基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统.pdf

本发明公开了一种基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统，包括：工艺部分和控制部分，工艺部分通过恒定的速度将卷绕在一料卷上的滤芯材料拉出，并依序对滤芯材料进行压波、切边、施胶、缓冷、起波的制造工艺，控制部分控制滤芯材料的张力恒定；其中，控制部分包括PLC控制模块、数模转换模块以及磁粉制动驱动器以及磁粉制动器，PLC控制模块通过预设的料卷直径、料卷纸厚计算控制数据并输入数模转换模块进行数模转换，输出的模拟电压控制磁粉制动驱动器的输出电流，输出电流传输至磁粉制动器，用以控制磁粉制动器在料卷上的阻力矩。

权利要求书1.  一种基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统，其特征在于，包括：工艺部分和控制部分，所述工艺部分通过恒定的速度将卷绕在一料卷上的滤芯材料拉出，并依序对滤芯材料进行压波、切边、施胶、缓冷、起波的制造工艺，所述控制部分控制滤芯材料的张力恒定； 其中，所述控制部分包括PLC控制模块、数模转换模块以及磁粉制动驱动器以及磁粉制动器，所述PLC控制模块通过预设的料卷直径、料卷纸厚计算控制数据并输入所述数模转换模块进行数模转换，输出的模拟电压控制所述磁粉制动驱动器的输出电流，所述输出电流传输至所述磁粉制动器，用以控制所述磁粉制动器在所述料卷上的阻力矩。 2.  根据权利要求1所述的基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统，其特征在于，所述工艺部分包括： 压痕辊组，设置于所述料卷后方，用以对拉出的过滤芯材进行压波处理； 牵引辊组，设置于所述压痕辊组后方，用以对经过压波处理的过滤芯材进行牵引； 施胶辊组，设置于所述牵引辊组的后方，用以对经过压波处理的过滤芯材进行施胶处理； 缓冷导辊，设置于所述施胶辊组后方，用以对经过施胶处理的过滤芯材进行缓冷处理； 起波辊组，设置于所述缓冷导辊后方，用以对经过缓冷处理的过滤芯材进行起波处理。 3.  根据权利要求2所述的基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统，其特征在于，所述控制部分还包括： 若干减速机，分别连接所述压痕辊组、所述牵引辊组以及所述起波辊组； 若干伺服电机，分别连接所述若干减速机； 若干伺服驱动器，连接所述PLC控制模块，并分别连接所述若干伺服电机。

说明书基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统
技术领域
本发明涉及生产作业中的张力控制技术领域，特别涉及一种基于无隔板 过滤机芯的恒张力控制系统。
背景技术
根据洁净厂房设计规范(GB50073-2001)，洁净厂房设计必须做到技术先 进、经济适用、安全可靠、确保质量，并应符合节约能源、劳动卫生和环境 保护的要求。高效空气过滤器HEPA(high efficiency particulate airfilter在额定 风量下，对粒径大于等于0.3μm粒子的捕集效率在99.9％以上及气流阻力在 250Pa以下的空气过滤器)是洁净厂房主要耗材。
HEPA滤芯的质量指标包括过滤效率(％)、风阻(5.33cm/s)、使用寿命； 玻璃纤维的滤芯，过滤效果约为DOP 99.97％以上，风阻>190pa，使用寿命 一般为8～12个月。HEPA主要由高效滤纸折叠而成，过滤效果明显。在折叠 过程中要求每一折高度相等，如有偏离会造成高低不平，一般成规律性波浪， 这会造成滤芯在风机抽风时产生震动，时间久了会出现滤芯断裂，失去过滤 作用，影响到滤芯使用寿命。这要求生产设备的精确度要高，定长压痕精确， 在以较高速度生产时，稳定性要好。其中，影响精度的因素有：机械运动精 度、重复精度、速度控制精度、张力控制精度等。其中恒张力控制是设备控 制中一个非常重要的环节。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于无隔板过滤机芯 的恒张力控制系统。本发明通过以下技术方案实现：
一种基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统，包括：工艺部分和控制部 分，工艺部分通过恒定的速度将卷绕在一料卷上的滤芯材料拉出，并依序对 滤芯材料进行压波、切边、施胶、缓冷、起波的制造工艺，控制部分控制滤 芯材料的张力恒定；
其中，控制部分包括PLC控制模块、数模转换模块以及磁粉制动驱动器 以及磁粉制动器，PLC控制模块通过预设的料卷直径、料卷纸厚计算控制数 据并输入数模转换模块进行数模转换，输出的模拟电压控制磁粉制动驱动器 的输出电流，输出电流传输至磁粉制动器，用以控制磁粉制动器在料卷上的 阻力矩。
较佳的，工艺部分包括：
压痕辊组，设置于料卷后方，用以对拉出的过滤芯材进行压波处理；
牵引辊组，设置于压痕辊组后方，用以对经过压波处理的过滤芯材进行 牵引；
施胶辊组，设置于牵引辊组的后方，用以对经过压波处理的过滤芯材进 行施胶处理；
缓冷导辊，设置于施胶辊组后方，用以对经过施胶处理的过滤芯材进行 缓冷处理；
起波辊组，设置于缓冷导辊后方，用以对经过缓冷处理的过滤芯材进行 起波处理。
较佳的，控制部分还包括：
若干减速机，分别连接压痕辊组、牵引辊组以及起波辊组；
若干伺服电机，分别连接若干减速机；
若干伺服驱动器，连接PLC控制模块，并分别连接若干伺服电机。
本发明较以往的控制系统具有结构简单、成本低、容易控制的特点，特 别是实际张力的大小通过电流直接调节，改变了其他调节装置的手工操作过 程，使得操作简单、准确。
附图说明
图1所示的是本发明的原理图；
图2所示的是磁粉制动器的激磁电流和转矩的曲线图；
图3所示的是控制数据与料卷直径关系的示意图；
图4所示的是本发明恒张力的控制流程图；
图5所示的是计算输出模拟量的程序梯形图；
图中：1.料卷；2.导辊；3.压痕辊组；4.牵引辊组；5.施胶辊组；6.缓冷导 辊；7.起波辊组；8.减速机；9.伺服电机；10.磁粉制动器；11.PLC控制模块； 12.数模转换模块；13.伺服驱动器；14.磁粉制动驱动器。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是 全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作 进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供的基于无隔板过滤机芯的恒张力控制系统采用机、电、气一 体化控制；生产效率高，操作简单、稳定可靠，用于生产玻璃纤维无隔板空 气过滤器芯。生产工艺流程：过滤芯材→上卷→张力开卷→滤材压波→切边 →施胶→缓冷→起波→成品冷却成型→人工分切。
如图1所示，系统包括两个部分：工艺部分和控制部分。
工艺部分包括：用来卷绕滤芯材料的料卷1，压痕辊组3设置于料卷1的 后方，用以对拉出的过滤芯材进行压波处理，两者中间设置有导辊2来导向 以及使过滤芯材平整；牵引辊组4设置于压痕辊组3的后方，用以对经过压 波处理的过滤芯材进行牵引；施胶辊组5设置于牵引辊组4的后方，用以对 经过压波处理的过滤芯材进行施胶处理；缓冷导辊6设置于施胶辊组5的后 方，用以对经过施胶处理的过滤芯材进行缓冷处理；起波辊组7设置于缓冷 导辊6后方，用以对经过缓冷处理的过滤芯材进行起波处理。
控制部分包括：减速机8、伺服电机9、磁粉制动器10、PLC控制模块 11、数模转换模块12以及磁粉制动驱动器14，减速机8分别连接压痕辊组3、 牵引辊组4以及起波辊组7，PLC控制模块11通过伺服驱动器13以及伺服电 机来控制减速机8，从而以恒定的速度将卷绕在一料卷1上的滤芯材料拉出， 同时，PLC控制模块11通过预设的料卷1直径、料卷纸厚计算控制数据并输 入数模转换模12块进行数模转换，输出的模拟电压控制磁粉制动驱动器14 的输出电流，输出电流传输至磁粉制动器10，用以控制磁粉制动器10在料卷 1上的阻力矩，使料卷1的张力恒定。
本发明的原理如下：
磁粉制动器10是一种新型的自动控制执行元件，它根据电磁原理，调节 激磁电流可任意调节其传递的转矩，激磁电流和转矩在一定范围内成线性关 系，如图2所示。只有激励电流小于20％额定电流时，产生较严重的非线性 失真。当激磁电流一定时，转矩将会稳定输出，与滑差速度无关。
料卷1的半径R随时间而变化，实际的变化范围由最大400mm逐渐变化 到60mm左右。在芯材线速度一定的条件下，张力F产生的力矩与磁粉制动 器的制动力矩相等。即：M＝T，T＝FR。要使张力F恒定，必须使磁粉制动器 产生的力矩与料卷的半径R呈线性变化。因为力矩与激励电流成正比，所以 只要保证激励电流与料卷的半径R呈线性关系，即能使张力F恒定。若保持 芯材张力恒定，需要得知芯材实际半径，即可通过控制磁粉制动器的励磁电 流实现张力F恒定。
磁粉制动器10的激励电流由磁粉制动驱动器14产生，给磁粉制动驱动 器14输入0～10V电压可令其产生0～3A的电流。系统通过PLC控制模块11 通过预设的料卷直径、料卷纸厚计算控制数据，并向数模转换模块12输入控 制数据，实现模拟电压U的输出，由U控制稳流驱动器的输出电流I，由I 控制磁粉制动器作用在放卷轴上的阻力矩，从而达到调节张力的目的。系统 采用25NM，额定电流1.24A的磁粉制动器10。
PLC控制模块11要实现对张力的控制，必须确定模拟量输出数据和力矩 的函数关系。此函数关系除了与磁粉制动器10的电流-力矩特性有关外，还与 磁粉制动器10的电压-电流转换特性有关，因此是一个复合的关系函数。实测 数据确定法是工程应用上确定复合函数常采用的一种方法。现通过实际测量， 能得到如表1所示的实验数据。

表1
由上表数据，得到控制数据与料卷直径的关系曲线，如图3所示。得到 线性拟合曲线方程：
Y＝1.9379x+585.46；
实际应用中：加上张力系数K，即：
DA数据(模数转换数据)＝K(1.9379D+585.46)
其中D为料卷直径(mm)；K取(0.80～1.20)，与料卷幅宽成正比。幅宽 越宽所需的张力越大，系数要求越大。
在实际生产中，料材的纸厚并不一成不变的，有同批次有些误差，不同 货号的的纸厚也不同，不同厂家的料卷纸厚都不一样。因此纸厚的人工设定 不是很准确，并且不方便测量。因此，系统增加了自动纸厚纠偏功能。
设定纸厚h，当前卷径R，卷径变化ΔR，走纸圈数N，实际卷径差E， 纸厚计算值H。
ΔR＝N×h
ΔE＝ΔR-E
H＝h(1-ΔE/ΔR)
实际卷径差E通过两个光电传感器设定，当第一个光电信号消失，开始 记录数据，直到第二个传感器信号消失，两个传感器之间的卷径差可以调节， 并通过触摸屏输入PLC。
在生产过程中，随着卷径的减少，到最后100mm时，磁粉制动器力矩特 性进入非线性区，通过微量增大张力系统K进行补偿，K’＝K+0.003－ 0.00003×D，保证张力的恒定。
由于机械惯量的存在，为保证张力控制精度，需对放卷辊转矩进行动态 补偿，补偿量的大小与加减速度变化量、当前卷径有关，也为时变参数。加 减速时，由于本身的惯量将产生较大的张力变化。大的过渡张力变动在产品 质量上是不允许的。为了防止这种变动，加速时按惯量产生转矩的大小，减 小磁粉制动器产生的转矩，将控制量DA数据减去ka；减速时则增大，DA数 据加上ka，其中k补偿系数，a为加速度。
恒张力的控制流程图如图4所示，恒张力控制的控制数据由PLC控制模 块运算产生，给磁粉制动器的控制数据由数模转换模块产生。张力控制程序 首先要知道料卷的半径(直径)，就能计算得到需要的力矩，再计算出控制所 需要的电压，从而得到控制数据。直径是在生产过程中是不断减小的，程序 中根据走过的周长，确定直径。即：料长走掉一倍周长，直径减去两个纸厚。 设走过的圈数n，原来的直径D0，纸张的厚度h，就可以算出放卷瞬时的直 径D。具体公式如下：
D＝D0－2nh
计算输出模拟量的PLC程序梯形图如图5所示。
用磁粉制动器控制张力的方案较以往的控制系统具有结构简单、执行单 元成本低、容易控制的特点，特别是实际张力的大小通过电流直接调节，改 变了其他调节装置的手工操作过程，使得操作简单、准确。
控制函数的线性工程拟合与小半径时的非线性补偿，张力的误差控制在 5％的波动范围。采用了自适应料卷纠偏直径计算及纸厚修正的方法，提高了 易操作性。在加减速过程中，采用前馈式动态电流补偿，保证了张力的恒定。 实践证明，这种方法适应性强，达到良好的控制效果。这种控制方法与策略， 具有成本低，张力控制精度高，有利于进一步提高产品质量，具有良好的应 用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。