薄鋼板卷筒繞緊力檢測系統設計

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

關鍵詞：繞緊力檢測自動化薄鋼板生產電阻傳感器懸臂梁

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，被廣泛應用于汽車工業、金屬加工、包裝和船舶等行業。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：一是應變片式傳感器，這種傳感器結構簡單、響應速度快，被廣泛應用于紡織、印刷等行業[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定性，主要應用于金屬加工、電線電纜等領域[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，通過改變傳感器結構和性能，提高其靈敏度和穩定性。例如：使用復合材料代替傳統的金屬材料，以實現更高的靈敏度和抗干擾能力[8]。（2）利用神經網絡、模糊理論等方法來優化傳感器的輸出，并消除噪聲和干擾[9]。（3）將傳感器應用于包裝、電子、醫療等領域，并改進傳感器的性能以滿足不同行業的需求[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，國內外的研究主要集中在傳感器材料、信號處理技術和應用領域的拓展上。

1薄鋼板卷繞力測量方案

在實際應用中，測量薄鋼板卷繞力通常包括以下步驟和方法。

（1）準備工作。首先，準備一臺具有適當調節速度和壓力的設備，如試驗機、卷繞機或牽引機。（2）標定。在開始實際測試之前，需要進行標定以確保測量結果的準確性和可靠性。使用已知負載進行標定，在不同負載下測量所需的力值，并記錄數據。（3）安裝樣品。將待測薄鋼板樣品正確安裝到測量設備上，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，應用適當的力使薄鋼板發生卷曲或伸長變形，并記錄所施加的力值。（5）數據處理。根據所采集的測試數據，分析計算薄鋼板的卷繞力。可以使用適當的公式或算法來計算卷繞力，并將結果記錄下來。（6）重復測試。為了增加測試的可靠性和準確性，可以重復以上步驟進行多次測試，并取平均值以得到更可靠的卷繞力結果[11]。在執行薄鋼板卷繞力測試時，應嚴格遵守安全操作規程，并確保測量設備和樣品的適當性和準確性。

本次設計中，綜合考慮檢測成本、安裝方式和測量精度等因素，選用應變式傳感器結構進行薄鋼板卷繞力測量。應變片式傳感器是一種通過測量薄鋼板表面應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變片直接貼附在特殊設計的彈性體上，當薄鋼板的卷繞力發生變化時，彈性體也會產生微形變，應變片也會產生相應的應變，通過測量這些應變即可得到卷繞力值。應變式傳感器結構在薄鋼板卷繞力測量中具有靈敏度高、響應快、結構緊湊等特點，并且可以適應不同尺寸和形狀的薄鋼板需求。同時也可以與各種測量設備相配合，進行實時數據采集和處理，實現薄鋼板卷繞力的精確測量和控制。

設計的卷繞力傳感器結構，如圖1所示。傳感器的彈性體上附著了應變計，并且傳感器上方設計了一個支撐孔，用于支撐薄鋼板輥筒的轉軸。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部和外部的力。內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生的張力、重力以及其他工作環境中可能存在的附加力。

過渡輥筒用于引導卷軸的卷繞過程，并且對卷垛的直徑和張力進行調節。輥筒通常具有可調節的直徑和形狀，以實現對薄鋼板卷軸的控制。在設計過渡輥筒時，需要合理選擇輥筒的直徑、距離以及表面材料等參數，以平衡對卷軸的張力分布和力學性能的要求。薄鋼板的力學性質也會影響卷軸與輥筒之間的力學關系。例如：鋼板的剛度和強度對薄鋼板卷軸的形變和應力分布有著重要影響。因此，在研究卷軸與輥筒的力學關系時，需要考慮鋼板的材料性質參數并進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關系涉及多個因素，包括受力分析、輥筒設計和材料力學性質等。在工程實際中，根據具體的應用要求和工作環境，可以通過力學分析、試驗以及數值模擬等方法來進行研究和優化設計。在實際測量時，簡化后的力學模型如圖3所示。

在實際工程應用中，鋼板間的摩擦力比較小，計算時可以忽略。考慮到薄鋼板卷筒在卷繞薄鋼板時，會帶動薄鋼板勻速運動，薄鋼板經過2只傳感器支撐的輥筒時，會對輥筒產生豎直方向的壓力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關系，間接換算出卷繞力F的數值，如公式1所示。

3卷繞力信號處理

本次設計的薄鋼板卷繞力傳感器采用的是應變式結構，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轉換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，采樣頻率要足夠高，以確保準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。濾波后的信號要進行放大，以便更好地識別和分析應變變化。之后還需要對卷繞力信號進行必要的數據處理和分析，包括幅值計算、頻譜分析、時域分析等。數據處理完成后對傳感器信號進行校準和校正，以消除測量誤差。校準可以通過與已知標準或參考物體的比較來進行，而校正則是通過修正傳感器輸出信號來實現。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，也可以選擇將數據保存至數據庫或文件中，以備日后查閱和分析。必要時，還可以將數據反饋給卷繞力控制器，對卷繞力進行實時調控，實現閉環控制，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，然后預設薄鋼板的卷繞力閾值，并根據傳感器的反饋信號，對卷筒的卷繞力進行實時調控。如果卷繞力接近閾值并保持在一定范圍之內，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，則需要立即調整卷筒速度和輸出功率，對卷繞力進行調整，并使卷繞力數值保持在閾值附近。卷繞力監控流程如圖5所示。

4測量結果與分析

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設備上進行了實際測量實驗。實驗環境溫度為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，靈敏度預調整為2.0mV/V，卷繞力載荷最大加載為2000N，測量數據如表1所示。

從上述測量數據可知，薄鋼板卷繞力傳感器在25℃的室溫環境中，測量誤差≤0.2%FS，完全能夠滿足薄鋼板生產過程中，對于卷繞力閉環控制的測量精度要求。當環境溫度變化劇烈時，如果傳感器輸出信號出現漂移，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結論

本次設計的卷繞力檢測系統，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℃室溫環境下的測量誤差≤0.2%FS，完全能滿足薄鋼板生產過程中對卷繞力閉環控制的精度要求。

電阻應變式薄鋼板卷繞力傳感器的結構簡單，制造成本低，安裝方便，傳統薄鋼板生產設備僅需要簡單改造就可批量加裝該類型傳感器，完成產線升級，提高生產效率和產品質量。

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