去年夏天, 于温州的一家拉丝厂。我蹲在了那儿, 在一台收卷机的旁边。我手里捏着一团磁粉离合器, 它是发烫的。那个玩意儿方才被拆下来, 其外壳热得已然能够用来煎鸡蛋, 里面的磁粉结成了硬块, 如同水泥那般。厂长老刘站在旁边抽着烟, 他的眉头皱得厉害, 厉害到能夹死蚊子: “这个月已经是第三次了, 要是再这样进行更换下去, 仅仅是离合器这一项, 就足够用来购买一台新设备了。”。
那时候我就知道，磁粉制动器的好日子到头了。
一、发烫的离合器与"软故障"
磁粉离合器在收卷设备当中已应用了几十年时间, 其原理较为简单, 即线圈一旦通电便会产生磁场, 磁粉被磁化以后能够传递扭矩, 然而它存在一个致命的弱点, 那就是滑差功率必须转化为热量并散失掉。在拉丝机进行收卷操作时, 卷径会从200mm增长至800mm, 以便维持恒定的张力, 此时磁粉离合器的转速差会变得越来越大, 并且发热量与卷径之间呈现出成正比的关系。
夏日时节, 车间内温度高达40度, 磁粉离合器若再升温至80度, 其内部的磁粉便会开始出现“退磁且结块”的状况。结块之后的磁粉, 传递扭矩呈现不均匀态势, 收卷张力遂开始产生抖动, 致使金属丝在卷轴上的松紧程度不一致, 放线的时候就会形成“塌边”或者“抽丝”现象。更为令人心烦的是这种“软故障”, 它并未完全损坏, 只是时不时地抖动一下, 使得你难以查出故障缘由, 若更换它吧偏偏还能够继续使用, 要是不更换吧产品的不良率却会不断攀升。
老刘进行过算账, 算得一套磁粉离合器价格为2000块, 一年之中需要更换四套, 再加上停机所造成的损失, 将近一万块就没了。并且每次进行更换时都得拆除机械连接, 半天的时间就没了。
在此之后, 我们尝试了一台名为海纳V912的张力变频器, 采用开环方案, 既不使用张力传感器, 也不采用磁粉离合器, 电机直接对卷轴进行驱动, 借助变频器的转矩控制模式达成张力调节。
二、卷径计算：看不见的"电子尺子"
以开环张力控制而言, 其核心要点在于能够实时确切知晓卷径究竟有多大。V912大体上能够支持三种算法, 分别是线速度法, 厚度累计法, 外部传感器法。在现场应用当中更为常用的乃是线速度法, 也就是依据材料线速度以及电机转速反过来推断卷径情况。
听闻起来蛮简易, 然而实际上在进行调试之时存在一个棘手之处: 线速度信号源自何处呢? 要是牵引机配备有编码器, 那么能够直接连接脉冲；要是未曾具备, 那就需要在主牵引电机之上安装一个旋转编码器, 或者索性借助变频器的频率输出予以估算。
那次进行拉丝机改造时, 我们在主牵引部位装上了编码器, 在V912里设置好了传动比以及初始卷径, 之后系统便开始自行计算。在卷径从200mm增长到800mm的这个过程当中, V912会实时去调整输出转矩, 以此来保持张力恒定。
但精度属于一个问题, 开环方案不存在张力反馈, 完全依靠模型计算, 要是机械传动存在滑动, 像皮带出现打滑这种情况, 又或者材料厚度不均衡, 那么卷径计算便会产生累积误差, 那次调试状况下, 实际明确起来的状况是, 空卷以及满卷的时候张力的确生成了差异, 大概在5%左右, 对于普通建筑绑丝而言, 这样的精度是基本在应用方面能够满足需求的, 然而要是针对0.01mm的精密电子线来说呐, 该产生的误差就极有可能致使拉伸变形情况的出现呢。
三、锥度控制与"内松外紧"的智慧
拉丝收卷存在这样一个行业痛点, 那就是内层张力紧, 外层张力松。要是在整个过程中都采用恒张力收卷, 那么卷芯部位的材料所承受的压力是最大的, 随着卷径不断增大, 内层的材料就会被压得越来越紧凑进而导致严重时出现“抽芯”的状况或者有端面挤出情形发生。
控制V912锥度功能的作用在于解决这个问题, 简单来说, 张力并非保持恒定, 而是伴随着卷径的增大, 依照一定比例逐渐递减, 举例而言, 设定一个10%的锥度, 那么满卷状态下的张力仅仅为空卷时的90%。
直接在面板上, 此功能有着可以调节的特性, 通过一个旋钮或者针对参数展开设置。老刘针对此, 在现场进行了一番尝试, 将锥度从0调整为8%, 这样一来, 收卷端面的平整度获得了显著的改善, 并且, 在放线那一刻, 也不会出现“乱层”的状况了。
然而, 锥度究竟设定为多少, 完全依赖经验, 不同的材料, 不同的卷径, 不同的收卷速度, 最优锥度皆不相同。V�н2є提供了此项功能, 不过, 参数的优化仍要依仗工艺。我们那次尝试了0%、5%、8%、10%这几个点, 最终折衷选取了7%, 算是“摸着石头过河”。
四、双旋钮与"老师傅的手感"
V912的面板设计挺有意思, 左边存在一个用于调节张力的旋钮, 右边存在一个用于调节速度的旋钮, 这种采取模拟量输入的方式, 在数字化时代之下反而显现出 “复古” 属性。
不过呢那个现场的老师傅却是喜欢的, 以往的时候使用磁粉离合器, 那个时候张力是依靠调节电流来实现的, 速度则是依靠调节牵引达成的, 那两个电位器是相互分开的状态, 然而现在呢V912是把它们集成到一起了, 左手负责调节张力这方面, 右手承担着调节速度此一事项, 同时眼睛还得盯着收卷所呈现出来的形状, 其手感显得比较连贯，可不像有些全数字变频器那般, 得去按上下键才能够调节参数, 而且调一下就需要看一次屏幕, 如此这般就会把操作节奏给打断了。
这种设计实际上乃是人机工程学方面的一种妥协, 张力控制从本质上来说是这样一个过程, 即是连续进行调节的过程, 老师傅需得“边调边看”, 旋钮的即时反馈相较于按键输入而言更加契合生理习惯, 当然了, V912也是支持参数锁定的, 其目的在于防止出现误操作, 不过这属于基础功能罢了。
五、抽屉式安装的"隐性成本"
V912运用抽屉式安装方式, 卡在电控柜面板之上。这般设计于现场存有两个益处: 其一为便捷更换, 一旦出现损坏, 能够径直抽出来换做新的, 无需拆卸周边设备；其二是散热路径明晰, 功率器件处于后面位置, 控制板处于前面位置, 热流不会经由控制板。
然而, 这也存在着局限之处。抽屉式结构对于柜体的开孔尺寸有着严苛的要求, 就拿137mm×103mm的面板开孔来说, 要是现场的柜体已然完工, 而开孔的位置出现偏差, 那么就必须重新进行扩孔操作。并且, 抽屉自身的深度是有限的, 倘若柜体后面的空间较为狭窄, 导致散热风道受到阻碍, 在夏天的时候就极易出现过热的情况。
有一回温州的那个项目, 我们碰到了柜体深度不足的状况, 在把V912抽进去之后, 后面抵住变压器了，以至最后只好将变压器实施移位。因而可以这么讲, 结构设计在前期的时候就得予以考虑, 无法仅仅着眼于设备自身的尺寸。
六、开环的边界：什么时候该上闭环？
过去一年有余, 老刘针对V912给出评价如下: “能够满足使用需求, 质地扎实、抗造, 节省费用开支。”并添加了这样一些内容: “要是进行小于0.02毫米的精密细丝作业, 那么必须采取增添具有张力转化感知装置的封闭工作形式。”。
就技术边界而言, 这的确是开环张力控制有着的。就V912这类开环变频器来讲, 它是依靠模型计算以及转矩补偿来达成相应效果的, 适用于张力精度要求在±5%以内的场景, 适用于材料规格相对稳定的场景, 适用于成本控制被严格要求的场景。像普通拉丝这样的情况, 像吹膜收卷这样的情况, 像皮革收卷这样的情况。
但如果遇到以下情况，就得考虑闭环：
张力精度要求±1%以内（如光学薄膜、金属箔）
材料弹性模量变化大（如不同批次的橡胶带）
加减速特别快（如间歇式收放卷）
闭环方案所需的张力传感器, 是压电式或者应变式, 要有高速PID调节, 或许还得配备伺服电机, 其成本是开环的3至5倍。V912的定位十分明确, 那便是填补不用磁粉离合器但又用不起闭环伺服的这个市场空白。
七、写在最后：发热的本质
再回转到那团处于发烫状态的磁粉, 磁粉离合器发热的实质, 是能量出现了浪费, 电机以满速进行运转, 离合器借助滑差把多余的能量消耗掉, 进而转化成热量。
V912的方案是使电机直接进行变速, 依据所需张力, 输出相应转矩, 当卷径增大时, 电机转速会自动降低, 实现恒线速度控制, 因能量传递效率提高, 发热减少, 车间空调负荷也变小了。
这种“直接驱动”的思路, 于工业自动化领域而言, 是大势所趋, 磁粉离合器、液力耦合器、滑差电机这些“软连接”设备, 皆在被变频器加直驱电机所替代, 并非因其不能使用, 而是它们的物理局限, 即滑差发热, 于现代工业节能要求之下, 显得格格不入。
那天夜里, 温州的收卷机器平稳运转着, V912的散热风扇缓缓转动着, 发出有规律的嗡嗡声响。老刘递给我一听冰啤酒, 指着不再发热的电机讲: “以往这儿能烤肉, 如今能孵鸡蛋了。”。
技术进步有时就是这般质朴, 使得该是热度的地方呈现热度, 让不该有热度的地方降降温。
请注意, 文中所涉及到的那些技术方案, 是依据工程实践而进行整理的, 不同的材料以及工艺参数, 是需要在现场进行调试的。开环张力控制存在着它自身适用的边界范围, 对于精密张力的场合而言, 建议评估闭环方案。在进行现场改造的时候, 请务必遵守电气安全规范。
