周慧穎

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

0 引言

在線纜繞制行業(yè)中，張力控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于對線材生產(chǎn)線中的卷取機(jī)和開卷機(jī)的控制，其主要作用是為了使線材在工作過程當(dāng)中具有恒定的張力。張力控制系統(tǒng)控制張力通常有間接法和直接法兩類。直接法是對張力的直接反饋控制，其是通過張力計(jì)測量出實(shí)際的張力值,并產(chǎn)生反饋信號,根據(jù)反饋信號控制恒定的張力值。直接法具有控制系統(tǒng)簡單和精度較高的優(yōu)點(diǎn)，可避免由于卷徑變化、速度變化和空載轉(zhuǎn)矩等因素對張力穩(wěn)定造成的影響。缺點(diǎn)是機(jī)械式張力計(jì)的響應(yīng)速度較慢，這是由于反饋信號的滯后，應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，造成系統(tǒng)的沖擊和波動。而間接法則是通過檢測系統(tǒng)中與線纜工作張力存在著線性比例關(guān)系的一些要素從而達(dá)到間接控制張力的一種方法。在生產(chǎn)實(shí)際中，間接法的應(yīng)用較直接法更為廣泛。

在傳統(tǒng)的直接張力控制方式中，機(jī)械式張力傳感器作為信號反饋的元件，其實(shí)際上取得的也是壓力信號，工作中要將導(dǎo)線從傳感器中穿過才能正常運(yùn)行，因此對導(dǎo)線的磨損就不可避免，如圖1所示。

1 張力傳感器

圖1 張力傳感器

張力傳感器按工作原理有微位移型和應(yīng)變片型2類。微位移型是由外力的作用使板簧產(chǎn)生位移，經(jīng)過差接變壓器來檢測出張力值的過程，板簧位移量約為±0.2 mm，由于位移值較小，故稱作微位移型張力檢測器；應(yīng)變片型是將張力應(yīng)變片和壓縮應(yīng)變片以電橋連接的方式拼接在一起，當(dāng)受到外界壓力時應(yīng)變片的電阻值發(fā)生改變，通過改變的阻值來確定所受張力的大小的變化。張力傳感器作為張力檢測元件，通常配套自動張力控制器、磁粉離合器或磁粉制動器一同使用，張力傳感器具有高穩(wěn)定度、線性度良好、響應(yīng)速度快、重量輕、體積小等特點(diǎn)。但在一些特殊的場合，如在繞/放線設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對空間的限制等原因，為了避免接觸摩擦對電纜線造成的磨損，客戶要求能夠提供一種無接觸的信號取得方案。調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)，工業(yè)電抗器的繞制采用的扁平電纜，都是繞制在很大的空心線軸之上的。線軸直徑多在1～2 m之間，這樣，在繞線和放線的過程中，線軸直徑的變化量就可以作為一個模擬量反饋到控制系統(tǒng)之中。然后控制單元依據(jù)簡單的程序算法，確定給出一個變化的電信號，電信號精確控制磁粉制動器的扭矩輸出，使之得到一個恒定張力的控制。

2 超聲波傳感器

近年來，隨著國內(nèi)外各種傳感器技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距傳感器技術(shù)得到了長足發(fā)展。其工作原理是通過“回聲延時”（即聲波發(fā)出和聲波返回之間的時間差）來確定傳感器與被測物體之間的距離。

超聲波傳感器由波發(fā)送器、波接收器、控制器和電源4部分組成。工作時，首先由波發(fā)送器將電振動能量轉(zhuǎn)換成超聲波能量向空中輻射；波接收器將超聲波能量接收，將超聲波能量再轉(zhuǎn)換為電能量，再經(jīng)過控制器部分對脈沖鏈頻率等進(jìn)行控制、計(jì)算，最終將信號作為傳感器接收器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)送的波進(jìn)行檢測的目的。

超聲波傳感器是利用聲波介質(zhì)對被測物體進(jìn)行非接觸式和無損耗的檢測。超聲波無論對透明的物體還是有顏色的物體、金屬物體或者非金屬物體以及固體、液體或粉狀物都能檢測，幾乎不受外界環(huán)境影響，這一特性使其相對它類型的光電傳感器擁有了更廣泛的應(yīng)用前途。

3 超聲波傳感器的實(shí)際應(yīng)用

圖2、圖3是我單位為某電力公司設(shè)計(jì)制作自動放線機(jī)。傳感器選用的是美國邦納公司生產(chǎn)的T30U型超聲波直反式測距傳感器，如圖4所示。T30U型超聲波測距傳感器具有內(nèi)置的溫度補(bǔ)償功能，可有效地減少溫度梯度變化對傳感器測量的影響，并且具有增強(qiáng)的EMC及RFI，抗干擾性強(qiáng)，量程范圍為100～3000 mm，同時具備開關(guān)量和模擬量兩種輸出方式，工作溫度-20～+70℃，具有示教 （Teach-in）功能，調(diào)試中可以通過按鍵便捷地設(shè)置工作行程和信號輸出的啟停位置。

圖2 自動放線機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

采用超聲波傳感器的自動放線機(jī)產(chǎn)品對導(dǎo)線無磨損，最大限度地保護(hù)了導(dǎo)線在繞線生產(chǎn)過程中不受損傷，且具有測距精確，定位精度高，響應(yīng)時間快，抗干擾能力強(qiáng)，測量范圍大，并且對被測物體的表面形狀，材質(zhì)等均無嚴(yán)格要求等特點(diǎn)。配合臺灣磁粉制動器、PLC和人機(jī)界面將其整合為一臺自動化程度較高的恒張力控制自動放線裝置。

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