玻纤织机收卷张力控制研究综述

胡 晗，潘渡江，徐 君，潘石灵，龚小舟

（1.通城县同力玻纤有限公司，通城 437400；2.武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，武汉 430000）

0 前言

张力控制是指能够持久地控制卷材在设备上输送时张力的能力，在收卷时能够让物体相互拉长或者绷紧的力按指定方式变化［1］。超薄电子布由数千根4~5tex的超细玻璃纤维经纱，经整浆、并轴后呈径向排列，与纬纱相互交织加工而成。由于玻璃单纱细、织造密度高、织造过程中卷绕退绕次数多、织物厚度薄等因素加大了超薄电子布的生产难度，张力控制更是重中之重［2］。

如果施加的张力超出正常范围，玻纤布就会出现变形、织物破损等问题，这将导致大量的损失，尤其是在卷绕系统中，卷材断裂所带来的损失更为严重。然而，如果张力不足，则会导致料卷层与层之间的应力差异，从而影响整体的性能和可靠性，例如内层张力过低，被外层挤压，造成抽芯，影响加工质量；张力大小不稳定会使卷材线速度变化及卷材的松紧程度不同，产品强度损失［3］。

由此可知，张力控制是造纸印刷［4］、薄膜［5］、带钢制造［6］、纺织等需要料卷自动卷取生产线中的重要环节。对于收卷工艺中的张力控制研究，需要根据料卷的材料属性去建立数学计算模型，进而探究运动、物理、环境等各项因素对张力的影响，最后得出张力的变化规律以及合适的张力控制方法。本文将从收卷张力的研究路线、多属性影响因素、张力优化与工程应用等方面展开，并针对玻纤的特性进行说明。

1 收卷张力研究

对于超薄电子布织物厚度薄这一特殊性，卷取过程中，若布卷张力控制不当，起皱和折痕、云状斑疵点［7］将成为生产中的常见问题，使得该产品成为次品。

范飞［8］通过计算布卷驱动过程中的所受正压力、摩擦力、张力随着布卷直径变大的规律，探究张力波动的原因和峰值谷值，并提出改良方法：根据摩擦系数选择糙皮辊材料；采用锥度张力收卷方案，可以有着更好的卷装质量。随后建立了布卷稳定收卷分析模型，获取了布卷稳定收卷条件，可增大芯轴半径或配合中心驱动卷布方案，可以避免布卷打滑。

收卷张力的研究也是遵循这三个方向：收卷张力的计算、张力波动以及张力模型。

图1 云状斑疵点［9］

1.1 张力计算

将从织造区输出的织物线速度设V1，负责卷取部分的辊线速度为V2，织物的张力控制一般通过线速度差（V2-V1）进行控制，V1、V2分别为织物从织造区出来与糙皮辊的线速度，所以，张力控制系统即为一种速度跟踪系统。在织机起步阶段，假定线速度V1恒定，那么V2应当恒大于V1，通过速度的差值来给予织物一个张力，当织物达到合适的张力后，应该及时调整使V2稳定，这样，织物就在此张力下稳定运行［10］。

式中：

KT——织物的弹性系数，N/m；

A——织物的横截面积，m2；

ε——织物的弹性形变；

t——机器启动时间，s；

E——织物的弹性模量，N/m2；

σ——织物在截面积A上的内应力，N/m2；

L——卷取辊与糙皮辊间织物的织物长度，m。

从机电方面来看，张力的计算又是另一种形式［11，12］：

式中：

M——电动机转矩，N·m；

D——料卷直径，m；

T——卷取张力，N；

a——电机与卷曲辊的减速比（齿轮比）。

电机转矩M与磁通Φ及产生转矩的电流分量Isq关系为：

式中：

M——电机转矩；

Φ——磁通；

Isq，Cm——电机常数。

由此得出：

式中：

K——释义（2Cma），常数。

1.2 张力波动

张力波动一般是织机由于停台、启动和刹车的过程中产生的，这种波动往往就会导致织物产生布面折痕。为了减少这种张力变化，生产中在选择控制卷布辊运行速度的车速曲线时，会尽量避免涉及到急停；此外，如果复卷主轴的张力调整量使用正确的复卷跨距，即卷绕和非卷绕的复卷主轴之间的跨距，则在第二个卷绕位置卷绕时的张力扰动可以最小［13］。

张力控制应当在织机的每个运行阶段都行之有效，包括织机的启动、制动、加速、减速及稳定运行和扰动阶段。即便是遇到紧急情况，也应该能够做出及时的反应，进行相应的张力控制，避免其产生变形和破损［14］。

收卷控制过程的主要目标是确保布卷以期望的张力曲线卷绕，同时保持收卷机构处的布卷线速度与送经过程适当同步。典型的收卷控制结构包括两个回路：一个内部速度回路和一个外部张力回路。收卷的速度参考送经速度，内部速度回路确保收卷处的布卷线速度与牵引辊速度基准相匹配。由于布卷的半径不断变化，收卷辊的实际线速度是辊半径和角速度的函数。辊半径可以根据织物厚度和收卷辊旋转计数在线计算，也可以使用传感器直接测量。

1.3 张力模型

张力装置的张力模型研究方法一般有两种：解析法和有限元法。通过解析法，我们可以清晰地描述函数之间的关系，并精确地表达变量之间的联系，求值快速，常用于线性控制模型；而通过有限元法所建立的模型更为直观，可以清晰地看到应力集中点，并且同时考虑多种边界条件，更加切合实际，但需要有良好的计算机硬件，计算花费的时间较长［15］。

1.3.1 解析法

一维模型：假设缠绕在中心辊上的螺旋状织物可以被相同材料的同心圆所取代。该模型考虑了中心辊的刚度，并适当地考虑了卷绕材料的特性，包括卷取辊的径向模量（Er），它是一种依赖于压力或径向应变的状态。这个模型是一个二阶微分方程，用径向应力增量和这些应力增量相对于半径的一阶和二阶导数来表示，径向应力的增加是由于新的织物层卷绕到辊的外部［16］。

二维模型：Shigeo等［17］提出了一种模拟卷筒卷绕过程和预测卷绕辊应力的方法，如图2所示。通过建立一个二维的仿真模型，研究了织物层间滑移、中心辊刚度和卷绕织物对卷绕辊应力分布的影响。结果表明：考虑织物滑移时，卷绕辊的径向应力和周向应力均增大；而随着中心辊刚度的降低，其强度逐渐减小。

图2 用于织物卷取的二维模型［17］

图3 有限元法模拟收卷过程应力云图［19］

1.3.2 有限元法

有限元法将离散的有限单元集合体用于代替真实的布卷与芯筒，也可以根据厚壁筒理论，将料卷假设为一个由多层织物卷绕成的厚壁圆筒。则可以探究料卷内部分布不均匀、层间滑移对应力的影响以及收卷张力波动［18］。

也可以对整个收卷过程进行有限元模拟，计算张力恒定时的理想转速以及转速波动时的张力波动幅值。并将各工况下张力波动幅值的有限元模拟结果与理论计算结果进行对比，得到定量修正关系。通过比较不同工况参数条件下相同转速波动量导致张力波动幅值的变化［19］。

2 影响因素

收卷张力是影响收卷质量的首要因素，除此之外，在生产应用当中，运动属性、物理属性、环境属性都会从不同的方面影响收卷张力和内应力，直接关系到成品质量。

2.1 运动属性

织机收卷的车速会影响内应力，而内应力的改变又会使得张力产生波动。这是因为惯性的存在，车速的改变会影响惯性所带来力的大小［20］。同样品种织物的情况下，考虑收卷速度时，当收卷速度增加时，周向应力会显著增加，超过忽略速度影响情况下的周向应力；相反的，外层织物产生的径向压力要小一些，在收卷完成之后，径向应力分布就会小于不考虑收卷速度的时候［21］。

2.2 物理属性

织物在卷取时的张力和织物的材料特性对于决定织物在成品布卷中的应力、压力和变形的最终状态至关重要［22］。

例如，在设定工艺参数时，工艺员会让布卷有足量的层间压力，使得层与层之间有充分的摩擦接触，防止滑动。然而，压力不能过大，否则会对织物表层造成损伤，或使芯轴开裂［23］。随着织物厚度的增加，布卷的卷绕压力也随之增大［24］。

最早的模型是基于一种假设，即成品布卷可以被视为线性、平面应变、正交各向异性的伪弹性材料，其径向刚度比周向刚度低得多。弹性模量较小的材料可以视为大变形材料［25］。

2.3 环境属性

在布卷收卷的过程中，布卷张力和内应力会机械性地随着温度的变化而变化，以此来平衡织物内部的体积改变［26］。

空气夹层（如图4）的存在对于布卷成型既有正面作用，也有负面影响。夹持的空气会提高布卷的柔软性，径向应力更低。层间的空气可能有助于防止织物表面沾有杂物，或在粘弹性恢复过程中避免织物发生变形［27］。卷入的空气也可能对布卷质量起到负面影响，卷入空气量太多，布卷易发生松卷［28］。当夹带的空气层变得与接触织物表面的综合粗糙度相当时，层间可用的牵引力会达到最低值，因为牵引力在层间分离时受到空气粘度的影响。考虑到织物剪应力和最小拉伸能力，产生伸缩就是不可避免的。空气层还会降低布卷的径向压力，从而降低布卷的扭矩能力。当成品布卷在使用展开时，这很可能导致放卷操作中的内部滑移［29］。

图4 织物层与夹带空气层［29］

3 张力优化

3.1 PID遗传算法

在目前商用织机的卷取装置上，通常采用PID算法进行张力控制。PID算法也被称为积分微分控制（proportional-integral-derivative control，PID），在经典的PID控制中，控制量的偏差信号经过比例、积分和微分处理，然后作为控制器的输出作用于后续执行器，完成对控制量的调节［30］。现代科学对PID的开发较为成熟，主流类型有模糊自适应与BP神经网络。

3.1.1 模糊自适应

模糊自适应在张力控制系统中应用时，首先将张力偏差值e和偏差率ec进行输入量化，得到量化后的语言变量E、EC，随后根据模糊逻辑，并依照提前预设的模糊规则，通过实时监控和优化PID参数，可以有效地解决传统方式无法实时调节参数的缺陷，再对输入量化后的语言变量进行模糊化处理，然后通过模糊控制规则表进行模糊推理，最后进行解模糊和输出量化处理［31］，并将模糊量化后的输出传送给被控对象，由被控对象输出实际张力值，从而满足对PID参数的自适应要求。

在模糊自适应过程中，模糊控制规则表是一切的源头，其作用相当于传统控制系统中的校正器或补偿器。根据不同的e和ec的差异性以及对控制参数的要求不同，因此根据此规则制定相应的模糊控制规则表，使得控制对象能有良好的动态和静态性能［32］。

3.1.2 基于BP神经网络

BP神经网络是一种利用误差反向传播训练算法的有监督的前馈型神经网络，由一个输入层，一个隐含层和一个输出层组成［33］，如图5所示。当采用传统PID控制器进行训练时，由于比例系数Kp、微分系数Ki、积分系数Kd的存在，系统的阶跃响应可能会出现显著的超调和振荡，从而导致系统的稳定性受到影响［34］。传统PID控制器在采用BP神经网络PID控制器训练过后的比例系数Kp、微分系数Ki、积分系数Kd的情况下阶跃响应超调幅度降低，不会产生超调。BP神经网络PID控制阶跃响应迅速，且不会产生超调和振荡。改进算法中的BP神经网络PID控制可以避免在快速响应的过程中产生超调和振荡，使系统更加稳定［35］。

图5 神经网络张力控制结构图［34］

3.2 变频收卷

算法是一个开发的重点，此外如何去控制张力也是尤为重要的环节，如变频收卷。变频器在恒张力控制环节的应用实质是闭环矢量控制，即加编码器反馈。在收卷环节中，料卷直径是从小到大按规律变化的，为了维持张力的恒定，那么伺服电机的输出转距也要随着料卷直径的变化而变化。此外对于不同的操作过程，要进行相应的转矩补偿［36］。即不同直径的启动的瞬间、加速、减速、刹车时，所需要的转矩补偿也是不同的，这样就能使得整个收卷过程的张力趋于稳定，避免卷径较小时张力过大，卷径大启动时松纱的现象［37］。

为了使系统加减速时候保持张力始终稳定，双工位收卷系统在翻转过程及加减速过程中要叠加一个转矩，系统在减速过程中要减少一个的转矩，系统稳定运行时转矩补偿为0［38］。

3.3 张力补偿

由于目前织机车速通常采用高车速，在短时间内耗纱量与供纱量之间就会出现轻微的不匹配［39］，为了减少这种差异，高速织机通常配有张力补偿装置来缓解纱线的张力波动，也可在分析织机运行规律后，通过改变张力的控制方法，在不同的收卷节点对织物进行张力补偿［40］。

在收卷过程中，由于布卷的直径在不断变化，对于力矩的补偿也必须是一个动态的过程，才能够精确地控制张力。织机启动、停车时，伺服电机需要消耗部分转矩Mg，以克服原有机械惯性，即为动态补偿转矩［41］。

张力补偿装置根据工作原理不同可分为消极式和积极式，目前应用较多的是弹性张力杆消极式补偿，这种装置振荡频率不高，补偿的频率和幅度都偏小，无法满足企业在高速织机上的需求。在探究高速织机中经纱张力波动频率与单个组织循环内纱线使用量，并对比消极式张力杆补偿技术之后，可以采用一种自适应式经纱动态张力积极调控机构和控制方案，然后开发纱线动态张力高频测试系统，对比分析不同技术方案补偿下的经纱张力变化［42］。

此外利用弹性机构回复力的作用，当经纱松弛时在回复力的作用下可以将经纱张紧。基于这一特点有单纱和片纱两种张力补偿形式［43］。

4 工程应用

改变卷装的规格，收卷工艺就可以应用于许多不同领域，其中既有原料成卷，也有卷对卷。这一类呈现卷装的产品，收卷工艺的原理都是类似的。

例如：在柔性RFID的材料生产过程中，为了避免因芯片柔软和微小特性带来的加工困难，通常采用倒装芯片（flip-chip）技术实现芯片与天线的物理封装。RFID标签倒封装产线，包括基板输送、点胶、翻转贴片、热压固化、检测和收卷部分［44］，利用卷对卷技术将各工艺模块有效互联共同实现高精高效的芯片与天线自动贴装［45］。因为产品的特殊性，在生产过程中对于张力也是需要严格把控，如若收卷张力波动较大，会直接影响到料卷的内应力，而料卷内部过大的应力会压裂了芯片或者使芯片从基板上剥离［46］，采用纠偏装置，在放卷和收卷区域之间实现精确的调整和控制，可以有效改善因横向偏移或薄膜发生突然偏差所带来的张力波动［47］。

在超薄电子布卷取过程中，张力的调控是每个企业关注的重点，施加张力过大会造成起皱、折痕、挤压内层织物；张力过小则会使布卷两端出现塌陷，料卷表面硬度偏软等缺陷［48］。目前纺织机器的收卷优化，一般从以下两个方面进行：一方面是改良卷取部件。例如连杆机构的长度优化、卷取刺皮辊的新材料研发［49］，图6所示是一种新型橡胶刺皮结构，可有效改善收卷质量。另一方面是通过算法的开发，让收卷进程更为平缓。通过优化织机的卷取工艺，不仅能够有效地防止织物的杂乱堆积，保证正常生产，还能够有效进行织物的后处理，从而提升织机的生产效率［50］。

图6 新型橡胶刺皮结构示意［49］

5 结论

在卷装材料的生产过程中，收卷张力的研究已经成为产品质量控制的关键技术之一。本文着重介绍了张力的计算与模型，产生波动的原因；分析了运动属性、物理属性、环境属性对收卷张力、内应力的影响；介绍了几种张力优化的方式以及部分工程应用的例子。通过总结与分析，为了玻纤收卷的质量得到进一步的提升，未来的研究发展方向可以从以下几个方面开展：

（1）通过张力形成的过程可知，不仅速度差值在影响张力，玻纤的各项性能指标也是张力变化的直接原因。当品种发生改变时，相关参数也随之发生变化，张力控制系统数学模型就会产生差异，因此，设计出一种能够最大化减小这种差异的控制方法是进一步的研究方向。

（2）电子卷取控制系统的关键是张力控制，因此有必要进一步深入研究控制算法。随着智能控制、模糊控制和神经网络控制等现代控制理论研究的发展和深化，复杂和不规则系统的控制也会有了新的解决方法。

未来有关收卷张力的研究除了跟进时代，在计算机算法方面推陈出新以外，通过对早期的研究结果的更加精确的分析，我们也可以更加全面地探索和挖掘，并且引入新的理论和计算模型来拓展我们的视野，根据新的工程条件，对收卷工艺进行更为深入、细致的研究。