图1 收放卷应用场景

    张力控制需要避免材料在整个传输过程中不能打滑、防止材料的变形—因为这会影响材料的尺寸规格。尤其像印刷套色，这会影响颜色的叠加套印精度。

多种张力控制形式下的应用

       贝加莱作为机器制造领域的主要玩家，常年耕耘于印刷、塑料、包装、制药等需要张力控制的应用中。这也使得贝加莱对于广泛张力控制有着深厚积累与独到理解。

       01 各种场景均有应用

图2 各种模式的收放卷

    图2展示了张力控制的各种模式，包括a1-a4多种放卷模式，以及在b1-b3的各种张力测量，直接的应变片张力传感器、摆辊位置测量、超声波位置测量（以消除摆辊死区问题），以及在b4中对于卷径的实际值测量。在c1-c4中包括了各种收卷方式。

       贝加莱在卷筒料、线材等多种场景有丰富的张力控制经验，因此，这种来自于工程实践的Know-How为各个机器领域提供了快速开发的支撑。

       02 张力控制系统的建模仿真

       贝加莱的Automation Studio，可与MapleSim、MATLAB/Simulink这样的仿真软件，通过FMU/FMI接口进行连接。在图3中，可以看到，系统可以针对材料收放卷、张力检测传感器、电机与驱动的PID参数等进行建模。并通过虚拟仿真以获得在不同的材料、机械结构、传动链下的最佳控制参数。

图3 张力控制系统的建模与仿真

    针对张力的仿真，包括了实际卷径、线速度、张力、卷绕轴扭矩、卷轴速度、调节机构转动惯量、摆辊臂长度、摆辊扭矩。均可作为张力系统的仿真参数。

       03 mappTension库

       在大量的积累后，贝加莱会将张力控制作为mapp的专用模块来封装，为用户提供快速的开发支持。图4就是用于张力控制的各个模块，包括卷径计算、张力控制器、轴控制器、速度环控制。整个结构适用性广，针对各种场景配置所需参数，即可快速实现机器的张力调试。

图4 贝加莱张力控制模块结构

张力控制亮点

        如图5所示，针对于各种场景中的张力闭环，支持各种控制功能：

       · 高动态响应能力：由于放卷、牵入、牵出、收卷等会构成完整的张力控制区间，这些轴包括了放/收卷辊的直径变化（惯量变化），以及牵引辊。只有各个电机传动轴的高速同步，才能确保在高速下的稳定张力控制。贝加莱的ACOPOS P3系列可以提供50μS级别的速度环响应能力—百微秒级的POWERLINK通信提供了硬件基础，而张力前馈控制提供了高动态的张力输出。

图5 贝加莱张力库的特点

    惯量补偿：除了轴间同步来确保张力，通常的张力系统还是一个“变惯量机械系统”，因为收放卷轴的卷径分别是渐近变小/变大—这需要根据系统的变化，当然，它也需要结合卷径精准预测来实现更好的机械惯量补偿，在速度环参数方面给出更优的值，确保稳定。

       · 张力解耦-对于多区间张力控制而言，还要确保张力区内的调整不影响其他区间的张力，这本身是需要全局的张力控制来保障的。这就像在电池涂布中的多区间张力控制，消除这种影响至关重要。

       · 对于收卷也是如此，张力锥度控制确保了稳定的张力输出，使得收卷非常精准，也无需额外压辊来机械保障。

       · 易用性，主要是以mapp模块方式调用，简化编程，快速调试。

应用领域

       贝加莱在与卷筒料应用非常多，简单介绍几个大的应用场景如下：

       · 卷筒纸印刷机控制系统；

       对于印刷机而言，像凹版印刷机由于较大的压印力会造成各个色组间的张力隔断，而带来套色的难度。但是，贝加莱的张力控制在这个领域已经被验证，达到550m/min印刷速度。

图6 高速卫星式柔板印刷系统

    另一种卫星式柔版（如图7）就看上去似乎更好一些，因为，它的材料裹覆在了中心压印辊上。尽管它没有像凹版那样的张力隔断问题。但是，由于它通常会用于较大幅面（甚至高达2400mm）以及高速（超过1000m/min的速度）-因此，在大幅面、高速机器上，张力的稳定也同样需要极高的传动精度和响应能力来保障。

       · 热复合成型

       对于热复合成型，这有可能用于日常的塑料餐饮盒，也会在泡罩包装、杯装酸奶的成型中会被用到，如图所示，由于经过热成型、裁切等，确保稳定张力，才能确保产品的高一致性。

图7 热复合机控制

    当然，这种热复合工艺也会被用于像软包装类如三边切的粉体/块状食品包装、锂电的热复合、婴儿纸尿裤类的设备材料热复合。

       · 多线切割设备
 
       在硬质材料如LED、光伏晶片、半导体硅晶圆切割中，由直径仅数十微米的线材进行速度高达2400m/min甚至以上的裁切中，为了控制好张力，它需要放卷轴、牵引轴、切割辊、收卷轴间进行良好的同步—考虑到他们之间的惯量差异，以及需要沿辊直径方向的排线、往复切割等机械动作对于张力的影响，这需要非常高的驱动系统的响应能力，对于张力仅数N.m的控制而言。采用ACOPOSmulti伺服驱动系统来实现，这需要百微秒级的同步性，由POWERLINK来保障，以及驱动器本身的速度环/位置环高速响应能力。

图8 多线切割中的收放卷控制

    · 薄膜设备

       薄膜类设备，包括吹膜，流延膜，他们的材料容易变形，尤其是像PE膜这类，对于张力控制的精度也提出了极高的要求。而这类设备的速度也会达到400m/min，甚至后道分切会达到更高的速度，如1000m/min的牵引速度。

图9 贝加莱系统应用于薄膜的收卷控制

    总结：张力控制广泛被应用于各种卷材的加工中，成熟而又丰富的现场验证，确保了贝加莱在相关领域机器的高品质方案输出。

       可谓收放自如。