薄钢板卷筒绕紧力检测系统设计

摘要：针对当前薄钢板生产对卷筒卷绕薄钢板的绕紧力控制有较高要求的实际情况，基于保证产品规格一致性和平整度的实际需求，设计了一种绕紧力检测系统，其能够应用于成品宽度在1m以上的薄钢板生产设备，实时测量卷筒绕紧力并反馈给绕紧力控制系统。实际工程应用表明：设计的绕紧力检测系统检测精度可以达到0.2%F.S，能够满足薄钢板自动化生产设备对绕紧力的检测要求，并应用在多种类型的薄钢板产线中，提高产品的生产效率和质量。

关键词：绕紧力检测自动化薄钢板生产电阻传感器悬臂梁

中图分类号：TP212

DesignofaDetectionSystemfortheWindingForceofThinSteelPlateRolls

MENGQiuLUOShaoxuan*

SchoolofElectronicandElectricalEngineering，BengbuUniversity，Bengbu，AnhuiProvince，233030China

Abstract：Inresponsetothecurrenthighrequirementsforcontrollingthewindingforceofthinsteelplatesinproduction，awindingforcedetectionsystemhasbeendesignedbasedonthepracticalneedsofensuringproductspecificationconsistencyandflatness.Itcanbeappliedtothin steelplateproductionequipmentwithafinishedproductwidthofmorethan1m，tomeasurethewindingforceoftherollinreal-timeandprovidefeedbacktothewindingforcecontrolsystem.Practicalengineeringapplicationshaveshownthatthedesignedwindingforcesensorcanachieveadetectionaccuracyof0.2%F.S，whichcanmeettherequirementsofautomaticproductionequipmentforthinsteelplatesforwindingforcedetection.Ithasbeenappliedinvarioustypesofthinsteelplateproductionlinestoimproveproductproductionefficiencyandquality.

KeyWords：Windingforcedetection;Automation;Thinsteelplateproduction;Resistancesensor;Cantileverbeam

薄钢板具有较高的强度和耐腐蚀性，被广泛应用于汽车工业、金属加工、包装和船舶等行业。薄钢板卷绕力传感器是一种用于测量卷绕过程中的张力的装置，具有敏感元件来检测卷绕力的变化[1-2]。薄钢板卷绕力传感器主要有两种类型：一是应变片式传感器，这种传感器结构简单、响应速度快，被广泛应用于纺织、印刷等行业[3-4]；二是谐振频率式卷绕力传感器，通过测量频率的变化即可得到张力值，这种传感器具有高精度和稳定性，主要应用于金属加工、电线电缆等领域[5-7]。

由于目前对于薄钢板卷绕力的检测还处于起步阶段，国内外对卷绕力传感器的研究主要集中在以下方面。

（1）传感器材料的研发，通过改变传感器结构和性能，提高其灵敏度和稳定性。例如：使用复合材料代替传统的金属材料，以实现更高的灵敏度和抗干扰能力[8]。（2）利用神经网络、模糊理论等方法来优化传感器的输出，并消除噪声和干扰[9]。（3）将传感器应用于包装、电子、医疗等领域，并改进传感器的性能以满足不同行业的需求[10]。综上所述，薄钢板卷绕力传感器是一类能够测量卷绕过程中张力的装置，国内外的研究主要集中在传感器材料、信号处理技术和应用领域的拓展上。

1薄钢板卷绕力测量方案

在实际应用中，测量薄钢板卷绕力通常包括以下步骤和方法。

（1）准备工作。首先，准备一台具有适当调节速度和压力的设备，如试验机、卷绕机或牵引机。（2）标定。在开始实际测试之前，需要进行标定以确保测量结果的准确性和可靠性。使用已知负载进行标定，在不同负载下测量所需的力值，并记录数据。（3）安装样品。将待测薄钢板样品正确安装到测量设备上，确保其能够受到均匀的紧固或拉伸力。（4）测试过程。根据实际需求，可以选择恒定速度或变速测试。通过增加或减少卷绕或拉伸速度，应用适当的力使薄钢板发生卷曲或伸长变形，并记录所施加的力值。（5）数据处理。根据所采集的测试数据，分析计算薄钢板的卷绕力。可以使用适当的公式或算法来计算卷绕力，并将结果记录下来。（6）重复测试。为了增加测试的可靠性和准确性，可以重复以上步骤进行多次测试，并取平均值以得到更可靠的卷绕力结果[11]。在执行薄钢板卷绕力测试时，应严格遵守安全操作规程，并确保测量设备和样品的适当性和准确性。

本次设计中，综合考虑检测成本、安装方式和测量精度等因素，选用应变式传感器结构进行薄钢板卷绕力测量。应变片式传感器是一种通过测量薄钢板表面应变变化来计算卷绕力的传感器。它通常是将一个或多个特制的应变片直接贴附在特殊设计的弹性体上，当薄钢板的卷绕力发生变化时，弹性体也会产生微形变，应变片也会产生相应的应变，通过测量这些应变即可得到卷绕力值。应变式传感器结构在薄钢板卷绕力测量中具有灵敏度高、响应快、结构紧凑等特点，并且可以适应不同尺寸和形状的薄钢板需求。同时也可以与各种测量设备相配合，进行实时数据采集和处理，实现薄钢板卷绕力的精确测量和控制。

设计的卷绕力传感器结构，如图1所示。传感器的弹性体上附着了应变计，并且传感器上方设计了一个支撑孔，用于支撑薄钢板辊筒的转轴。在测量薄钢板卷绕力时，两个传感器为一组，分别安装在辊筒的两端，用支撑孔共同支撑薄钢板辊筒的转轴，然后把卷绕力信号输出到工控仪表，如图2所示。

2卷绕力换算

薄钢板卷轴在卷绕过程中承受着内部和外部的力。内部力主要由卷轴上每层钢板之间的摩擦力以及钢板自身的张力所引起。外部力则来自传动装置产生的张力、重力以及其他工作环境中可能存在的附加力。

过渡辊筒用于引导卷轴的卷绕过程，并且对卷垛的直径和张力进行调节。辊筒通常具有可调节的直径和形状，以实现对薄钢板卷轴的控制。在设计过渡辊筒时，需要合理选择辊筒的直径、距离以及表面材料等参数，以平衡对卷轴的张力分布和力学性能的要求。薄钢板的力学性质也会影响卷轴与辊筒之间的力学关系。例如：钢板的刚度和强度对薄钢板卷轴的形变和应力分布有着重要影响。因此，在研究卷轴与辊筒的力学关系时，需要考虑钢板的材料性质参数并进行合理的计算和模拟。因此薄钢板卷轴与过渡辊筒之间的力学关系涉及多个因素，包括受力分析、辊筒设计和材料力学性质等。在工程实际中，根据具体的应用要求和工作环境，可以通过力学分析、试验以及数值模拟等方法来进行研究和优化设计。在实际测量时，简化后的力学模型如图3所示。

在实际工程应用中，钢板间的摩擦力比较小，计算时可以忽略。考虑到薄钢板卷筒在卷绕薄钢板时，会带动薄钢板匀速运动，薄钢板经过2只传感器支撑的辊筒时，会对辊筒产生竖直方向的压力f，而薄钢板的卷绕力F与上述压力f之间的夹角为θ，这样只需要利用2只传感器测量得到竖直方向的压力f，就可以通过三角函数关系，间接换算出卷绕力F的数值，如公式1所示。

3卷绕力信号处理

本次设计的薄钢板卷绕力传感器采用的是应变式结构，具有高精度和灵敏度的特点。卷绕力传感器输出的信号首先采用模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，采样频率要足够高，以确保准确捕获传感器输出的快速变化。然后对采集到的原始信号进行滤波处理，去除噪声和干扰信号。常用的滤波方法包括低通滤波、中通滤波和带通滤波等，目的是平衡信号的实时性和抗干扰能力。滤波后的信号要进行放大，以便更好地识别和分析应变变化。之后还需要对卷绕力信号进行必要的数据处理和分析，包括幅值计算、频谱分析、时域分析等。数据处理完成后对传感器信号进行校准和校正，以消除测量误差。校准可以通过与已知标准或参考物体的比较来进行，而校正则是通过修正传感器输出信号来实现。最后，将处理后的信号显示在工控仪表的人机界面上，以便用户实时观察和分析。同时，也可以选择将数据保存至数据库或文件中，以备日后查阅和分析。必要时，还可以将数据反馈给卷绕力控制器，对卷绕力进行实时调控，实现闭环控制，处理过程如图4所示。

卷绕力检测过程中，首先启动薄钢板卷筒旋转，然后预设薄钢板的卷绕力阈值，并根据传感器的反馈信号，对卷筒的卷绕力进行实时调控。如果卷绕力接近阈值并保持在一定范围之内，则不需要改变卷筒速度和输出功率；如果传感器反馈的卷绕力偏离阈值较多，则需要立即调整卷筒速度和输出功率，对卷绕力进行调整，并使卷绕力数值保持在阈值附近。卷绕力监控流程如图5所示。

4测量结果与分析

为了验证卷绕力传感器的实际使用效果，将薄钢板卷绕力传感器安装在钢板生产设备上进行了实际测量实验。实验环境温度为25℃，薄钢板的厚度为1.0mm，薄钢板宽度1200mm，辊轴长度1350mm，卷绕力传感器的激励电压为DC5V，灵敏度预调整为2.0mV/V，卷绕力载荷最大加载为2000N，测量数据如表1所示。

从上述测量数据可知，薄钢板卷绕力传感器在25℃的室温环境中，测量误差≤0.2%FS，完全能够满足薄钢板生产过程中，对于卷绕力闭环控制的测量精度要求。当环境温度变化剧烈时，如果传感器输出信号出现漂移，也可以通过增加补偿电阻的方法减小温度对测量精度的影响。

4结论

本次设计的卷绕力检测系统，对于厚度1.0mm、宽度1200mm的薄钢板卷绕力测量，有较高的检测精度，25℃室温环境下的测量误差≤0.2%FS，完全能满足薄钢板生产过程中对卷绕力闭环控制的精度要求。

电阻应变式薄钢板卷绕力传感器的结构简单，制造成本低，安装方便，传统薄钢板生产设备仅需要简单改造就可批量加装该类型传感器，完成产线升级，提高生产效率和产品质量。

参考文献

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