CN108760126B - 一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置 - Google Patents

一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置，包括工作平台与测力辊模组。该工作平台为XYZ三轴工作平台，控制测力辊模组在空间x、y、z三轴上的移动。所述测力辊模组具有水平转角与竖直位置可调的单辊张力传感器。由此，通过控制测力辊模组接触待测线材，并施加不同强度的压紧力，根据待测线材的待测张力值与压紧力、弯曲位移的函数关系，计算处理得到待测线材的待测张力值大小。本发明在不释放线材张力、不串入线材的情况下，实现对本身运动或不运动的线材的静、动张力的测量。

Description

一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置
技术领域
本发明涉及张力测量领域，具体来说，是一种用于逐根检测线材张力的检测装置。
背景技术
张力是纤维缠绕、纺织、印刷、冶金等领域的重要工业参数。在纸张、纺织品、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带、金属带线材等的生产过程中，张力对产品的质量至关重要。
在线材张力测量方面，普遍做法是基于三点弯曲法的原理，将三滚轮张力传感器串入被测线材中，迫使线材产生三点弯曲的形变，由输出信号和张力一定的数学关系通过计算处理得到被测线材的张力。但是该方法只适用于线材两端不封闭的张力系统，而且线材与张力传感器是一一对应的关系，每个张力传感器只能测取一根线材的张力数值，具有较大的局限性。
实际工业生产中，有时无法将张力传感器串入被测线材中，针对该类线材的张力测量，目前缺乏高效准确的手段。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置，基于单点弯曲法的原理，可以在不串入被测线材、不释放线材张力的情况下，测出本身不运动或运动的线材的静、动张力，同时可以对多根线材进行逐根扫描检测。
本发明一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置，包括工作平台与测力辊模组。其中，工作平台为XYZ三轴工作平台，用来实现z轴上安装的侧立辊模组在空间x、y、z三轴上的移动。测力辊模组具有水平转角与竖直位置可调的单辊张力传感器。
在测量线材张力时，首先，根据待测线材的方向调整单辊张力传感器的方向；然后，将事先测量得到的待测线材坐标值，输入到外部测量控制系统中，由外部测量控制系统控制工作平台按输入的坐标值将单辊张力传感器定位到待测线材下方；并进一步控制使单辊张力传感器逐渐逼近待测线材与之接触并逐渐施加压紧力；若单滑轮张力传感器在压紧力Fi时开始记录第一组数据，此时待测线材中心相对于初始绷紧状态中心位移量为Δyi，待测线材长度伸长为Li，待测线材与初始绷紧状态的夹角为αi，此时待测线材张力大小为Ti。此后控制使单滑轮张力传感器继续上移动，当压紧力到达Fn时，此时待测线材中心相对于初始绷紧状态中心位移量为Δyn，待测线材长度伸长为Ln，待测线材与初始绷紧状态的夹角为αn，此时待测线材张力大小为Tn。在对待测线材施加压紧力的过程中，线材张力值由待测张力值T1变化到Tn，根据待测线材的待测张力值T1与压紧力Fn、弯曲位移Δyn的函数关系T1＝f(Δyn,Fn)，计算处理得到待测线材的待测张力值大小T1：
Figure GDA0002448621030000021
其中，E为线材的弹性模量，d为线材直径，Y为方程
Figure GDA0002448621030000022
的解；式中，Δyni为Δyi与Δyn的差值。
本发明的优点在于：
1.本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置采用模块化设计，可根据实际情况自由置换X/Y/Z轴线性模组、测力辊模组，满足多变的张力测量需要；
2.本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置，可在不释放线材张力、不串入线材的情况下，实现对本身运动或不运动的线材的静、动张力的测量；
3.本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置，实现对多根线材的逐根扫描张力检测，节省测量成本。
附图说明
图1是本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置整体结构示意图；
图2是本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置中x、y、z轴线性模组结构示意图；
图3是本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置中测力辊模组结构示意图；
图4是本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置X-Y轴转接机构示意图；
图5是本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置Y-Z轴转接机构示意图；
图6是本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置测量线材张力示意图。
图1：
1-工作平台 2-测力辊模组 101-X轴线性模组
102-Y轴线性模组 103-Z轴线性模组 104-X-Y轴转接机构
104a-台座 105-Y-Z轴转接机构 201-连接板
202-测力辊支座 203-锁紧螺钉 204-旋转轴
205-单辊张力传感器 a-直线运动单元 b-伺服电机
c-滑动盖 d-外置感应片 e-光电开关
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明基于单点弯曲法的线材张力测量装置，包括工作平台1与测力辊模组2，如图1所示。
所述工作平台1为XYZ三轴工作平台，包括X轴线性模组101、Y轴线性模组102与Z轴线性模组103、X-Y轴转接机构104与Y-Z轴转接机构105。
其中，X轴线性模组101、Y轴线性模组102与Z轴线性模组103结构相同，采用相同型号，包括直线运动单元a、伺服电机b、滑动盖c、外置感应片d与光电开关e，如图2所示。其中，直线运动单元a内置有滚珠丝杠，滚珠丝杠的丝杠由轴承座支撑，一端与驱动电机b输出轴同轴相连，由驱动电机b驱动转动。滚珠丝杠的螺母上安装有滑动盖c，由滚珠丝杠转动带动滑动盖c沿滚珠丝杠轴向移动；且滑动盖c两侧置于直线单元a两侧导向槽内，由导向槽实现滑动盖c的移动导向。直线导轨外侧壁上开有T型槽，T型槽内部安装有光电开关e；同时，同侧的滑动盖c壁面上安装有外置感应片d；通过光电开关e与外置感应片d配合，实现滑动盖c的滑动限位。上述滑动盖c与直线运动单元a内置的拉线位移传感器相连，实现滑动盖c的滑动位移测量。
所述X轴线性模组101为两条，左右设置。两个X轴线性模组101上的滑动盖c上安装有X-Y轴转接结构104。Y轴线性模组102两端分别与两条x轴线性模组101上的X-Y轴转接机构104固定。Y轴线性模组102上的滑动盖c上安装有Y-Z轴转接机构105。Z轴线性模组103与Y轴线性模组102上的Y-Z轴转接机构105固定。测力辊模组2与Z轴线性模组103上的滑动盖c固定。由此，通过工作平台1，可实现测力辊模组2在空间X、Y、Z三轴上的移动控制，且通过各轴线性模组上的光电开关e与外置感应片d配合，实现测力辊模组2在空间X、Y、Z三轴上的移动限位。
上述X-Y轴转接结构104为板状结构，垂直于X轴设置，外端下侧设计有台座104a，固定于X轴线性模组101的滑动盖c上，实现X-Y轴转接结构104的固定；X-Y轴转接结构104侧壁上设计有安装孔，用来与Y轴线性模组102端部通过螺栓固定，如图4所示。Y-Z轴转接机构105同样为板状结构，垂直于x轴设置，侧壁上设计有安装孔，用来与Z轴线性模组103上的滑动盖c固定，如图5所示。通过X-Y轴转接结构104与Y-Z轴转接机构105便于Y轴线性模组101与Z轴线性模组103的安装，且起到加固工作平台1的作用。
所述测力辊模组2，包括连接板201、测力辊支座202、锁紧螺钉203、旋转轴204和单辊张力传感器205，如图3所示。其中，连接板201为T型结构，一侧面竖直设置，与z轴滑动盖c固定，另一侧面水平，其上固定安装测力辊支座202。旋转轴204竖直插入测力辊支座202上设计的竖直通道内，其顶端安装有单辊张力传感器205；通过旋转轴204沿竖直通道移动，实现单辊张力传感器205高度调节；且转动旋转轴204可带动单辊张力传感器205水平转动，实现单辊张力传感器205测量角度的调节，以适应不同方向的线材张力测量需要。测力辊支座202上还设计有水平通道；水平通道与竖直通道连通，且内部设计为内螺纹，用来与锁紧螺钉203的外螺纹配合，实现两者间的螺纹连接。由此在单辊张力传感器205高度及测量角度调节完毕后，拧紧锁紧螺钉203，将旋转轴204固定，进而实现单辊张力传感器205的固定。
本发明线材张力测量装置，测量线材张力时，首先，根据待测线材的方向调整单辊张力传感器205的方向。然后，将事先测量得到的待测线材坐标值，输入到外部测量控制系统中，由外部测量控制系统控制工作平台1按输入的坐标值将单辊张力传感器205定位到待测线材下方；并进一步控制Z轴线性模组103，使单辊张力传感器205逐渐逼近待测线材与之接触，单辊张力传感器205到达位置Oi时，单辊张力传感器205对待测线材施加压紧力大小为Fi；此时待测线材中心相对于待测线材初始绷紧状态中心位移量为Δyi，待测线材长度伸长为Li，待测线材与待测线材初始绷紧状态的夹角为αi，此时待测线材张力大小为Ti。此后控制使单滑轮张力传感器继续上移动到达位置On时，单辊张力传感器205对待测线材施加压紧力大小为Fn；此时待测线材中心相对于待测线材初始绷紧状态中心位移量为Δyn，待测线材长度伸长为Ln，待测线材与待测线材初始绷紧状态的夹角为αn，此时待测线材张力大小为Tn。在对待测线材施加压紧力的过程中，待测线材张力值由初始紧绷状态待测张力值T1变化到Tn，根据待测线材的待测张力值T1与压紧力Fn、弯曲位移Δyn的函数关系T1＝f(Δyn,Fn)，计算处理得到待测线材的待测张力值大小T1：
Figure GDA0002448621030000041
其中，E为线材的弹性模量，d为线材直径，Y为方程，
Figure GDA0002448621030000042
Figure GDA0002448621030000043
的解。式中，Δyni为Δyi与Δyn的差值。
最后，伺服电机带动单辊张力传感器205逐渐脱离与待测线材的接触，使待测线材重新恢复到原始状态，测量结束。当需要测量下一根线材时，重复上述步骤即可完成测量。当给定一连串线材的坐标值时，可由本发明线材张力测量装置逐根扫描检测，节省测量成本。

Claims (2)

1.一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置，其特征在于：包括工作平台与测力辊模组；
所述工作平台为XYZ三轴工作平台，用来实现z轴上安装的侧立辊模组在空间x、y、z三轴上的移动；测力辊模组具有水平转角与竖直位置可调的单辊张力传感器；
工作平台包括X轴线性模组、Y轴线性模组与Z轴线性模组；其中，X轴线性模组为两条，左右设置；Y轴线性模组两端分别通过X-Y轴转接机构安装于两条X轴线性模组中导轨上的滑动盖上；Z轴线性模组通过Y-Z轴转接机构安装于Y轴线性模组中导轨上的滑动盖上；测力辊模组通过连接板安装与Z轴性模组中导轨上的滑动盖上；
上述X轴线性模组、Y轴线性模组与Z轴线性模组，三者结构相同，包括直线运动单元、伺服电机、滑动盖、外置感应片与光电开关；其中，直线运动单元内置有滚珠丝杠，滚珠丝杠的丝杠由轴承座支撑，一端与驱动电机输出轴同轴相连，由驱动电机驱动转动；滚珠丝杠的螺母上安装有滑动盖，由滚珠丝杠转动带动滑动盖沿滚珠丝杠轴向移动；直线导轨外侧壁上安装有光电开关；同时，同侧的滑动盖壁面上安装有外置感应片；通过光电开关与外置感应片配合，实现滑动盖的滑动限位；
上述滑动盖与直线运动单元内置的拉线位移传感器相连，实现滑动盖的滑动位移测量；
单辊张力传感器安装于旋转轴顶端，旋转轴竖直插入测力辊支座上设计的竖直通道内，通过旋转轴沿竖直通道移动，实现单辊张力传感器高度调节，且旋转轴的转动实现单辊张力传感器水平转角的调节；测力辊支座上还设计有水平通道；水平通道与竖直通道连通，且内部设计为内螺纹，用来与锁紧螺钉的外螺纹配合，实现两者间的螺纹连接；通过拧紧锁紧螺钉，将旋转轴固定，实现单辊张力传感器的固定。
2.如权利要求1所述一种基于单点弯曲法的线材张力测量装置，其特征在于：测量线材张力时，首先，根据待测线材的方向调整单辊张力传感器的方向；然后，将事先测量得到的待测线材坐标值，输入到外部测量控制系统中，由外部测量控制系统控制工作平台按输入的坐标值将单辊张力传感器定位到待测线材下方；并进一步控制使单辊张力传感器逐渐逼近待测线材与之接触并逐渐施加压紧力；若单滑轮张力传感器在压紧力Fi时开始记录第一组数据，此时待测线材中心相对于初始绷紧状态中心位移量为Δyi，待测线材长度伸长为Li，待测线材与初始绷紧状态的夹角为αi，此时待测线材张力大小为Ti； 此后控制使单滑轮张力传感器继续上移动，当压紧力到达Fn时，此时待测线材中心相对于初始绷紧状态中心位移量为Δyn，待测线材长度伸长为Ln，待测线材与初始绷紧状态的夹角为αn，此时待测线材张力大小为Tn；在对待测线材施加压紧力的过程中，线材张力值由待测张力值T1变化到Tn，根据待测线材的待测张力值T1与压紧力Fn、弯曲位移Δyn的函数关系T1＝f(Δyn,Fn)，计算处理得到待测线材的待测张力值大小T1：
Figure FDA0002448621020000021
其中，E为线材的弹性模量，d为线材直径，Y为方程
Figure FDA0002448621020000022
的解；式中，Δyni为Δyi与Δyn的差值。
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