李 南 ，劉秋楠

（1. 蘭州理工大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

最近我們研究并開發(fā)了一套高速傳帶設(shè)備。該設(shè)備是用于原子核對(duì)撞機(jī)數(shù)據(jù)采樣中的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 工作原理結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，由放帶電機(jī)放出帶子，將帶子通過滑輪真空盒狹縫，由拉帶電機(jī)拉過磁帶并纏繞到收帶電機(jī)上,其中在真空盒處，將可能探測(cè)出的粒子由粒子輸入口通過鹽固工藝附著在磁帶上由拉帶電機(jī)50ms拉帶500mm至探頭處，停200ms讓采集裝置探測(cè)是否存在所需要的衰變粒子。該設(shè)備涉及到定位、張力、糾偏等諸多參數(shù)的相互控制，尤其是磁帶的張力控制貫徹在這個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，磁帶張力過小則容易松弛起皺，張力過大則容易引起變形甚至斷裂。機(jī)械的不平衡與磨損和電機(jī)響應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)等方面引起的張力擾動(dòng)就無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的平滑控制，這將直接影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。針對(duì)磁帶在整套設(shè)備運(yùn)行過程中不同部位（放帶，拉帶，收帶）的特點(diǎn)，在充分考慮了張力擾動(dòng)的多種原因后提出了行之有效的方案。

1 張力控制在設(shè)備中的應(yīng)用

張力控制本質(zhì)上是一個(gè)速度調(diào)節(jié)問題。在高速傳帶設(shè)備中張力即指放帶張力、放帶緩沖控制張力、收帶緩沖張力和收帶張力等四部分。四段張力控制均由伺服電機(jī)控制相應(yīng)收放帶輪的速度和運(yùn)動(dòng)位置實(shí)現(xiàn)。在設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行過程中要使磁帶不起皺、不脫帶、不斷帶，施加一合適的張力是必要的[1]。

高速傳帶設(shè)備運(yùn)行時(shí)要求傳帶速度達(dá)到50ms走500mm，此運(yùn)動(dòng)是由拉帶電機(jī)來完成的。

由牛頓第二定律F=ma可以推導(dǎo)出運(yùn)行中的磁帶受力情況如下：

F1-F2=m*d[v(t)]/dt.

其中v(t) ：線速度；F1：前張力；F2:后張力；m：取樣斷的質(zhì)量。

顯然，若要使張力平穩(wěn)過渡（F1=F2）則磁帶的牽引速度就要恒定。其控制的好壞主要取決于調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)[2]。

雖然我們拉帶電機(jī)的牽引速度是恒定的，但是設(shè)備要求拉帶電機(jī)中間有200ms是停止的，這就需要收放帶電機(jī)不停地起停，高速加減速運(yùn)行。由于三個(gè)電機(jī)各自所在的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的不同，所以三個(gè)電機(jī)在速度加速度的響應(yīng)上存在不同步等因素，有時(shí)會(huì)發(fā)生脫帶現(xiàn)象。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)并采用了緩沖彈簧和4個(gè)限位（其中兩邊的是極限位置，一旦放帶電機(jī)側(cè)的滑輪到達(dá)其中一個(gè)位置，設(shè)備將停止運(yùn)轉(zhuǎn)，中間的兩個(gè)是用來調(diào)節(jié)放帶電機(jī)的速度）進(jìn)行控制收放帶電機(jī)的加減速（如圖1所示）。

以放帶部分為例我們進(jìn)行分析：

圖2 放帶部分示意圖

圖2是放帶部分示意圖。設(shè)拉帶時(shí)的張力為F ；拉帶電機(jī)的速度為V1；放帶電機(jī)的速度為V2。顯然V1>V2，磁帶張緊；當(dāng)V1V2[3]。

如圖2所示，設(shè)備運(yùn)行時(shí)放帶側(cè)緩沖滑輪的運(yùn)動(dòng)位置為左右限位之間，初始停止位置為左右限位之間；在啟動(dòng)時(shí)，需要根據(jù)拉帶電機(jī)的初始速度來計(jì)算放帶電機(jī)的初始速度，如果放帶電機(jī)的初始速度過快，放帶側(cè)緩沖滑輪就會(huì)向右限位偏離，計(jì)算所得估算直徑值就偏大，在運(yùn)行幾次后，放帶側(cè)大緩沖滑輪就會(huì)碰右限位，并且超程碰右極限，使三個(gè)伺服電機(jī)都停止；相反放帶電機(jī)放帶加速度偏小，放出的磁帶不足以保證拉帶電機(jī)一次需要拉過的500mm的距離，就會(huì)使放帶側(cè)緩沖滑輪碰左限位，幾次運(yùn)行后易碰左極限停機(jī)。所以放帶伺服電機(jī)的初始運(yùn)行速度，加速度與啟動(dòng)延時(shí)的大小，都要計(jì)算準(zhǔn)確，否則不能保證拉帶電機(jī)與放帶電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。另外，放帶電機(jī)加減速的大小也要能保證放帶電機(jī)在拉帶時(shí)放出的磁帶不碰右極限停機(jī)，拉帶停止時(shí)，放帶側(cè)緩沖滑輪不能超左限位，碰左極限停機(jī)。

計(jì)算時(shí)，我們采用輸入收放帶盤的直徑來給收放帶電機(jī)所需要的的脈沖當(dāng)量，輸入的直徑越小，脈沖當(dāng)量就越大；相反，直徑越大，脈沖當(dāng)量就越小。當(dāng)系統(tǒng)的張力為恒定值時(shí)放帶盤上傳送帶纏繞的松緊度為恒定值，但是由于我們此處采用彈簧提供薄傳送帶的張緊力，在放帶側(cè)大緩沖滑輪在左右限位之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧的張緊力是變值，這也就導(dǎo)致了放帶盤上傳送磁帶纏繞大松緊度不同，這個(gè)松緊度是個(gè)不可測(cè)量值，所以我們?cè)诿看伪容^拉過的帶長和估算的傳送帶直徑之后，減少或者增加的2倍帶厚大基礎(chǔ)上又做了微量的調(diào)整，即在放帶盤側(cè)的滑輪在觸碰左右限位的時(shí)候，我們?cè)诋?dāng)前PC計(jì)算的直徑的基礎(chǔ)上使直徑值加1或減1，從而使給伺服電機(jī)的脈沖相應(yīng)的變小或變大，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，協(xié)調(diào)與拉帶電機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)。

收帶部分的工作原理與放帶部分相似，在此就不多做描述。

綜上所述可知我們?cè)谡w上對(duì)該設(shè)備采用張力控制，在細(xì)節(jié)調(diào)整上采用模糊控制原理。具體來說就是采用收放帶側(cè)彈簧拉動(dòng)緩沖滑輪的位置檢測(cè)裝置和PC+運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，以調(diào)整收放帶速度與運(yùn)動(dòng)位置，從而調(diào)整控制傳送帶緩沖滑輪的位置，調(diào)整傳送帶的張力。而張力調(diào)整量為收放帶側(cè)滑輪運(yùn)動(dòng)左右限位的距離乘上彈簧的剛性。因?yàn)橥ㄟ^滑輪位置檢測(cè)裝置的反饋構(gòu)成閉環(huán), 并根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制原理，設(shè)計(jì)模糊模糊自適應(yīng)PID控制程序功能模塊，將收放帶盤上傳送帶的直徑值作為控制量，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制伺服電機(jī)得到穩(wěn)定的張力。

2 結(jié)論

本文介紹的張力控制方法一方面使高速傳帶設(shè)備不但控制精度高，反應(yīng)快，張力波動(dòng)小，可吸收系統(tǒng)中突然產(chǎn)生的張力峰值。并且它很容易實(shí)現(xiàn)拉帶的快速起停，并在機(jī)器加、減速時(shí)有很好的緩沖吸收作用，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)短衰變周期離子的效果。另一方面與高速傳送帶類似的設(shè)備還有很多。例如，在紡織行業(yè)中，漿紗機(jī)、漿染聯(lián)合機(jī)、并軸機(jī)等設(shè)備都會(huì)有收放卷的環(huán)節(jié)。傳遞紙張、薄膜、鋁箔的卷繞系統(tǒng)在工廠中都十分常見。通過研究高速傳送系統(tǒng)，可以使生產(chǎn)效率提高，節(jié)省材料消耗，在塑料薄膜、紡織、印染、造紙、復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣泛的推廣前景。

[1] 張一清.軟包裝生產(chǎn)線上薄膜的張力控制[J].基礎(chǔ)自動(dòng)化,1999,6(6):18-20.

[2] 吳旭.高速浮輥張力控制系統(tǒng)的研究[J].電子工業(yè)董用設(shè)備,2007,154:5-6.

[3] 邱鳴.測(cè)徑及張力控制[J].百花苑,2007,29(12):47-48.