沈力

深圳市鑫精誠科技有限公司，深圳 518115

0 前言

張力控制器主要被廣泛應用于實時監(jiān)控帶狀材料、布狀材料、條狀材料和線狀材料在生產過程中的張力大小情況。這些材料在放卷和收卷過程中，它們的卷徑會不斷地發(fā)生變化，另外，由于設備運轉的同步性不一致，所以極易導致卷材張力過緊或松弛等現(xiàn)象[1]。如果卷材的張力過大，會造成加工材料發(fā)生拉伸變形，甚至斷裂；如果張力過小，就會使卷材缺少繃緊力，從而造成收卷不整齊，導致出現(xiàn)收卷后的卷材厚度不均、松弛、褶皺等質量隱患，因此，對于張力的控制就成為高精度卷繞系統(tǒng)中非常關鍵的一個環(huán)節(jié)[2-3]。

早期的張力控制是靠檢測電機的電流來標定測量張力力值，從而進行閉環(huán)控制的。但是這種方法自身的精度就很差，而且還要實時地對卷材厚度和卷材材料以及卷繞速度進行張力值補償，控制難度非常大且效果不好。目前，越來越多的廠家采用電阻應變式的張力傳感器（以下簡稱張力傳感器）用于張力控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，這是由于張力傳感器擁有精度高、安裝簡單方便、輸出信號穩(wěn)定等優(yōu)點，使得閉環(huán)控制變得比較簡單，易操作。

目前，高端的張力傳感器大多數(shù)是國外品牌，比如：美塞斯、蒙特福、E+L、FMS等，他們對于張力傳感器的研究較早，積累的測試數(shù)據(jù)量大，所以有著較大的市場占有量。最近，隨著國內的張力傳感器自主研發(fā)的發(fā)展，制造工藝的突破和制造技術的進步，越來越多的國外品牌傳感器已經(jīng)慢慢被國內產品所替代，同時，也有大量的創(chuàng)新的知識產權被國內廠家所申請。

目前，市場上的張力傳感器按安裝方式可以分為單側安裝和雙側安裝兩大類。按傳感器自身結構可以分為：懸臂式、法蘭式、穿軸式、軸座式、軸頭式等幾大類，這些結構幾乎涵蓋了所有的張力測量類型[1]。本文將著重介紹兩種雙側安裝的法蘭式張力傳感器的主要結構及區(qū)別、彈性體設計方法、傳感器結構設計注意要點和安裝注意事項。

1 法蘭式張力傳感器介紹

法蘭式張力傳感器一般成對地被安裝在測量輥的左右兩末端，可以精確地檢測各種包裹角度拉動材料所產生的合力。傳感器按對輥筒軸的不同被固支的方式可分為C型塊固支結構和調心球軸承固支結構兩種。

1.1 C型塊固支結構

傳感器與輥筒軸之間用C型塊固支，用螺釘進行擰緊固定，此類型的傳感器和滾筒軸之間不帶軸承，所以要求用于此結構的輥筒自帶滾動軸承。傳感器的安裝方式如圖1所示。

傳感器被安裝在輥筒軸的兩側，因為存在安裝孔的尺寸偏差、安裝面的平行度偏差以及傳感器自身的尺寸誤差等因素，導致傳感器在實際的安裝過程中容易產生機械別死和安裝不水平等問題，從而導致傳感器安裝后產生零點變大、不回零，甚至過載損壞等問題，對傳感器的精確測量造成影響。針對這些問題，該傳感器在內部設計了調心球軸承結構，如圖2所示。

通過設計銷釘和轉動孔等結構，對調心球軸承的轉動角度進行限制，確保其只能有±3°左右的擺動，既不影響傳感器的實際使用，又能解決機械誤差帶來的各種安裝問題。

1.2 調心球軸承固支結構

圖3所示為調心球軸承固支結構的傳感器，該傳感器的末端自帶調心球軸承，用于固支輥筒軸。

傳感器同樣地被安裝在輥筒軸的兩側，由于此傳感器的結構已經(jīng)存在了滾動軸承，所以可以簡化客戶的輥筒和中心軸的結構，省去它們之間安裝的軸承。此外，滾動軸承采用的是調心球軸承，該調心球軸承也可以補償由于安裝導致的機械誤差。

2 傳感器彈性體的設計

2.1 結構設計與原理

上文介紹的兩款不同結構的張力傳感器，無論是C型塊固支結構還是調心球軸承固支結構，只是在傳感器的安裝方式、固支結構、對于滾筒要求等外部結構有所不同，而對于傳感器內部的關鍵核心部件——彈性體的結構設計和原理都是類似的。

彈性體設計應遵循如下的通用原則：應變區(qū)受力單一，且應力分布均勻；承載邊界及安裝力不影響應變區(qū)的應力分布；粘貼應變計處應開敞，盡量為平面，便于設計保護外殼或進行防潮密封[4]。

綜合考慮傳感器的安裝結構和使用方式，設計彈性體的整體結構為四孔型對稱式平行梁結構，如圖4所示。該結構是由上下兩個對稱的橫梁構成的一個整體，左右和上下對稱的去除4個小圓柱，形成4個圓孔，圓孔左右之間兩兩貫通，上下圓孔之間采用線切割割通。該種彈性體結構的電阻應變片粘貼數(shù)量為4片，粘貼的位置在4個圓孔和上下橫梁之間的壁厚最薄處，從而確保了應變片被粘貼在整個彈性體結構的最大應力位置。

四孔型對稱式平行梁結構屬于稱重傳感器彈性體里一種非常經(jīng)典的高精度結構，它屬于彎曲應力的正應力稱重傳感器結構，但同時也具有切應力傳感器的一些特點，所以該結構的彈性體具有如下特點：整體各項性能好、精度高、抗偏載能力強、輸出信號大、信號輸出對于加載點的位置變化不敏感、傳感器制作工藝簡單、易操作等。

2.2 彈性體的有限元分析

對彈性體用Solidworks軟件進行3D建模，并用其自帶的Simulation模塊進行靜力學的有限元分析，驗證結構的合理性與可行性。

（1）選擇編輯應用合適的材料，因為該類型的傳感器量程比較小，所以選用鋁合金材料。牌號為2A12-T6的材料常被用在鋁合金傳感器上，該種材料為高強度的硬鋁材料，其彈性模量為7.2e+10，泊松比為0.33；

（2）根據(jù)傳感器的實際應用及受力情況對彈性體進行固支和加載相應的力值；

（3）對彈性體進行網(wǎng)格化處理，對應變片的粘貼面和其他關鍵位置進行網(wǎng)格的細化處理，處理后的彈性體如圖5所示；

（4）對彈性體模型進行計算處理，得到彈性體在最大量程下沿著長度方向的法向應變云圖，如圖6所示。

從應變云圖結果可知，彈性體最大應變處出現(xiàn)在設計粘貼應變片的位置，即4個圓孔和上下橫梁之間的壁厚最薄處。此4處位置的應變集中，最大應變值可以滿足傳感器的信號大小要求，且在強度上預留有足夠的防過載余量，貼片區(qū)域的應變均勻，可以滿足制作高精度傳感器的受力要求。

（5）對貼片橫梁上的所有節(jié)點沿著長度方向的法向應變進行探測，每間隔0.2 mm取一個點形成圖解，如圖7所示。

由圖可知，彈性體貼片面的正負應變值變化均勻且對稱相等，滿足高精度傳感器的應變要求，在該應變條件下，傳感器的輸出信號可以滿足2.0±0.2 mV/V的要求。

3 傳感器其他設計注意要點

3.1 軸向緩沖結構設計

在傳感器的實際安裝過程中，經(jīng)常會存在員工裝配輥輪軸的時候用力過大的情況；其次，由于尺寸公差的原因，導致傳感器在安裝完成后也可能會承受軸向力；另外，在使用過程中，被卷材料也會傳遞一些不規(guī)律的軸向力，以上3種情況都會導致傳感器的零點異常、輸出信號波動不穩(wěn)定，甚至過載損壞等問題，所以對傳感器設計軸向緩沖結構就非常有必要。

目前，國外比較常見的方法是使用波型墊圈來實現(xiàn)。當傳感器受到軸向力后會導致波型墊圈發(fā)生一定變形，從而緩沖了部分的軸向力，當軸向力消失后，波型墊圈自動恢復到之前的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了對軸向力的緩沖。

但在波型墊圈受軸向力變形后，實際傳感器還是受到了軸向力，傳感器的零點數(shù)據(jù)還是可能會發(fā)生變化，基于此不足，筆者在采用波型墊圈的同時，還在彈性體上采用U型柔性隔離槽的新型結構來做軸向緩沖，從而進一步減少軸向力對傳感器信號和精度的影響。

3.2 避空隔離槽結構設計

設備的安裝面往往會存在粗糙度或者平整度的問題，從而導致傳感器安裝后零點超出要求范圍很多，所以在傳感器的安裝底面上增加圓形避空隔離槽就非常必要。圓形避空隔離槽結構如圖8所示。

在傳感器的底面上設計了一個沉孔做為隔離槽，在設計該隔離槽時需確保隔離槽的直徑大于彈性體貼片處的最大直徑，這樣的設計可以使小于該直徑的安裝面粗糙度問題被該隔離槽隔離去除，而大于該直徑的粗糙度問題并不會對傳感器的零點造成影響。該種方法已經(jīng)申請了專利保護，申請?zhí)枮?02022302451.4。

3.3 分體式結構設計

目前，市場上絕大多數(shù)張力傳感器的軸承連接件和傳感器本體之間是一個整體結構，即單個規(guī)格的傳感器只能適用安裝一種型號的軸承，導致傳感器的通用性差，如果設備需要更改不同軸徑的滾筒，就需要重新非標定制新的傳感器，這樣增加了生產成本，也降低了替換的效率。

基于此不足，筆者設計了一款軸承連接件和傳感器本體可拆卸的分體式結構，兩者之間用螺釘緊固連接，拆裝非常方便，且整體的安裝強度可以保證。如圖9所示。

這樣，針對不同軸徑的張力輥，只需單獨生產與軸徑配套的連接件即可，從而避免了為不同軸徑的張力輥而大量生產非標的張力傳感器的情況，增加了傳感器的通用性，節(jié)省了傳感器的更換時間，也避免了經(jīng)常拆裝而導致的傳感器損壞。該種方法已經(jīng)申請了專利保護，申請?zhí)枮?202022302410.5。

3.4 防過載結構設計

因為設備再啟動的瞬間會有一個比較大的慣性力，所以對傳感器的防過載結構設計非常重要，尤其對于小量程的傳感器，在安裝調試的過程中非常容易被過載損壞，所以在傳感器內部設計防過載結構就顯得尤為重要。

目前，市場上大多數(shù)平行梁結構的傳感器其防過載結構都是從外嵌入一個小圓柱體，或者外置一個防過載螺釘來實現(xiàn)防過載設計，這種設計造成裝配和加工難度都很大。

筆者根據(jù)以上不足設計的線切割防過載槽結構，無論是在加工還是裝配上都更為簡單，線割槽的位置和結構如圖4所示，該種結構的防過載原理是當傳感器的受力超過額定載荷后，線割槽的縫隙之間就減小到零，縫隙面上下會頂住，從而阻止彈性體變形而達到防過載的目的[5]。該種防過載的方法已經(jīng)申請了專利保護，申請?zhí)枮?02011103174.2。

4 安裝注意事項

（1）對于調心球軸承固支結構的傳感器，在安裝時需注意兩端中有一端需是固定式的，一般采用軸承擋圈或臺階等方式進行止動固定，另一端需是活動式的，不需要加軸承擋圈或臺階，從而使輥輪可以在軸向有一定的橫向位移。如圖10所示；

（2）使用時應避免軸與防塵油封產生摩擦，從而帶入摩擦力值，影響測量精度；

（3）選用靈敏度最為接近的兩個傳感器組成一組配套使用，防止被測的材料幅寬不一致或者被測材料位置變化的情況下產生方位誤差；

（4）輥輪自身重量不超過傳感器滿量程的60%；

（5）確保被測材料通過傳感器后產生的包絡夾角值在30°～180°之間[1]。

5 傳感器的受力計算

被測輥輪和導向輪之間的排列方式有以下三種，其傳感器的受力計算方法各不相同。

排列方式一如圖11所示，當張力的合力方向和輥筒的自重方向呈90°：

其中，F(xiàn)——傳感器檢測受力；

T——張力；

α——包絡夾角（30°≤α≤180°）。

排列方式二如圖12所示，當張力的合力方向在第三或第四象限：

其中，P——輥輪自重；

β——傳感器檢測受力方向和輥輪自重方向的夾角。

排列方式三如圖13所示，當張力的合力方向在第一或第二象限：

6 結論

法蘭式張力傳感器一般常被應用于寬幅材料加工過程中，尤其是在超寬幅的材料加工中有很好的應用，另外，在一些窄幅的材料加工中也有應用，該結構的傳感器有安裝替換方便、測量精度高、一款傳感器可以匹配多種軸徑、加工成本較其他結構低等特點，所以，這種結構已經(jīng)成為張力傳感器里應用最為廣泛的結構之一。