摘要：針對當(dāng)前薄鋼板生產(chǎn)對卷筒卷繞薄鋼板的繞緊力控制有較高要求的實際情況，基于保證產(chǎn)品規(guī)格一致性和平整度的實際需求，設(shè)計了一種繞緊力檢測系統(tǒng)，其能夠應(yīng)用于成品寬度在1m以上的薄鋼板生產(chǎn)設(shè)備，實時測量卷筒繞緊力并反饋給繞緊力控制系統(tǒng)。實際工程應(yīng)用表明：設(shè)計的繞緊力檢測系統(tǒng)檢測精度可以達(dá)到0.2%F.S，能夠滿足薄鋼板自動化生產(chǎn)設(shè)備對繞緊力的檢測要求，并應(yīng)用在多種類型的薄鋼板產(chǎn)線中，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：繞緊力檢測自動化薄鋼板生產(chǎn)電阻傳感器懸臂梁

中圖分類號：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

薄鋼板具有較高的強度和耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、金屬加工、包裝和船舶等行業(yè)。薄鋼板卷繞力傳感器是一種用于測量卷繞過程中的張力的裝置，具有敏感元件來檢測卷繞力的變化[1-2]。薄鋼板卷繞力傳感器主要有兩種類型：一是應(yīng)變片式傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，被廣泛應(yīng)用于紡織、印刷等行業(yè)[3-4]；二是諧振頻率式卷繞力傳感器，通過測量頻率的變化即可得到張力值，這種傳感器具有高精度和穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于金屬加工、電線電纜等領(lǐng)域[5-7]。

由于目前對于薄鋼板卷繞力的檢測還處于起步階段，國內(nèi)外對卷繞力傳感器的研究主要集中在以下方面。

（1）傳感器材料的研發(fā)，通過改變傳感器結(jié)構(gòu)和性能，提高其靈敏度和穩(wěn)定性。例如：使用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料，以實現(xiàn)更高的靈敏度和抗干擾能力[8]。（2）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等方法來優(yōu)化傳感器的輸出，并消除噪聲和干擾[9]。（3）將傳感器應(yīng)用于包裝、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域，并改進(jìn)傳感器的性能以滿足不同行業(yè)的需求[10]。綜上所述，薄鋼板卷繞力傳感器是一類能夠測量卷繞過程中張力的裝置，國內(nèi)外的研究主要集中在傳感器材料、信號處理技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展上。

1薄鋼板卷繞力測量方案

在實際應(yīng)用中，測量薄鋼板卷繞力通常包括以下步驟和方法。

（1）準(zhǔn)備工作。首先，準(zhǔn)備一臺具有適當(dāng)調(diào)節(jié)速度和壓力的設(shè)備，如試驗機、卷繞機或牽引機。（2）標(biāo)定。在開始實際測試之前，需要進(jìn)行標(biāo)定以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。使用已知負(fù)載進(jìn)行標(biāo)定，在不同負(fù)載下測量所需的力值，并記錄數(shù)據(jù)。（3）安裝樣品。將待測薄鋼板樣品正確安裝到測量設(shè)備上，確保其能夠受到均勻的緊固或拉伸力。（4）測試過程。根據(jù)實際需求，可以選擇恒定速度或變速測試。通過增加或減少卷繞或拉伸速度，應(yīng)用適當(dāng)?shù)牧κ贡′摪灏l(fā)生卷曲或伸長變形，并記錄所施加的力值。（5）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)所采集的測試數(shù)據(jù)，分析計算薄鋼板的卷繞力?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)墓交蛩惴▉碛嬎憔砝@力，并將結(jié)果記錄下來。（6）重復(fù)測試。為了增加測試的可靠性和準(zhǔn)確性，可以重復(fù)以上步驟進(jìn)行多次測試，并取平均值以得到更可靠的卷繞力結(jié)果[11]。在執(zhí)行薄鋼板卷繞力測試時，應(yīng)嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，并確保測量設(shè)備和樣品的適當(dāng)性和準(zhǔn)確性。

本次設(shè)計中，綜合考慮檢測成本、安裝方式和測量精度等因素，選用應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行薄鋼板卷繞力測量。應(yīng)變片式傳感器是一種通過測量薄鋼板表面應(yīng)變變化來計算卷繞力的傳感器。它通常是將一個或多個特制的應(yīng)變片直接貼附在特殊設(shè)計的彈性體上，當(dāng)薄鋼板的卷繞力發(fā)生變化時，彈性體也會產(chǎn)生微形變，應(yīng)變片也會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，通過測量這些應(yīng)變即可得到卷繞力值。應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)在薄鋼板卷繞力測量中具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，并且可以適應(yīng)不同尺寸和形狀的薄鋼板需求。同時也可以與各種測量設(shè)備相配合，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和處理，實現(xiàn)薄鋼板卷繞力的精確測量和控制。

設(shè)計的卷繞力傳感器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。傳感器的彈性體上附著了應(yīng)變計，并且傳感器上方設(shè)計了一個支撐孔，用于支撐薄鋼板輥筒的轉(zhuǎn)軸。在測量薄鋼板卷繞力時，兩個傳感器為一組，分別安裝在輥筒的兩端，用支撐孔共同支撐薄鋼板輥筒的轉(zhuǎn)軸，然后把卷繞力信號輸出到工控儀表，如圖2所示。

2卷繞力換算

薄鋼板卷軸在卷繞過程中承受著內(nèi)部和外部的力。內(nèi)部力主要由卷軸上每層鋼板之間的摩擦力以及鋼板自身的張力所引起。外部力則來自傳動裝置產(chǎn)生的張力、重力以及其他工作環(huán)境中可能存在的附加力。

過渡輥筒用于引導(dǎo)卷軸的卷繞過程，并且對卷垛的直徑和張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。輥筒通常具有可調(diào)節(jié)的直徑和形狀，以實現(xiàn)對薄鋼板卷軸的控制。在設(shè)計過渡輥筒時，需要合理選擇輥筒的直徑、距離以及表面材料等參數(shù)，以平衡對卷軸的張力分布和力學(xué)性能的要求。薄鋼板的力學(xué)性質(zhì)也會影響卷軸與輥筒之間的力學(xué)關(guān)系。例如：鋼板的剛度和強度對薄鋼板卷軸的形變和應(yīng)力分布有著重要影響。因此，在研究卷軸與輥筒的力學(xué)關(guān)系時，需要考慮鋼板的材料性質(zhì)參數(shù)并進(jìn)行合理的計算和模擬。因此薄鋼板卷軸與過渡輥筒之間的力學(xué)關(guān)系涉及多個因素，包括受力分析、輥筒設(shè)計和材料力學(xué)性質(zhì)等。在工程實際中，根據(jù)具體的應(yīng)用要求和工作環(huán)境，可以通過力學(xué)分析、試驗以及數(shù)值模擬等方法來進(jìn)行研究和優(yōu)化設(shè)計。在實際測量時，簡化后的力學(xué)模型如圖3所示。

在實際工程應(yīng)用中，鋼板間的摩擦力比較小，計算時可以忽略?？紤]到薄鋼板卷筒在卷繞薄鋼板時，會帶動薄鋼板勻速運動，薄鋼板經(jīng)過2只傳感器支撐的輥筒時，會對輥筒產(chǎn)生豎直方向的壓力f，而薄鋼板的卷繞力F與上述壓力f之間的夾角為θ，這樣只需要利用2只傳感器測量得到豎直方向的壓力f，就可以通過三角函數(shù)關(guān)系，間接換算出卷繞力F的數(shù)值，如公式1所示。

3卷繞力信號處理

本次設(shè)計的薄鋼板卷繞力傳感器采用的是應(yīng)變式結(jié)構(gòu)，具有高精度和靈敏度的特點。卷繞力傳感器輸出的信號首先采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采樣頻率要足夠高，以確保準(zhǔn)確捕獲傳感器輸出的快速變化。然后對采集到的原始信號進(jìn)行濾波處理，去除噪聲和干擾信號。常用的濾波方法包括低通濾波、中通濾波和帶通濾波等，目的是平衡信號的實時性和抗干擾能力。濾波后的信號要進(jìn)行放大，以便更好地識別和分析應(yīng)變變化。之后還需要對卷繞力信號進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理和分析，包括幅值計算、頻譜分析、時域分析等。數(shù)據(jù)處理完成后對傳感器信號進(jìn)行校準(zhǔn)和校正，以消除測量誤差。校準(zhǔn)可以通過與已知標(biāo)準(zhǔn)或參考物體的比較來進(jìn)行，而校正則是通過修正傳感器輸出信號來實現(xiàn)。最后，將處理后的信號顯示在工控儀表的人機界面上，以便用戶實時觀察和分析。同時，也可以選擇將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫或文件中，以備日后查閱和分析。必要時，還可以將數(shù)據(jù)反饋給卷繞力控制器，對卷繞力進(jìn)行實時調(diào)控，實現(xiàn)閉環(huán)控制，處理過程如圖4所示。

卷繞力檢測過程中，首先啟動薄鋼板卷筒旋轉(zhuǎn)，然后預(yù)設(shè)薄鋼板的卷繞力閾值，并根據(jù)傳感器的反饋信號，對卷筒的卷繞力進(jìn)行實時調(diào)控。如果卷繞力接近閾值并保持在一定范圍之內(nèi)，則不需要改變卷筒速度和輸出功率；如果傳感器反饋的卷繞力偏離閾值較多，則需要立即調(diào)整卷筒速度和輸出功率，對卷繞力進(jìn)行調(diào)整，并使卷繞力數(shù)值保持在閾值附近。卷繞力監(jiān)控流程如圖5所示。

4測量結(jié)果與分析

為了驗證卷繞力傳感器的實際使用效果，將薄鋼板卷繞力傳感器安裝在鋼板生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行了實際測量實驗。實驗環(huán)境溫度為25℃，薄鋼板的厚度為1.0mm，薄鋼板寬度1200mm，輥軸長度1350mm，卷繞力傳感器的激勵電壓為DC5V，靈敏度預(yù)調(diào)整為2.0mV/V，卷繞力載荷最大加載為2000N，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

從上述測量數(shù)據(jù)可知，薄鋼板卷繞力傳感器在25℃的室溫環(huán)境中，測量誤差≤0.2%FS，完全能夠滿足薄鋼板生產(chǎn)過程中，對于卷繞力閉環(huán)控制的測量精度要求。當(dāng)環(huán)境溫度變化劇烈時，如果傳感器輸出信號出現(xiàn)漂移，也可以通過增加補償電阻的方法減小溫度對測量精度的影響。

4結(jié)論

本次設(shè)計的卷繞力檢測系統(tǒng)，對于厚度1.0mm、寬度1200mm的薄鋼板卷繞力測量，有較高的檢測精度，25℃室溫環(huán)境下的測量誤差≤0.2%FS，完全能滿足薄鋼板生產(chǎn)過程中對卷繞力閉環(huán)控制的精度要求。

電阻應(yīng)變式薄鋼板卷繞力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，安裝方便，傳統(tǒng)薄鋼板生產(chǎn)設(shè)備僅需要簡單改造就可批量加裝該類型傳感器，完成產(chǎn)線升級，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

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