影響張力機(jī)構(gòu)張力穩(wěn)定性因素研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)

蘭賢輝， 李超， 劉偉， 馬鵬， 葛正福， 周濤

（西安聚能超導(dǎo)磁體科技有限公司，西安 710018）

0 引言

繞線作業(yè)通常需要用到繞線機(jī)，繞線機(jī)指的是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的設(shè)備，通常用于線材纏繞。電器產(chǎn)品大多需要用線材繞制成線圈，可以使用繞線機(jī)完成這一道或多道加工。常用繞線機(jī)繞制的線多為漆包銅線（繞制電子、電器產(chǎn)品的電感線圈）、漆包鋁線、紡織線（繞制紡織機(jī)用的紗綻、線團(tuán)），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(jī)的種類繁多，按其用途分類，可分為通用型和專用型。繞線機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)元件、氣動(dòng)元件、傳動(dòng)裝置、傳感器、控制系統(tǒng)等組合成一臺(tái)具有高自動(dòng)化程度的設(shè)備。通?？梢宰詣?dòng)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(méi)有工件或銅線時(shí)及時(shí)更換即可保證連續(xù)生產(chǎn)，通常軸數(shù)較高，以實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)。自動(dòng)化程度足夠高的機(jī)器可以滿足一名員工同時(shí)看管多臺(tái)設(shè)備的要求。

但是對(duì)于繞線精度高的線圈，除了基本尺寸需要嚴(yán)格控制，甚至繞線過(guò)程中對(duì)張力也要控制，從而使得線圈繞制的質(zhì)量穩(wěn)定。從而在繞線或者卷制方面的工作中，經(jīng)常遇到張力控制問(wèn)題，張力控制得好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。在銅鋁線材等生產(chǎn)中均采用收卷裝置，為了使線材卷得緊而齊，并改善產(chǎn)品質(zhì)量，均需對(duì)收卷裝置實(shí)現(xiàn)恒張力控制[1]。對(duì)于高速卷筒紙膠印機(jī)，張力的波動(dòng)和變化對(duì)印刷套準(zhǔn)精度影響更大[2]。目前對(duì)于某些型號(hào)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(fā)生一定塑性變形的方式進(jìn)行校直[3]。尤其是對(duì)于超導(dǎo)磁體制作，恒張力密排穩(wěn)定繞線，是不可缺少的關(guān)鍵工序?？傊祟愑玫綇埩刂频陌咐?，均需要對(duì)張力進(jìn)行穩(wěn)定性控制，張力或大或小都會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)不可挽回的巨大損失。

張力控制的形式很多，而且較為復(fù)雜，針對(duì)不同的使用要求選用合理的控制形式至關(guān)重要。比如有力矩電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制器、磁粉制動(dòng)器/磁粉離合器張力控制、舞蹈棍控制器、直接張力閉環(huán)控制等形式。

對(duì)于張力閉環(huán)系統(tǒng)而言，張力由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成張力在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中不穩(wěn)定，隨著運(yùn)行不斷變化，從而使得整個(gè)系統(tǒng)變化。通過(guò)對(duì)目前已經(jīng)存在的張力控制案例中影響張力穩(wěn)定性的因素進(jìn)行總結(jié)分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)出一套能夠通過(guò)氣壓施加穩(wěn)定張力的結(jié)構(gòu)及控制方案。此設(shè)計(jì)有效避免或降低了張力穩(wěn)定性的影響程度，使張力穩(wěn)定性較好地得到提高，同時(shí)為張力穩(wěn)定性控制的進(jìn)一步深入研究做出有益嘗試。而且在恒張力校直設(shè)備中得到應(yīng)用，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

1 影響張力機(jī)構(gòu)張力穩(wěn)定性因素分析

目前在張力控制領(lǐng)域用到的張力機(jī)構(gòu)形式很多，最常用的施加穩(wěn)定張力效果比較好的如圖1（a）所示，此機(jī)構(gòu)由2個(gè)起導(dǎo)向作用的定輪、1個(gè)由氣缸推拉上下浮動(dòng)的動(dòng)輪、機(jī)架和張力控制系統(tǒng)（如圖2）組成。特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，線材在輪子上繞好以后，線材與動(dòng)輪中心豎直方向有一個(gè)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(jìn)氣，一端出氣。若換向，則通過(guò)普通換向閥進(jìn)行操作。

1.1 張力機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于如圖1（a）機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，在張力施加過(guò)程中，對(duì)浮動(dòng)輪進(jìn)行受力分析，如圖1（b）所示。

圖1 常用張力機(jī)械機(jī)構(gòu)及動(dòng)輪受力分析

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

在系統(tǒng)工作中，動(dòng)輪是在一定范圍內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡的，此時(shí)可以假定動(dòng)輪靜止。所以有關(guān)系式：

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

實(shí)際上，在系統(tǒng)工作過(guò)程中，動(dòng)輪是不可能靜止不動(dòng)的，它在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，帶來(lái)的直接變化就是線材與動(dòng)輪中心豎直方向夾角α在浮動(dòng)過(guò)程中是實(shí)時(shí)變化的。α的變化會(huì)使得F張力實(shí)時(shí)變化，從而使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1.2 張力機(jī)構(gòu)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(jìn)，一端出，每一路上均有調(diào)壓閥，施加在動(dòng)輪上作用力方向的改變依靠普通換向閥實(shí)現(xiàn)。對(duì)于張力的控制，尤其是張力穩(wěn)定性要求很高的控制系統(tǒng)，給動(dòng)輪施加張力的氣缸、調(diào)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(shí)沖擊比較大，既不利于張力施加的穩(wěn)定性，又對(duì)精密元器件有很大的沖擊損傷甚至破壞。

圖2 常用張力機(jī)構(gòu)控制示意圖

2 常用張力機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)以上對(duì)常用張力機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)和張力控制兩方面的研究分析，對(duì)相應(yīng)的部分做了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

從式（1）中可以看出，影響張力穩(wěn)定性的主要因素為線材與動(dòng)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(dòng)輪的半徑；r為定輪的半徑；L為定輪和動(dòng)輪水平方向的中心距。

其中，2個(gè)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(jié)構(gòu)形式不變。這樣則消除了線材與動(dòng)輪中心豎直方向夾角α對(duì)F張力穩(wěn)定性的影響因素。此時(shí)受力分析如圖3（a）所示。

2.2 張力控制改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)用普通的換向閥來(lái)控制氣缸施加動(dòng)輪上作用力的換向中產(chǎn)生的問(wèn)題，改進(jìn)設(shè)計(jì)出了如圖3（b）所示的控制示意圖。

圖3中：Pt為調(diào)節(jié)壓力；Ps為設(shè)定壓力；At為調(diào)節(jié)端氣缸面積；As為設(shè)定端氣缸面積；Ft為調(diào)節(jié)端產(chǎn)生的作用力；Fs為設(shè)定端產(chǎn)生的作用力；ΔF為氣缸對(duì)外表現(xiàn)出來(lái)的壓力，即雙作用氣缸兩個(gè)氣口進(jìn)氣壓力差。

圖3 改進(jìn)后動(dòng)輪受力分析及控制

氣缸對(duì)動(dòng)輪施加壓力通過(guò)氣缸雙口進(jìn)氣壓差ΔF施加產(chǎn)生所需張力。

實(shí)施方法為：在確定好張力范圍后，根據(jù)所選調(diào)節(jié)閥Pt量程和所需使用量程范圍，合理調(diào)節(jié)設(shè)定好Ps值，將其作為定值。在工作過(guò)程中，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)Pt的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)壓差ΔF大小和方向的改變，從而實(shí)現(xiàn)張力在所需范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。

由于Pt調(diào)節(jié)是接近連續(xù)變化的過(guò)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(shí)現(xiàn)了張力變化和換向的穩(wěn)定性，又保護(hù)了精密元器件不受損壞。另外Pt調(diào)節(jié)范圍與Ps有關(guān)系，合理選擇Ps值，則可以使得Pt避開(kāi)調(diào)壓閥量程中不穩(wěn)定部分，從而提高調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性。

3 應(yīng)用實(shí)例

將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用到鈦合金絲材在線加熱張力校直裝置系統(tǒng)中[4]，此校直裝置包括以下結(jié)構(gòu)：主動(dòng)放線機(jī)、張力機(jī)構(gòu)、感應(yīng)爐、管式爐、浸入式槽型循環(huán)水冷裝置、導(dǎo)向裝置和主動(dòng)收線機(jī)。這幾個(gè)機(jī)構(gòu)依次相連，張力結(jié)構(gòu)連接有旋轉(zhuǎn)編碼器和直線電位計(jì)，主動(dòng)放線機(jī)連接有放線變頻器，主動(dòng)收線機(jī)連接有收線變頻器；校直方法為：主動(dòng)放線機(jī)、張力機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置和主動(dòng)收線機(jī)組成恒張力恒速度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)絲材校直時(shí)所需的精確穩(wěn)定的校直張力和速度，由感應(yīng)爐和管式爐組成預(yù)熱均溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)絲材快速高效地加熱和保證一定的溫度均勻性。

通過(guò)其中的張力結(jié)構(gòu)參與形成的恒張力系統(tǒng)，將直徑為6 mm絲材進(jìn)行加熱，同時(shí)施加恒定的張力進(jìn)行拉伸，過(guò)程中對(duì)于絲材張力通過(guò)張力機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定持續(xù)提供可控范圍內(nèi)張力，最終可以將絲材在加熱拉伸過(guò)程中的直徑穩(wěn)定控制在（6±0.2）mm以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)張力機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)和張力控制進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效避免或降低了對(duì)張力穩(wěn)定性的影響程度，同時(shí)得出以下結(jié)論。

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)避開(kāi)了影響張力穩(wěn)定性較大的一個(gè)因素，但其適用于設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸可以設(shè)計(jì)很大，或者絲材材質(zhì)較軟的情況。即結(jié)構(gòu)形式使得其應(yīng)用范圍減小。若設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸要求較小且絲材材質(zhì)較硬時(shí)，由于繞線時(shí)操作可能比較困難而使得此結(jié)構(gòu)形式不宜使用，對(duì)此需要進(jìn)一步研究。

2）調(diào)節(jié)閥Pt調(diào)節(jié)為手動(dòng)，是為了防止電磁干涉，提高張力穩(wěn)定性。若系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精度要求不高時(shí)，可以考慮采用電動(dòng)控制調(diào)節(jié)，從而提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

3）此結(jié)構(gòu)已經(jīng)在恒張力校直設(shè)備中應(yīng)用，校直的絲材產(chǎn)品直徑公差一致性和穩(wěn)定性滿足要求。下一步工作可以考慮將精度進(jìn)一步提高。