印刷機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于印刷行業(yè)張力控制原理，分析了張力控制系統(tǒng)組成，并介紹了以STM32為主控芯片及外圍電路開發(fā)而成的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅控制精度高，響應(yīng)速度快，而且操作簡(jiǎn)單，有合理的PID控制功能，適用于多種印刷材料。它還可以計(jì)算出材料筒的直徑，使整個(gè)張力控制過程更為合理。

張力控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于印刷等輕工業(yè)領(lǐng)域中，在收取和放卷材料時(shí)，為保證生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，保持恒定的張力是很重要的。在印刷過程中或者是印刷完成之后，最后的一道工序一般就是將加工物卷繞成筒狀。在這一過程中，卷繞的好壞將是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，卷得太緊，容易使材料變形、拉斷，卷得太松又容易使材料不緊湊，不利于搬運(yùn)和運(yùn)輸，因而為了達(dá)到使卷繞緊湊，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，都要求在卷繞過程中，在材料上建立一定的張力，并保持張力為恒定值。有時(shí)恒定的張力值與材料卷繞的直徑必須保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，因?yàn)椴煌牧系娜犴g度也各不相同，而當(dāng)以固定張力卷繞比較柔的材料時(shí)，內(nèi)層材料就會(huì)被外層壓至變形。為了避免這種情況的發(fā)生，系統(tǒng)需要測(cè)量出卷繞材料的直徑，實(shí)時(shí)控制材料受到的張力。

隨著印刷行業(yè)逐步結(jié)構(gòu)化與系統(tǒng)化，對(duì)材料張力的控制有了越來越高的要求，由于印刷工藝流程各不相同，張力控制方法也就千差萬別。目前應(yīng)用的張力控制系統(tǒng)，根據(jù)其測(cè)量控制的原理結(jié)構(gòu)，主要有以下3種：間接法張力控制系統(tǒng)；直接法張力控制系統(tǒng)；兼有間接法和直接法的復(fù)合張力控制系統(tǒng)。間接張力控制不需要安裝張力傳感器，降低了控制設(shè)備成本。然而間接張力控制只能滿足一般的張力控制要求，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到令人滿意的精度；直接法張力控制雖然成本較高一些，但可以更為精確地完成控制過程，而且有極快的響應(yīng)速度，這里采用的就是直接法張力控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以STM32RTC6為主控芯片，運(yùn)行時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz。主控芯片集合了許多高性能外設(shè)資源，減少了相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)麻煩，正常工作電壓為3．3 V，具有很強(qiáng)的功耗控制功能。

1 張力控制系統(tǒng)組成

在印刷行業(yè)中，為了達(dá)到生產(chǎn)的要求，經(jīng)常需要對(duì)一些帶狀的材料控制它們的張力，張力控制系統(tǒng)是一種由單片機(jī)或者一些嵌入式器件及外圍電路開發(fā)而成的系統(tǒng)。首先直接設(shè)定要求控制的張力值，讓張力傳感器采集的信號(hào)(一般為毫伏級(jí)別)作為張力反饋值，比較兩者的偏差后，經(jīng)內(nèi)部智能PID運(yùn)算處理后，調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動(dòng)控制材料的放卷、中間引導(dǎo)及收卷的張力，達(dá)到系統(tǒng)響應(yīng)最快的目的。在特殊的情況下，用戶也可以直接設(shè)定一定的輸出量給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(經(jīng)常為磁粉的電流量)。圖1為印刷機(jī)張力控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)。

1．1 張力的產(chǎn)生

如圖1所示，先分析左邊材料放卷的情況，假設(shè)材料放出放卷軸的張力為T，其線速度為牽引輥的工作速度v1，放卷筒的線速度為v2，材料的橫截面積為S，設(shè)材料的彈性模量為E，從牽引輥到放卷筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，t=L／v1為材料由牽引軸傳送到放卷筒的時(shí)間，根據(jù)胡克定律得：

由此可知，若需控制張力，就必須控制牽引輥與放卷筒的速度差，可見張力控制系統(tǒng)實(shí)際上也是線速度跟蹤系統(tǒng)。材料的張力在控制過程是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。一般情況下，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)卷材的放卷速度是小于牽引軸的工作速度，以使材料中產(chǎn)生張力，當(dāng)張力達(dá)到我們要求合適時(shí)，我們就穩(wěn)定材料的放卷速度，這樣，材料就可在此張力下穩(wěn)定運(yùn)行了。材料的收卷過程也與此類似。我們控制速度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為磁粉，放卷過程中，選用磁粉制動(dòng)器，收卷過程中，則選用磁粉離合器。

1．2 張力的測(cè)量
由圖1所示，張力的測(cè)量主要是通過張力傳感器獲得。為了準(zhǔn)確測(cè)量材料的張力，材料必須以120的包角經(jīng)過張力傳感器上的滾軸。通過力的合成計(jì)算原理(平行四邊形原則)，張力傳感器上的所受的力則為材料的張力與滾軸的重力之和。我們通過計(jì)算方法去掉滾軸的重力信號(hào)，而采集到的張力信號(hào)參與后面的控制過程。

2 實(shí)現(xiàn)方案
2．1 硬件設(shè)計(jì)方案
市場(chǎng)上張力傳感器，也叫壓力傳感器。根據(jù)測(cè)量的壓力而反饋電壓的量程范圍，它有兩種型號(hào)，分別叫應(yīng)變式壓力傳感器和差動(dòng)式壓力傳感器。應(yīng)變式壓力傳感器的電壓量程通常為0～13 mV，而差動(dòng)式壓力傳感器的電壓量程通常為0～150 mV。為了滿足用戶的不同選擇，信號(hào)放大電路中必須要有兩種放大倍數(shù)，使系統(tǒng)可以正常的運(yùn)行。
為了使采得的模擬電壓可以比較精確的放大，放大電路必須有較高的性能。毫伏信號(hào)的放大，必須有較高的共模制比、較低的線性誤差、低失調(diào)漂移增益等要求。一般的放大器都達(dá)不到這種要求，儀表放大器不僅具有以上較高的性能，而且它的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定。因此，這里采用了具有差分輸入的單端輸出的閉環(huán)增益儀表放大器件AD620AN。外接的閉環(huán)放大電阻則選精度為1％的兩個(gè)電阻，以實(shí)現(xiàn)兩種不用的放大倍數(shù)。然后用跳線帽開關(guān)選擇合適的放大倍數(shù)。
ST公司的STM32是目前最流行的控制芯片，它使用的是ARM最新及先進(jìn)的Cortex_M3內(nèi)核；在性能上，它不僅具有杰出的功耗控制功能，而且同時(shí)集成了多種有用外設(shè)，如：3個(gè)12位最高的1 MHz的ADC外設(shè)、兩個(gè)12位DAC、從256 K至512 K字節(jié)的大容量程序存儲(chǔ)器、64 K的SRAM等等；它的最高工作頻率可以達(dá)到72 MHz。在程序的設(shè)計(jì)方面，ST公司提供了一套完善的固件庫(kù)，將各個(gè)寄存器操作用函數(shù)封裝起來，操作方式非常規(guī)范，程序設(shè)計(jì)較其他控制芯片也就相對(duì)容易。在STM32眾多芯片型號(hào)中，STM32F103RCT6是最合適的一款，它不僅包含所有需求的外設(shè)，而且價(jià)格低廉。在張力控制過程中，實(shí)時(shí)采樣放大的模擬電壓量可以用12位高性能ADC轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字量，從角速度檢測(cè)器輸入的數(shù)字信號(hào)通過光電隔離器耦合接入控制器。角速度檢測(cè)器分為兩種，一種叫接近開關(guān)，另一種叫編碼開關(guān)，在滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，滾軸上的齒使得它們有高低電平的數(shù)字量變化，而達(dá)到測(cè)量的效果。為了方便用戶操作，這里提供了良好的人機(jī)界面。首先，提供了按鍵與編碼器的組合的輸入方法；其次，用液晶顯示實(shí)測(cè)張力和設(shè)定張力，同時(shí)，數(shù)碼管還可以顯示當(dāng)前的輸出百分比。
在張力控制過程中，控制張力執(zhí)行單元為磁粉，磁粉分為兩種：一種叫磁粉離合器，另一種叫磁粉制動(dòng)器，它們分別是用在卷材收卷和放卷的過程。磁粉通過萬向聯(lián)軸器與收卷筒和放卷筒相連，磁粉里填入的是微細(xì)鐵磁粉末。在額定扭矩下，磁粉的特性公式Ma=K*If(K為常數(shù)，If為接入的激磁電流)，由此可知，磁粉的扭矩與接入的激磁電流成線性關(guān)系。磁粉離合器有主動(dòng)端和從動(dòng)端，在沒有激磁電流的情況下，從動(dòng)端不隨主動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)，在通有一定的激磁電流時(shí)，里面的磁粉磁化，將主動(dòng)端的扭矩按照一定的比率耦合到從動(dòng)端。磁粉離合器只有一個(gè)輸出軸，當(dāng)沒有接入激磁電流時(shí)，磁粉沒有磁化，輸出軸的扭矩很大，而接入了激磁電流后，磁粉離合器的輸出軸就會(huì)有線性的扭矩輸出。
市場(chǎng)上經(jīng)常用到的磁粉供電電壓在24 V左右，滿載電流可達(dá)4 A到6 A。這給恒流輸出電路提高了難度。STM32控制輸出的PWM波通過恒流模塊的放大供給磁粉工作。這里就必須用到耐壓36 V以上的場(chǎng)效應(yīng)管，控制器輸出的PWM波也必須經(jīng)過一定的電壓和電流的放大才有能力控制場(chǎng)效應(yīng)管的開斷。