摘要：随着工业自动化程度的不断提高和数字化技术的快速发展，收卷机作为生产线的重要组成部分日益受到重视。收卷机是印刷、包装、纺织等行业中常见的设备，用于将卷状材料如纸张、布料、塑料膜等卷取或展开。在生产过程中，收卷机控制系统可以实现对收卷材料的速度、张力、卷径等参数的
随着工业自动化程度的不断提高和数字化技术的快速发展，收卷机作为生产线的重要组成部分日益受到重视。收卷机是印刷、包装、纺织等行业中常见的设备，用于将卷状材料如纸张、布料、塑料膜等卷取或展开。在生产过程中，收卷机控制系统可以实现对收卷材料的速度、张力、卷径等参数的精确控制，保证卷取材料的质量并提高工作效率。
传统的收放卷张力不够精确难以满足生产需求，而且存在严重的磨损问题，导致设备部件的寿命较短，维护成本高，且不易中途停车维修，这对生产线的连续运行造成了较大影响。因此设计更加智能化、精准化的收卷机控制系统来提高生产效率、降低生产成本已成为当前工业控制领域的重要课题之一。
在多个制造行业中，对张力的控制最为重要。纺织业中，张力过大可使纺织物网格稀疏，缩短使用寿命。张力不足则导致织物松散从而影响品质。造纸工业里，过高张力会引起纸张撕裂或过薄，不足则造成表面褶皱。印刷业中，纸张收卷需精确控制张力，以内紧外松为宜，张力不当会导致褶皱、重影乃至纸张断裂。合理的张力控制是确保纺织品、纸张、印刷材料等产品高质量和生产效率的关键因素，张力过足或者不够都是不恰当的应该避免。为了解决这一问题本设计采用伺服电机，利用高精度的速度和扭矩控制能力，实现对张力的精确调节。
一、系统总体结构和控制方案
张力控制对收放卷设备极为重要，如果张力控制不好会出现如果在收放卷过程中可能会出现卷材松紧不一、皱褶、变形、甚至断裂等问题，直接影响产品的平整度、尺寸稳定性及后续加工性能，导致产品质量下降，增加废品率，同时还会降低生产效率，增加生产成本。因此，本设计采用张力传感器来对张力进行精确的读取，使用伺服控制收放卷提高精度。
二、结构组成
1.卷取装置
这是收卷机的核心部件卷取轴是用于固定和支撑卷取材料的圆柱形装置。它通常由金属或者塑料制成，具有一定的强度和刚度，以保证卷取过程中的稳定性。卷取轴的直径和长度会根据卷取材料的特性和规格而有所不同，用于卷取材料，通常包括一个或多个卷取轴或卷取辊。卷取装置通过电机或者其他驱动装置驱动，使得材料能够被顺利卷取并形成成品卷。
2.驱动装置
驱动装置由电机和相应的传动装置组成，用于驱动卷取轴或卷取辊旋转，从而实现卷取材料的功能。
电动机：在收卷机中，电动机是收卷机的主要驱动力，通过将电能转化为机械能，从而驱动收卷轴旋转，实现对连续物料的卷绕根据卷材的材质、宽度以及所需张力要求，电机需提供足够的扭矩来克服材料阻力，确保材料被均匀、紧密地卷绕到卷筒上。
变频器或伺服控制器：变频器通过改变电机的供电频率和电压来调整电动机的转速。在收卷过程中，随着卷径的增大，需要实时调整电机的速度以保持材料的线速度与张力保持恒定。伺服控制器则更为精准，它不仅可以调节电机转速，还能通过闭环反馈系统实现高精度的位置和速度控制，使得收卷过程更加稳定且响应迅速。
3.张力控制系统
张力控制系统是收卷机保持张力恒定重要的部分，使用张力传感器是用于测量卷取过程中材料上的张力的装置。它通常安装在卷取装置的适当位置，可以实时监测张力的变化，张力传感器的种类和工作原理多种多样，常见的包括压力传感器、压电传感器、应变片传感器等使用特定的算法来实现张力的精确恒定控制这些控制算法可以根据不同的应用场景和要求进行选择和调整，常见的控制算法包括PID控制。
4.控制器
控制器是收卷机控制系统的核心部分，通常是可编程逻辑控制器或者微处理器。控制器接收来自传感器的数据，并根据预设的控制算法和逻辑进行决策和控制。控制器通过控制伺服或者变频器来调节卷取装置的工作状态，以实现对张力、速度、卷径等参数的精确控制。
三、控制系统的工艺流程
四、电路图（部分图纸）
五、程序
1、卷径计算具体方法
外半径R,内半径r，料的厚度h。
通过以上3个参数，可以求得几个输出参数，其中剩余卷径surplus_R是最为核心的参数。下面将进行详细解释，以帮助大家理解。
由输入的3个参数可以求得料的层数n：
n = ( R - r ) / h（核心公式）
其中R为外半径，r为内半径，h为料的厚度（常见的比如0.07mm，7个丝）。
在编程的时候，每转一圈层数减1，可知剩余层数surplus_layer：
surplus_layer = n - 1
知道了料的剩余层数surplus_layer ，可以求得剩余半径surplus_R：
surplus_R = surplus_layer * h + r（核心公式）
由微积分思想、卷的同心圆模型（不必纠结推导过程）可得以下公式
卷的总长度：
2πnr+πn^2*h(核心公式)
其中n为圈数。
放卷计算 ******电机每转一圈执行一次放卷计算程序******** 西门子SCL语言
IF #开始 THEN
#运行中继 := 1;
END_IF;
IF #停止 THEN
#运行中继 := 0;
END_IF;
IF #运行中继 = 1 THEN
#pi := 3.1415926; //圆周率
#R_TRIG_Instance(CLK := #电机旋转一圈运行标志位,
Q => #标志位);
IF #标志位 THEN
#放卷层数 := (#外半径 - #内半径) / #材料厚度; // 计算放卷还有多少层
#放卷剩余层数 := #放卷层数 - 1; // 剩余层数
#剩余半径 := #放卷剩余层数 * #材料厚度 + #内半径; //剩余半径
#总长度 := 2 * #pi * #放卷层数 * #内半径 + #pi * SQR(#放卷层数) * #材料厚度; //总长度
#剩余长度 := 2 * #pi * #放卷剩余层数 * #内半径 + #pi * SQR(#放卷剩余层数) * #材料厚度; //剩余长度
#本次使用长度 := #总长度 - #剩余长度; //本次使用长度
#累计放卷长度 := #本次使用长度 + #累计放卷长度;
#外半径 := #剩余半径; //更新半径
END_IF;
放卷频率计算
(* #放卷频率 := (#电机每圈的脉冲数 * #目标拉料的线速度) / (2 * #pi * #外半径); *)
END_IF;
西门子FB块封装
2、收卷计算（厚度累计法）
厚度累积法卷径计算
#pi := 3.1415926;
#R_TRIG_Instance(CLK:=#转一圈标志位, // 电机每转一圈触发一次
Q=>#触发标志位);
IF #触发标志位 THEN //卷径计算
#卷径的层数 := #卷径的层数 + 1;
#外卷径 := #卷径的层数 * #物料厚度;
#单次累计卷径长度 := 2 * #pi * #卷径的层数 * #收卷机滚筒内半径 + #pi * SQR(#卷径的层数) * #物料厚度;
来源：小贾论科技