收放卷张力控制怎么做：开环扭矩、浮辊与张力传感器三种方案

印刷、涂布、分切、复合、制袋、无纺布，只要是卷材设备，就绕不开张力。张力不稳在现场的表现是起皱、拉伸变形、套印偏差、收卷松紧不一，严重时会断料。

这篇文章讲清三件事：张力为什么难控、三种常见方案怎么选、PLC 里要做哪些处理。

张力为什么难控

放卷辊或收卷辊上，材料张力 F 与卷轴扭矩 T 的关系是：

T = F × D / 2（折算到电机轴时，再除以传动比和效率）

难点在于卷径 D 一直在变：放卷越放越小，收卷越收越大。卷径从 600 mm 变到 100 mm，同样的张力，所需扭矩相差 6 倍；为了保持线速度不变，卷轴转速也要反向变化 6 倍。再叠加加减速、换卷、材料批次差异，张力就很难稳住。

三种常见方案

实际设备常常组合使用：例如放卷用浮辊吸收冲击，印刷段用张力传感器闭环，收卷用开环加锥度。

卷径怎么算

三种方案都离不开卷径，开环方案尤其依赖它。

• 线速度 / 转速法：D = V / (π × n)。V 取自牵引辊（主轴）的编码器，n 取自卷轴电机。要做滤波；起停和低速时冻结计算，避免除以接近 0 的转速。
• 厚度累计法：卷轴每转一圈，卷径变化 2 倍材料厚度。适合厚度稳定的材料，可以拿来校验第一种方法。
• 初始卷径：换卷时用测距传感器测量，或由操作员输入。

加减速时的补偿

开环方案必须做补偿，闭环方案也建议加上作为前馈：

• 惯量补偿：卷材的惯量随卷径的四次方变化，J = π × ρ × W × (D⁴ − d⁴) / 32（ρ 为材料密度，W 为幅宽，d 为卷芯直径），再加上卷芯和传动部分的惯量。加速扭矩 = J × α，其中 α = 2a / D，a 为线加速度。
• 摩擦补偿：静摩擦，以及随转速变化的黏滞摩擦。常见做法是空载转一遍，测出摩擦扭矩曲线，再查表补偿。

闭环方案加了前馈以后，PID 只需修正余差，响应会快很多，加减速时的张力波动也小得多。

收卷锥度张力

收卷时如果张力恒定，卷越大，内层受到的径向压力越大，容易出现内层起皱、卷芯压溃。常用做法是随卷径增大逐步降低张力：

F = F₀ × [1 − k × (D − D₀) / D]

F₀ 是起始张力，D₀ 是卷芯直径，k 是锥度系数（0～1，按材料试出来）。

PLC 实现要点

1. 速度为主、张力修正为辅：多数设备让卷轴按线速度和卷径跟随运行，再用张力环修正速度；也可以用驱动器的扭矩限幅或附加扭矩来控制扭矩。用哪种取决于驱动器和工艺。
2. PID 参数随卷径自适应：卷径变化会改变系统增益，大卷和小卷用同一组参数，往往一头振荡、一头发软。
3. 卷径计算加滤波，起停和低速段冻结。
4. 断料检测：张力突降、浮辊撞到限位、卷径计算异常，任一条件触发就报警停机。
5. 换卷和接料：切换过程中要保持张力，必要时短时切换到开环控制。
6. 西门子平台：S7-1500 工艺对象配合 SINAMICS 驱动可以实现上述功能。

我们的项目经验

在 4 色组 33 轴包装印刷机项目中，放卷和张力参数在 HMI 上单独成页管理，断纸检测可以单独启用；在 KN95 口罩机项目中，多层无纺布放卷也做了张力控制。

张力方案没有通用答案，要看材料、速度、精度要求和成本。项目前期，我们会先确认这几项，再定检测方式和控制结构。需要收放卷或卷材设备的控制方案，欢迎联系迈控星。