作者: Karl-Heinz Weber – 驅動選型經理 (支持和咨詢), Lenze,

Olaf Goetz – 工程設計工具產品管理經理, Lenze

要設計一條用于卷繞設備的驅動鏈，必須全方位入手。Lenze 告訴您：基于我們多年來豐富的實踐知識，我們可以避免在工程設計過程中犯那些代價高昂的錯誤。基于此，Lenze 為您設計了一款集成了我們多年來豐富實踐經驗與專業知識的驅動選型軟件 DSD。我們通過本實踐經驗報告向您闡述卷繞設備如何針對不同卷繞材料進行便捷的選型，并介紹如何利用規劃數據簡化后續的調試工作。

首先必須了解卷繞的工藝過程

卷繞驅動用于在加工過程前后存儲連續物料。依據卷繞過程，這些驅動主要以準靜態方式操作。以同步方式操作的卷繞驅動可以用于，如間歇性操作設備（沖壓機、切割單元...）。即將被卷繞的材料類型和外形范圍非常廣。它們可以是平的（紙張、塑料、金屬箔、織布、網狀織物或織物板等等）或者圓的（絲、繩子、紗、線）。

依據材料和設備類型，平的材料采用中心繞線機或端面繞線機。在中心繞線機中，該驅動器位于卷軸中心；在端面繞線機，該驅動器位于周邊。用數學術語來說，卷起卷繞材料（一個卷軸）就是一個螺旋動作，在平的材料網中，是一層卷一層；在圓材料中，則是每層相互緊鄰然后疊加卷繞的。卷繞材料以定義好的可變或固定張力進行卷繞而生產速度則根據材料質量和當前直徑而定。依據產品，卷繞系統的張力范圍十分廣泛，從大約0.5 N 到 30,000 N。生產速度范圍也很廣，從大約 5 到 2,000 m/min。驅動功率范圍為 0.1 kW 至 400 kW 。

通過 DSD 控制選型

電機的規格由轉矩決定。對于中心繞線機，固定驅動轉矩所需的最大值會發生在卷軸直徑最大值并在達到此值時速度處于最低點的時候。針對這些要求，運行在弱磁范圍內的異步電機優勢尤其明顯。中心繞線機要安裝的由張力速度生成的驅動系統，其單位額定值顯著大于實際卷繞過程的過程功率。盡管在卷繞過程中高速度和高轉矩不會同時發生，但是該驅動必須具備可應對這二者同時發生這一情況的能力。這一聯合功率被稱作基礎過程功率。含定義材料張力的中心卷繞機主要設計用于固定操作狀態。變頻器的動態過電流儲量在多數情況下也能夠讓處于緊急狀態的驅動器在期望時間內快速減速。然而考慮到較高的轉動慣量和較短的制動距離，選型過程就必須要考慮制動轉矩參數。在卷繞機間歇操作模式下，該動態驅動轉矩通常決定了選型過程。由于卷繞驅

動的選型，正確驅動元件的相應選擇，卷繞機和電機控制步驟都很復雜并且需要大量的經驗，針對這一問題，我們已經將所有這些相關經驗和應用知識寫入 DSD 中。這樣只需使用該軟件，就可以讓每個設備工程師能夠輕松地處理選型過程并且在任何時候都能夠找到可行解決方案。除了物理驅動選型和產品配置處，我們全新的“DSD 卷繞技術助手”還能幫您檢查是否超出系統限制值并為多個可選解決方案提供一些有價值的建議。

印刷機中心收卷的樣機選型

這一任務就是將 80g/mm2 基礎重量的紙卷繞至尺寸為 80mm 至 800mm 的管上。該印刷設備上的紙張移動速度為 400m/min。張力要求最小直徑時為 250N，最大直徑時為 200N。DSD 會一步一步引導用戶進行所需的所有選型步驟。首先，工程設計工程師們可以選擇最簡單高效的“開環扭矩張力控制模式”。依據該模式，DSD 會進行設備背景技術檢測，隨后輸入卷軸的尺寸和材料、張力、速度以及加速度數據、靜止相數以及設備能效值。輸完主要數據和環境數據即完成了整個過程描述，DSD 使用這一過程描述來確認該卷軸的相關具體要求（轉矩、速度以及功率）。此外，在加速度階段修改的直徑會自動包含在計算中；這也是獲取最佳解決方案的一個小技巧。這種情況會產生一個 1.5kW 的固定卷繞功率以及一個 11kW的基礎過程功率。在確定好驅動軸電氣和機械設計以及該驅動理念之后，再選擇最合適的電機。在這里還有另一個小技巧：在該關鍵性的選型步驟中，可以在 DSD 中交互式地調節弱磁場以便生成最小的驅動系統功率。所有操作都可使用轉矩-速度特征曲線進行。這樣就選好了減速機、制動器、編碼器、變頻器和可選的電氣制動電路。值得一提的是，DSD 在線幫助還可以為最佳選型過程持續提供有價值的操作建議。

在我們的例子中，我們用異步技術計算生成了一個 4kW 的能效電機（MH 系列）帶一個旋轉編碼器、一個45Nm 的彈簧制動器、一個 i=3 的齒形皮帶、一個伺服控制的 5.5kW 變頻器（9400 系列）和一個用于緊急停止的 120W 制動電阻。進行好完整的選型后，DSD 會以變量圖表、利用率和技術系數進行一個綜合性的系統分析。整個選型過程以及文檔生成只需大約 10-20 分鐘，沒有比這個更快速、更便捷的方法了！我們還建議您考慮不同的解決方案。這些數據可以通過 DSD 快速生成。DSD 可以幫您以緊湊的格式將這些解決方案一一列舉出來并相互比較。這樣的話，您就可以評估不同驅動理念和產品的利弊，也可以有確定適合解決方案的清晰依據了。

檢測方案：應用調諧器

一個驅動器的選型過程通常都使用一個參考方案和一個最壞情況的方案。在實際情況中，該設備會處理各種產品以及公式。對于卷繞設備，不同厚度的材料卷繞速度也不同。為了確保該卷繞設備也能使用該操作方案，在已經執行了主要選型過程后利用能選擇過程和運動變量并自動計算成為備選方案的應用調諧器來為設備提供支持。所有相關結果的直接對比體現了過程側和驅動側的更改。這樣的話，您就能夠立即建立起有關利用率、限值范圍或能效平衡的清晰概念了。

評估能效

在過去這些年里，人們越來越重視能源消耗問題及由此帶來的環境影響和運營費用透明性。Lenze 倫茨在早期就對該問題做出了響應：通過 DSD 中的“驅動解決方案能效性能認證”及其精心設計的相關功能為設備工程設計提供專業支持。這就意味著一旦確定了能效要求、能效成本、CO2 排放以及優化潛力，并以圖形化的方式為用戶在后臺備好用于卷繞應用輸入和所選的驅動系統，這些最終會基于使用情況進行鏡像處理。通過這種對比操作，可評估相互之間不同的解決方案，并解答疑問，例如“哪個電機能效等級最適合該應用”、“哪個減速機類型能實現損耗最小化”、“是什么影響了能效平衡中的加速度”、“制動過程會產生多少能量”、“投資成本多高，會引起多少運營成本”、“多久能生成出一個特定的解決方案”等等。尤其是卷繞應用為能效優化解決方案提供了巨大的潛能。像這樣，特別是，計算多軸系統，選擇供電模塊并以能效方式表達出來等操作均可在 DSD 中完成。這樣就可以在設備相互連接的其他驅動軸中利用退卷的再生能原。主要負載減少到最小而能效增加到最大。

針對工程鏈的能效

選好并優化驅動解決方案后，DSD 會提供多連接點以執行更多的工程設計工作。例如，DSD 可定義多種產品特征，如減速電機的顏色、法蘭和端子盒的位置、插頭、附件、傳感器及其他特殊設計要求等等，從而提供所有關乎價格的因素，并備好內容可用性。所應用的 CAD 瀏覽器會為用戶立即展示驅動選型的樣子并能為設計工程師提供不同格式的 CAD 數據。用戶還可以在自己的 CAD 中查看設備結構中減速電機和變頻器的機械整合性是否正確。在這里，不同范圍和布局下的特定協議是重點。它們不僅用于記錄解決方案而且還為更多其他工程設計任務儲備信息，讓許多其它功能的實現成為可能。例如，即時提供大部分的重要調試數據。這個起始于過程描述，包括已經輸入的過程參數以及最小和最大的卷軸直徑、加速度時間和線性速度等等。但是計算好的

參數也有用，如，可以用于轉矩前饋控制的總轉動慣量；這就提供了更好的穩定性和更精確的控制響應。此外，充分了解所選的產品還有利于調試的順利完成。

為了能簡化工程設計過程，Lenze 倫茨在整個工程設計過程中始終提供標準的、機電一體化的模塊（只需要進行參數設置）。在 DSD 規劃頁面可以找到針對卷繞的機械過程描述。在調試階段，我們提供了針對卷繞的FAST 技術模塊。該模塊包含了針對卷繞過程的功能塊結構和邏輯控制并可使用 DSD 中的儲備信息進行參數設置等。這樣就加速并簡化了設備的工程設計過程并為其專注自己的需求提供了更大的空間。

就產品自身的簡易性而言，DSD 簡約而不簡單。這款工程設計軟件的成功性還因為這個產品的所有功能和工作流程均根據規劃任務而設計，通過其數據準備讓調試更快更簡單。這使得 Lenze 倫茨和機械工程師們之間的互動更為高效，同時也確保了最佳的設備工程設計結果，簡化并高效地減少了設備的總成本，更快速地響應市場。值得一提是，DSD 不僅僅能用于卷繞設備的工程設計，還可應用到其他幾乎所有類型的設備中去。

DSD 選型軟件提供如下功能:

o  提供應對驅動選型任務的最佳支持

o  從機電一體化系統角度規劃驅動鏈

o  通過設備描述（過程、動作、環境）介入工程設計

o  支持計算物理性要求、利用率和性能數值

o  創建各自所需的驅動結構

o  充分集成 Lenze 多年的行業經驗與專業知識及相關解決方案經驗

o  產品選擇和檢測具備目標導向性

o  系統檢測技術可行性以及最佳解決方案

o  產品配置確保解決方案具備可設計性與市場性

o  支持驅動解決方案之間的對比和優化

o  應用調諧器：快速比對不同應用參數的解決方案

o  能效性能認證 - 驅動解決方案：支持特定解決方案的計算

o  提供解決方案及相關文檔（選型記錄、物料單等）

o  生成所選產品的 CAD 數據

o  支持國際項目的處理（支持 13 種語言，使用國際化單位）

圖片說明:

圖片 1: 用于平滑物料中心卷繞設備的工作原理

圖片 2: 印刷設備的中央卷繞單元

圖片 3: DSD 中卷繞設備的選型