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张力控制系统
卷材张力控制系统设计是卷材设备设计的重要内容之一，具体包括卷材张力的评估，张力传感器、控制器、执行机构（磁粉刹车、磁粉离合器、电机等）的计算与选型，过料辊的选择及布局设计等内容。
01
卷材张力的评估
材料张力是指材料在外力的作用下抵抗形变的能力，是材料自身固有的物理性质，通俗地说，就是材料的强度和韧性。卷材设备中卷材的张力主要和卷材的材质、厚度、幅宽、以及具体的工艺过程（例如分切、复合、印刷等）有关，一般称之为目标张力。
目标张力目的是使卷材在运行过程中不紧不松，符合加工工艺的要求。对于不熟悉的卷材也可以通过简单的测试，获取目标张力的基本范围。简易方法包含以下两种：一是砝码悬挂法；二是张力测量法。
砝码悬挂法
砝码悬挂法的操作步骤如下图所示：卷材一端固定，经过一根过料辊后向下，另一端悬挂砝码。尝试不同重量的砝码，使材料充分展平有一定的绷紧度，此时的砝码重量就是卷材的目标张力。
注：没有砝码时，也可用已知重量的重物替代。
张力测量法
张力测量法的操作步骤如下图所示：在张力传感器上面加装张力辊，与进料辊和出料辊构成一个近似的等腰三角形，并使得张力辊上的包角等于60°。此时，张力传感器检测到的压力等于材料的张力，用手拉紧卷材，感觉松紧合适时，读取张力传感器示值，即得到材料的目标张力。
当卷材较宽不易操作时，可裁剪成较窄的一条材料，例如原有宽度的1/2，则目标张力应为检测张力的2倍。
根据经验列举部分材料的目标张力供参考：
♦ 0.25米宽的100克的纸张，目标张力的参考值为10~15kg(100~150N）
♦ 0.25米宽制作口罩外层的无纺布，目标张力的参考值为0.5~1.0kg(5~10N）
♦ 0.25米宽，厚度为10微米的铜箔，目标张力的参考值为1.5~2.5kg(15~25N）
02
磁粉刹车的选择
在张力恒定的前提下，卷径越大，需要提供的刹车扭矩越大。磁粉刹车的主要指标包括额定扭矩（单位Nm或Kgm）和额定电流。
卷材所需的最大扭矩计算如下：
最大扭矩=目标张力（N）X最大卷径（m）/2
例如：已知目标张力为40N，最大卷径为1.0m，则最大扭矩需求为20Nm。一般情况下，采用的磁粉刹车的额定扭矩是材料最大需求扭矩的1.2~2倍左右较为合适，因此可选用额定扭矩为24~40Nm的磁粉刹车。过大或过小的磁粉刹车均对张力控制不利。
选用磁粉刹车时还应考虑额定电流，尽量保持和张力系统内置驱动电流一致。
另外，也需要考虑最小卷径时的情况。例如：选定的磁粉刹车额定扭矩为25Nm，额定电流为1.0A，料卷桶芯外径96mm，目标张力为40N，可计算得到最小扭矩为：
最小扭矩=40x0.096/2Nm=1.92Nm
进一步计算得到：
最小电流=1.92x1.0/25A=0.08A
从上图磁粉刹车的扭矩-电流曲线图可以看出，大电流和小电流这两端，磁粉刹车工作在非线性区，所以当料卷非常小时，张力控制效果一般较差。
磁粉离合器的选型和磁粉刹车类似，但是磁粉离合器需要配置电机，电机的转矩等指标也需要进行计算评估选型。
03
电机的选择
卷材设备中，一般需要主轴电机（牵引电机）；放卷可以选用磁粉刹车被动放卷，也可以采用伺服电机主动放卷；收卷可以选用磁分离合器加配普通电机，也可以采用伺服电机。
电机额定转矩的大小主要考虑卷材张力和卷料直径等因素，即主要考虑放料卷和收料卷的最大扭矩，其基本方法和磁粉刹车额定扭矩的计算评估方法基本一致。
电机的选型除了考虑张力因素外，还需要考虑其它性能，例如最高转速，加速度等。
04
过料辊的选择与布局
过料辊是卷材设备必不可少的部件。由于存在摩擦力的原因，卷材每经过一根过料辊都会产生一定张力（以下简称为：摩擦张力）。摩擦张力的大小与辊径/轴径比，以及过料辊布局等因素均有一定关系。
辊径/轴径比越大，即在辊比较粗，轴比较细的情况下，辊转动更容易，由此产生的摩擦张力比较小。当辊加粗时应采用较轻的辊筒，否则由于惯性的作用，在材料运动突然启停时反而易造成张力的波动。
过料辊布局对卷材张力来说，主要考虑包角对张力的影响，包角越大，产生摩擦张力越大，因此辊的布局需要结合设备结构和张力控制等因素综合考虑。
另外，辊的跳动量，辊和辊之间的平行度等因素也会对张力控制产生较大的影响。当卷材张力周期性波动时，首先应检查辊跳动，辊和辊不平行等机械原因
包角小，产生的摩擦张力小
包角大，产生的摩擦张力较大
目标张力的设置值应大于该段材料的摩擦张力一定值，否则进行自动张力控制器，磁粉刹车等执行机构将不起作用，无法达到恒张力控制的目的。
05
张力传感器的选型
张力传感器结构上包括枕式、盘式、悬臂式等形式，其中枕式可单个或配对使用，盘式必须成对使用，悬臂式只能单个使用。
张力传感器的基本原理是：在受到外力作用时，传感器内部的敏感体发生微小的机械形变，从而引起电阻或电感的变化，进而产生电信号的变化实现测量。由于敏感体的形变有一定的范围，超过限值后易引起损坏，因此张力传感器需要按量程选用。
张力传感器量程的选择主要考虑以下几点：一是卷材的目标张力；二是张力辊包角；三是张力辊的重量。
安全的张力传感器的量程可以按照以下公式来计算：单张力传感器的量程 = 安全系数 x（张力辊的重量 + 材料目标张力 x2） / 通道张力传感器个数
例如：张力辊的重量为20Kg，目标张力为8kg，安全系数取1.5，通道张力传感器个数为2，则按照上述公式，计算得到张力传感器的选用量程为27kg，可以视情选用量程为30kg的张力传感器。
