。
图 5 速度调节特性 110
Speed regulation characteristic
4 结论
本文给出了一种实现塑料薄膜以恒定的速度和张力卷绕成卷的方法，该方法很好的利用
了磁粉离合器的优异的特性，使得整个设计不仅结构简单，而且在控制方面很容易实现，大
大节约了生产成本。 115
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