張力是指受到拉力作用時，物體內部任一截麵兩側存在的相互牽引力。長材料的加工過程中，比如：紙、膠片、線、電纜、各種薄膜和繩等都存在張力。張力控製是對在兩個加工設備之間作連續運動或靜止的被加工材料所受的張力進行自動控製的技術。

如下圖所示，張力=扭矩/半徑（T=X/R）。當張力過大時，不適當的張力會導緻材料伸長，破壞卷的形狀，如果張力超過材料的剪切強度，甚至會破壞卷筒。另一方麵，張力不足會導緻收卷卷筒伸縮或下垂，最終導緻成品質量低下。

隨著現代工業的快速發展，高精度、高質量和高速度作業的機械設備，如絲綢印花機、紡織機、印刷機等，對張力控製提出了更高的要求。張力控製成為了工業和生産過程中不可或缺的重要因素，成為提高生産效率、保障産品質量、提高設備運行精準度的關鍵。

張力控製的三種方式

實現張力控製需要應用到張力控製器，這是一種實現恆張力或者錐度張力控製的自動控製係統，其作用主要是實現輥間的同步，收卷和放卷的均勻控製。整個係統主要由張力控製器、張力檢測器、製動器和離合器構成。控製方式有手動控製、開環張力控製、閉環張力控製三種。

（1）手動控製

手動張力控製就是在收卷和放卷過程中，通過人工分階段調整張力的幅值，以滿足不同階段的張力控製。當卷徑變化時，操作人員需要通過感覺來調整控製輸出以保證張力不會過大或過小。手動控製方式擁有以下三個特點：

①成本低；

②根據人的手感調整材料拉伸；

③隻能進行階段性的控製。

由於採用手動控製，無法保證整個過程中張力的恆定，張力控製的調節精度比較差。該方式一般應用在張力控製精度要求不高，自動化程度低的應用場景。

（2）開環張力控製

開環張力控製就是在變頻器收卷和放卷過程中，自動檢測卷徑的變化，並實時調整收卷和放卷的力矩的方法，又稱為半自動式張力控製或者卷徑檢測方式。開環張力控製有以下三個特點：

①進行相對穩定的控製；

②不需要張力檢測器；

③有機械損耗，不能把握控製張力。

由於受到執行機扭矩變化、線性和機械損耗等影響，張力絕對控製精度有限，多應用在用戶無法安裝張力反饋裝置的場合。

（3）閉環張力控製

閉環張力控製亦稱為全自動張力控製方式，在開環張力控製的基礎上，使用張力傳感器、浮動輥、自由式浮動輥等反饋器件，通過PID調節，實時修正電機速度、轉矩，從而實現較高的張力控製精度。閉環張力控製有以下三個特點：

①控製精度良好；

②直接讀取和控製張力數值；

③成本高，需要對機械運動動作和控製進行協調。

對於該種張力控製方式，由於其進行了閉環控製，可以實現高精度的張力控製，能夠滿足高精度、高質量和高速度作業的機械設備。因為需要安裝張力檢測器，成本會相對其他方式會有所增加。

這裏分享一個典型應用案例：威科達貼邊滾焊機張力方案中的過程張力A閉環控製。

傳統的張力控製方法

主動輥和壓焊印A兩根輥通過電氣或機械加工形成速差來使裏麵的材料繃緊，這種做法需靠材料的拉伸或其中的一根棍自然打滑方可使用，拉伸度不夠的材料不適合使用；還有一種方法是用浮輥，這種方法不適合小張力。

  威科達的張力控製方法  

在此區域安裝一個張力傳感器以檢測其實際張力大小，先根據機械參數算出主動輥和壓焊印A的速度比例關係，然後再慢速將機器開起來讓傳動輥運轉幾圈，係統根據張力傳感器的張力反饋大小和編碼器脈沖反饋雙閉環來修正電子齒輪比係數，精準匹配速度比例關係，使兩者的線速度基本同步，從而保證在運行過程中PID調節範圍小，過程張力更穩定。

實現張力控製優化的三種途徑

實現張力控製優化主要有三種途徑：一是卷徑計算；二是閉環張力控製；三是慣量計算。

（1）卷徑計算

卷徑計算是張力控製的一個關鍵內容。在生産過程中，開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑是在不斷變大，因此轉矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩定的張力。由此可見，卷筒的瞬時卷徑計算是必需的。常見的卷進計算方式有以下三種： 

①通過牽引、收放卷的角速度和線速度來計算卷徑；

②通過材料的厚度計算麵積，從而得到卷徑；

③通過傳感器直接測量卷徑。

卷徑計算是實現張力控製優化的方法之一。隨著卷徑的變化，控製電機的轉矩發生相應的增加和減小，從而得到穩定的開卷、卷取張力，順利地進行生産。

（2）閉環張力控製

通過上文的三種張力控製方式介紹可知，閉環張力控製相對於另外兩種方式，在穩定性和精度上均有優勢。想要實現張力控製效果的進一步提升，閉環張力控製無疑是必然選擇。

據吳工介紹，威科達閉環張力控製會在收放卷上增加卷徑計算和慣量計算，這樣就不會完全依賴於PID調節，使得張力控製更加平穩。

（3）慣量計算

在收放卷加、減速的過程中，需要提供額外的轉矩用於克服整個係統的轉動慣量。如果不加補償，將出現收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大，減速時張力偏小的現象。因此，想要實現張力控製優化，慣量計算必不可少。

慣量計算是收放卷在加減速過程中會産生一個慣性，威科達通過改變電機轉矩的大小來抵消掉慣性，從而使張力控製更加穩定。 

VC510張⼒控製專⽤型伺服

針對張力控製的諸多難點，威科達提供了全伺服張⼒控製解決⽅案，以VC510張⼒控製專⽤型伺服為核⼼，針對不同的機械採⽤不同的張⼒控製模式，將張⼒控製器集成於伺服驅動器內，實現收放卷開環張⼒控製、收放卷閉環張⼒控製、過程張⼒控製等，達到⾼精度、⾼穩定性、免維護且節能的效果。

作為運動控製整案定製專家，威科達專註運動控製領域19年，旗下産品涵蓋有通用型伺服，張力控製、鏈刀、輪切、追剪、獨立模切、雙閉環專用、全閉環壓力控製等專用伺服，對電子凸輪、同步控製、張力控製、各種運動疊加，有深入的研究和廣泛的應用，深度解決工業自動化控製痛點，讓設備運行更加穩定、高效！