法蘭式張力傳感器的應(yīng)用介紹

沈力

深圳市鑫精誠(chéng)科技有限公司，深圳 518115

0 前言

張力控制器主要被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控帶狀材料、布狀材料、條狀材料和線狀材料在生產(chǎn)過(guò)程中的張力大小情況。這些材料在放卷和收卷過(guò)程中，它們的卷徑會(huì)不斷地發(fā)生變化，另外，由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性不一致，所以極易導(dǎo)致卷材張力過(guò)緊或松弛等現(xiàn)象[1]。如果卷材的張力過(guò)大，會(huì)造成加工材料發(fā)生拉伸變形，甚至斷裂；如果張力過(guò)小，就會(huì)使卷材缺少繃緊力，從而造成收卷不整齊，導(dǎo)致出現(xiàn)收卷后的卷材厚度不均、松弛、褶皺等質(zhì)量隱患，因此，對(duì)于張力的控制就成為高精度卷繞系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)[2-3]。

早期的張力控制是靠檢測(cè)電機(jī)的電流來(lái)標(biāo)定測(cè)量張力力值，從而進(jìn)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(shí)時(shí)地對(duì)卷材厚度和卷材材料以及卷繞速度進(jìn)行張力值補(bǔ)償，控制難度非常大且效果不好。目前，越來(lái)越多的廠家采用電阻應(yīng)變式的張力傳感器（以下簡(jiǎn)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(jiǎn)單方便、輸出信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使得閉環(huán)控制變得比較簡(jiǎn)單，易操作。

目前，高端的張力傳感器大多數(shù)是國(guó)外品牌，比如：美塞斯、蒙特福、E+L、FMS等，他們對(duì)于張力傳感器的研究較早，積累的測(cè)試數(shù)據(jù)量大，所以有著較大的市場(chǎng)占有量。最近，隨著國(guó)內(nèi)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(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的國(guó)外品牌傳感器已經(jīng)慢慢被國(guó)內(nèi)產(chǎn)品所替代，同時(shí)，也有大量的創(chuàng)新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)被國(guó)內(nèi)廠家所申請(qǐng)。

目前，市場(chǎng)上的張力傳感器按安裝方式可以分為單側(cè)安裝和雙側(cè)安裝兩大類。按傳感器自身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)幾乎涵蓋了所有的張力測(cè)量類型[1]。本文將著重介紹兩種雙側(cè)安裝的法蘭式張力傳感器的主要結(jié)構(gòu)及區(qū)別、彈性體設(shè)計(jì)方法、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)和安裝注意事項(xiàng)。

1 法蘭式張力傳感器介紹

法蘭式張力傳感器一般成對(duì)地被安裝在測(cè)量輥的左右兩末端，可以精確地檢測(cè)各種包裹角度拉動(dòng)材料所產(chǎn)生的合力。傳感器按對(duì)輥筒軸的不同被固支的方式可分為C型塊固支結(jié)構(gòu)和調(diào)心球軸承固支結(jié)構(gòu)兩種。

1.1 C型塊固支結(jié)構(gòu)

傳感器與輥筒軸之間用C型塊固支，用螺釘進(jìn)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(jié)構(gòu)的輥筒自帶滾動(dòng)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(cè)，因?yàn)榇嬖诎惭b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(dǎo)致傳感器在實(shí)際的安裝過(guò)程中容易產(chǎn)生機(jī)械別死和安裝不水平等問(wèn)題，從而導(dǎo)致傳感器安裝后產(chǎn)生零點(diǎn)變大、不回零，甚至過(guò)載損壞等問(wèn)題，對(duì)傳感器的精確測(cè)量造成影響。針對(duì)這些問(wèn)題，該傳感器在內(nèi)部設(shè)計(jì)了調(diào)心球軸承結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

通過(guò)設(shè)計(jì)銷釘和轉(zhuǎn)動(dòng)孔等結(jié)構(gòu)，對(duì)調(diào)心球軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行限制，確保其只能有±3°左右的擺動(dòng)，既不影響傳感器的實(shí)際使用，又能解決機(jī)械誤差帶來(lái)的各種安裝問(wèn)題。

1.2 調(diào)心球軸承固支結(jié)構(gòu)

圖3所示為調(diào)心球軸承固支結(jié)構(gòu)的傳感器，該傳感器的末端自帶調(diào)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(cè)，由于此傳感器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在了滾動(dòng)軸承，所以可以簡(jiǎn)化客戶的輥筒和中心軸的結(jié)構(gòu)，省去它們之間安裝的軸承。此外，滾動(dòng)軸承采用的是調(diào)心球軸承，該調(diào)心球軸承也可以補(bǔ)償由于安裝導(dǎo)致的機(jī)械誤差。

2 傳感器彈性體的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

上文介紹的兩款不同結(jié)構(gòu)的張力傳感器，無(wú)論是C型塊固支結(jié)構(gòu)還是調(diào)心球軸承固支結(jié)構(gòu)，只是在傳感器的安裝方式、固支結(jié)構(gòu)、對(duì)于滾筒要求等外部結(jié)構(gòu)有所不同，而對(duì)于傳感器內(nèi)部的關(guān)鍵核心部件——彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理都是類似的。

彈性體設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下的通用原則：應(yīng)變區(qū)受力單一，且應(yīng)力分布均勻；承載邊界及安裝力不影響應(yīng)變區(qū)的應(yīng)力分布；粘貼應(yīng)變計(jì)處應(yīng)開(kāi)敞，盡量為平面，便于設(shè)計(jì)保護(hù)外殼或進(jìn)行防潮密封[4]。

綜合考慮傳感器的安裝結(jié)構(gòu)和使用方式，設(shè)計(jì)彈性體的整體結(jié)構(gòu)為四孔型對(duì)稱式平行梁結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)是由上下兩個(gè)對(duì)稱的橫梁構(gòu)成的一個(gè)整體，左右和上下對(duì)稱的去除4個(gè)小圓柱，形成4個(gè)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(jié)構(gòu)的電阻應(yīng)變片粘貼數(shù)量為4片，粘貼的位置在4個(gè)圓孔和上下橫梁之間的壁厚最薄處，從而確保了應(yīng)變片被粘貼在整個(gè)彈性體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置。

四孔型對(duì)稱式平行梁結(jié)構(gòu)屬于稱重傳感器彈性體里一種非常經(jīng)典的高精度結(jié)構(gòu)，它屬于彎曲應(yīng)力的正應(yīng)力稱重傳感器結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也具有切應(yīng)力傳感器的一些特點(diǎn)，所以該結(jié)構(gòu)的彈性體具有如下特點(diǎn)：整體各項(xiàng)性能好、精度高、抗偏載能力強(qiáng)、輸出信號(hào)大、信號(hào)輸出對(duì)于加載點(diǎn)的位置變化不敏感、傳感器制作工藝簡(jiǎn)單、易操作等。

2.2 彈性體的有限元分析

對(duì)彈性體用Solidworks軟件進(jìn)行3D建模，并用其自帶的Simulation模塊進(jìn)行靜力學(xué)的有限元分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性與可行性。

（1）選擇編輯應(yīng)用合適的材料，因?yàn)樵擃愋偷膫鞲衅髁砍瘫容^小，所以選用鋁合金材料。牌號(hào)為2A12-T6的材料常被用在鋁合金傳感器上，該種材料為高強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用及受力情況對(duì)彈性體進(jìn)行固支和加載相應(yīng)的力值；

（3）對(duì)彈性體進(jìn)行網(wǎng)格化處理，對(duì)應(yīng)變片的粘貼面和其他關(guān)鍵位置進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化處理，處理后的彈性體如圖5所示；

（4）對(duì)彈性體模型進(jìn)行計(jì)算處理，得到彈性體在最大量程下沿著長(zhǎng)度方向的法向應(yīng)變?cè)茍D，如圖6所示。

從應(yīng)變?cè)茍D結(jié)果可知，彈性體最大應(yīng)變處出現(xiàn)在設(shè)計(jì)粘貼應(yīng)變片的位置，即4個(gè)圓孔和上下橫梁之間的壁厚最薄處。此4處位置的應(yīng)變集中，最大應(yīng)變值可以滿足傳感器的信號(hào)大小要求，且在強(qiáng)度上預(yù)留有足夠的防過(guò)載余量，貼片區(qū)域的應(yīng)變均勻，可以滿足制作高精度傳感器的受力要求。

（5）對(duì)貼片橫梁上的所有節(jié)點(diǎn)沿著長(zhǎng)度方向的法向應(yīng)變進(jìn)行探測(cè)，每間隔0.2 mm取一個(gè)點(diǎn)形成圖解，如圖7所示。

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

3 傳感器其他設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

3.1 軸向緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在傳感器的實(shí)際安裝過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)存在員工裝配輥輪軸的時(shí)候用力過(guò)大的情況；其次，由于尺寸公差的原因，導(dǎo)致傳感器在安裝完成后也可能會(huì)承受軸向力；另外，在使用過(guò)程中，被卷材料也會(huì)傳遞一些不規(guī)律的軸向力，以上3種情況都會(huì)導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)異常、輸出信號(hào)波動(dòng)不穩(wěn)定，甚至過(guò)載損壞等問(wèn)題，所以對(duì)傳感器設(shè)計(jì)軸向緩沖結(jié)構(gòu)就非常有必要。

目前，國(guó)外比較常見(jiàn)的方法是使用波型墊圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)傳感器受到軸向力后會(huì)導(dǎo)致波型墊圈發(fā)生一定變形，從而緩沖了部分的軸向力，當(dāng)軸向力消失后，波型墊圈自動(dòng)恢復(fù)到之前的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸向力的緩沖。

但在波型墊圈受軸向力變形后，實(shí)際傳感器還是受到了軸向力，傳感器的零點(diǎn)數(shù)據(jù)還是可能會(huì)發(fā)生變化，基于此不足，筆者在采用波型墊圈的同時(shí)，還在彈性體上采用U型柔性隔離槽的新型結(jié)構(gòu)來(lái)做軸向緩沖，從而進(jìn)一步減少軸向力對(duì)傳感器信號(hào)和精度的影響。

3.2 避空隔離槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備的安裝面往往會(huì)存在粗糙度或者平整度的問(wèn)題，從而導(dǎo)致傳感器安裝后零點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖8所示。

在傳感器的底面上設(shè)計(jì)了一個(gè)沉孔做為隔離槽，在設(shè)計(jì)該隔離槽時(shí)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(shè)計(jì)可以使小于該直徑的安裝面粗糙度問(wèn)題被該隔離槽隔離去除，而大于該直徑的粗糙度問(wèn)題并不會(huì)對(duì)傳感器的零點(diǎn)造成影響。該種方法已經(jīng)申請(qǐng)了專利保護(hù)，申請(qǐng)?zhí)枮?02022302451.4。

3.3 分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)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(gè)整體結(jié)構(gòu)，即單個(gè)規(guī)格的傳感器只能適用安裝一種型號(hào)的軸承，導(dǎo)致傳感器的通用性差，如果設(shè)備需要更改不同軸徑的滾筒，就需要重新非標(biāo)定制新的傳感器，這樣增加了生產(chǎn)成本，也降低了替換的效率。

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

這樣，針對(duì)不同軸徑的張力輥，只需單獨(dú)生產(chǎn)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(chǎn)非標(biāo)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(shí)間，也避免了經(jīng)常拆裝而導(dǎo)致的傳感器損壞。該種方法已經(jīng)申請(qǐng)了專利保護(hù)，申請(qǐng)?zhí)枮?202022302410.5。

3.4 防過(guò)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵O(shè)備再啟動(dòng)的瞬間會(huì)有一個(gè)比較大的慣性力，所以對(duì)傳感器的防過(guò)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，尤其對(duì)于小量程的傳感器，在安裝調(diào)試的過(guò)程中非常容易被過(guò)載損壞，所以在傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)防過(guò)載結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。

目前，市場(chǎng)上大多數(shù)平行梁結(jié)構(gòu)的傳感器其防過(guò)載結(jié)構(gòu)都是從外嵌入一個(gè)小圓柱體，或者外置一個(gè)防過(guò)載螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)防過(guò)載設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)造成裝配和加工難度都很大。

筆者根據(jù)以上不足設(shè)計(jì)的線切割防過(guò)載槽結(jié)構(gòu)，無(wú)論是在加工還是裝配上都更為簡(jiǎn)單，線割槽的位置和結(jié)構(gòu)如圖4所示，該種結(jié)構(gòu)的防過(guò)載原理是當(dāng)傳感器的受力超過(guò)額定載荷后，線割槽的縫隙之間就減小到零，縫隙面上下會(huì)頂住，從而阻止彈性體變形而達(dá)到防過(guò)載的目的[5]。該種防過(guò)載的方法已經(jīng)申請(qǐng)了專利保護(hù)，申請(qǐng)?zhí)枮?02011103174.2。

4 安裝注意事項(xiàng)

（1）對(duì)于調(diào)心球軸承固支結(jié)構(gòu)的傳感器，在安裝時(shí)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(tái)階等方式進(jìn)行止動(dòng)固定，另一端需是活動(dòng)式的，不需要加軸承擋圈或臺(tái)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(shí)應(yīng)避免軸與防塵油封產(chǎn)生摩擦，從而帶入摩擦力值，影響測(cè)量精度；

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

（4）輥輪自身重量不超過(guò)傳感器滿量程的60%；

（5）確保被測(cè)材料通過(guò)傳感器后產(chǎn)生的包絡(luò)夾角值在30°～180°之間[1]。

5 傳感器的受力計(jì)算

被測(cè)輥輪和導(dǎo)向輪之間的排列方式有以下三種，其傳感器的受力計(jì)算方法各不相同。

排列方式一如圖11所示，當(dāng)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(cè)受力；

T——張力；

α——包絡(luò)夾角（30°≤α≤180°）。

排列方式二如圖12所示，當(dāng)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(cè)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(dāng)張力的合力方向在第一或第二象限：

6 結(jié)論

法蘭式張力傳感器一般常被應(yīng)用于寬幅材料加工過(guò)程中，尤其是在超寬幅的材料加工中有很好的應(yīng)用，另外，在一些窄幅的材料加工中也有應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)的傳感器有安裝替換方便、測(cè)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(jié)構(gòu)低等特點(diǎn)，所以，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為張力傳感器里應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)之一。