CN116424929A - 一种纸张收放料张力稳定控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纸张收放料张力稳定控制装置及方法，方法包括：获取进料过程中摆臂角速度时域信号；将所述摆臂角速度时域信号代入预设的摆臂角速度、伸缩缸推力与纸张张力的关系式，得到伸缩缸推力；根据预设的纸张张力波动范围，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿。本发明能消除纸张抖动，使得收料机构能够顺利收料，提升打印产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及机械设备自动化控制领域，更具体地，涉及一种纸张收放料张力稳定控制装置及方法。
背景技术
如图1所示为现有的工业打印机的收放料系统走纸时结构示意图。整个收放料系统根据纸张1的移动方向，以压纸杆6为界一分为二：放料部分与收料部分。第一部分为放料部分：放料电机2驱动放料辊3进行放料，放料摆杆5调整纸张1方向后继续传向第二部分。放料部分通过放料超声波传感器4反馈放料摆杆5位置以控制放料电机2运行，在单个打印周期内放足够的长度。第二部分为收料部分：牵引电机7和收料电机13同步启动，压纸杆6将纸张1压紧在牵引主动辊8表面以增大摩擦力，牵引电机7驱动牵引主动辊8转动，从而牵引纸张1朝向打印平台9移动；纸张1在经过打印工序后，再经第一从动辊10调整角度，然后收料摆杆11将纸张1张紧，经过第二从动辊12向收料主动辊14前进，收料电机13驱动收料主动辊14将单个打印周期的进料收起。收料部分靠收料超声波传感器15反馈收料摆杆11位置控制收料电机13运行，在单个打印周期内回收放料的纸张1长度。在整个收放料过程中，为打印纸提供张力的，主要是收料摆杆11部分。收料摆杆11的侧面始终与打印纸张1相贴合，如图2所示，收料摆杆11为辊筒结构，收料摆杆11端部设有可相对于收料摆杆11辊面旋转的齿轮11a，齿轮11a与设备支撑架上的齿条16相啮合，根据纸张1的张力以及收料摆杆11的重力自行调整其在齿条16上的啮合位置，从而调整纸张张力，例如，纸张1未绷紧时，纸张张力较小，因此收料摆杆11在重力方向的阻力较小，收料摆杆11沿齿条16下行，从而将纸张1绷紧、以增加纸张1的张力。
但是由于收料摆杆11的结构，当牵引电机7进纸的初始阶段，纸张1会突然松弛，收料摆杆11下降提供对纸的张力，难以保证纸始终绷紧，进纸时容易出现纸的抖动。而为了消除纸的抖动，需要增大进纸时纸的张力。现有的收料摆杆11结构一般通过增大收料摆杆11重量来实现，这会导致收料摆杆11非常笨重，也会增加收料电机13负载，大大增加收放料装置的成本。即使增大收料摆杆11的重量，目前的收放料系统结构在尺寸固定后，纸的张力依然会在较大范围内波动，而且对于不同厚度的纸张，要有不同的张力需求，而这是目前收料摆杆11结构无法满足的。因此，需要对收料摆杆11的结构进行改进，实现进纸时纸张1绷紧，消除进纸时纸张1的抖动。
综上所述，由于现有的打印机收放料装置在收放工业打印机卷纸时往往纸的张力波动很大，容易出现抖动，增加收料电机负载，降低了打印效率，抖动导致收料参差不齐，影响产品质量，因而，设计简便快捷的方案去维持或者稳定卷纸的张力是有重要意义的。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种纸张收放料张力稳定控制装置及方法，其能消除纸张抖动，使得收料机构能够顺利收料，提升打印产品质量。
根据本发明的第一方面，提供了一种纸张收放料张力稳定控制装置，包括沿纸张移动路径依次设置的牵引机构、张力调整机构和收料机构，
所述牵引机构用于根据进料信号牵引纸张移动；
所述张力调整机构采集牵引机构的动作信号，并根据牵引机构的动作信号以及自身旋转角度主动保持纸张绷紧，以动态调整纸张的张力；
所述收料机构用于根据进料信号驱动纸张卷收。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述张力调整机构包括沿纸张移动路径依次设置的第一从动辊、张紧辊和第二从动辊，第一从动辊的辊面、张紧辊的辊面和第二从动辊的辊面分别与纸张滚动配合；还包括摆臂、角度检测模块、伸缩缸和驱动模块，所述张紧辊的端部通过摆臂与第二从动辊的端部铰接，使得摆臂可带动张紧辊绕第二从动辊的周向旋转；所述角度检测模块设置在摆臂与第二从动辊的铰接点，用于测量摆臂绕第二从动辊旋转的角度；所述伸缩缸的活动端与所述摆臂铰接、以驱动摆臂绕第二从动辊的周向旋转，所述驱动模块与伸缩缸连接，用于驱动伸缩缸的活动端进行伸缩。
可选的，所述牵引机构包括压纸杆、牵引电机和牵引主动辊，
所述压纸杆、牵引主动辊与所述第一从动辊沿纸张的移动路径依次设置，且所述压纸杆、牵引主动辊与第一从动辊均垂直纸张的移动方向设置，所述压纸杆、牵引主动辊与第一从动辊相互平行设置；
所述压纸杆与牵引主动辊分别设置在纸张的两面、且均与纸张相贴合，所述牵引电机与牵引主动辊传动连接、以驱动牵引主动辊旋转。
可选的，所述收料机构包括收料主动辊和收料电机，所述第二从动辊和收料主动辊沿纸张的移动路径依次设置，所述第二从动辊和收料主动辊平行设置、且二者的侧面均与纸张相配合，所述收料电机与收料主动辊传动连接、以驱动收料主动辊旋转，所述收料主动辊旋转时将纸张进行卷收。
根据本发明的第二方面，基于前述的纸张收放料张力稳定控制装置，还提供一种纸张收放料张力稳定控制方法，包括：
获取进料过程中摆臂角速度时域信号；
将所述摆臂角速度时域信号代入预设的摆臂角速度、伸缩缸推力与纸张张力的关系式，得到伸缩缸推力；
根据预设的纸张张力波动范围，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿。
可选的，该方法还包括对纸张收放料张力稳定控制装置的结构参数选定，具体包括：
设置纸张在前进路径中依次与第一从动辊、张紧辊和第二从动辊摩擦配合；
定义第一从动辊的轴心为C，张紧辊的轴心为B，第二从动辊的轴心为A，第一从动辊10的半径为r3，张紧辊的半径为r2，第二从动辊的半径为r1，牵引机构的摆臂长度为AB，伸缩缸在摆臂上的铰接点为D，伸缩缸上远离摆臂的一端为E，则伸缩缸长度为ED，伸缩缸长度ED可根据伸缩缸的伸缩状态同步改变；纸张在第一从动辊上靠近张紧辊的切点为C1，纸张在张紧辊上的两个切点分别为B1和B2，其中切点B2靠近第一从动辊，切点B1靠近第二从动辊，纸张在第二从动辊上靠近张紧辊的切点为A1；
设摆臂质量为m1，张紧辊质量为m2，摆臂长度AB＝L1，铰接点D到第二从动辊轴心A的长度AD＝L2，设定各点坐标定义如下：A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、A1(x4,y4)、B1(x5,y5)、B2(x6,y6)、C1(x7,y7)、E(x0,y0)、D(x8,y8)，AB与水平方向夹角为θ1，A1B1与水平方向夹角为θ2，ED与竖直方向夹角为θ，BC与竖直方向夹角为θ3，B2C1与竖直方向夹角为θ4；
点A、E、C为固定点，其坐标值固定；半径r1、r2、r3为定值；设定A为原点，令其坐标x1＝0、y1＝0，由于纸张绷紧状态下与各辊相切，可以得到以下关系：
点B坐标(x2,y2)以及BC长度：
x2＝cosθ1·L1，y2＝sinθ1·L1，
根据夹角关系可得：
其中，α1为夹角θ2与夹角θ1的差值；
再由向量AA1、BB1可得切点A1坐标(x4,y4)和切点B1的坐标(x5,y5)：
然后根据B、C坐标以及BC长度，可以得到夹角θ3、θ4：
其中，α2为夹角θ3和夹角θ4的差值；
再由下式得到B2坐标(x6,y6)和C1坐标(x7,y7)：
对于伸缩缸长度ED，根据铰接点D到第二从动辊轴心A的长度AD与AB与水平方向夹角为θ1可得到D坐标(x8,y8)，根据D坐标(x8,y8)与E坐标(x0,y0)可以得到ED与竖直方向的夹角θ：
D(x8，y8)：x8＝cosθ1·L2，y8＝sinθ1·L2，
综上所述，在已知各定值参数的前提下，只需要检测得到AB与水平方向的夹角θ1可得到其余结构参数，然后根据得到的全部结构参数设置装置结构。
可选的，分析得到摆臂角速度、伸缩缸的推力与纸张张力的关系式的步骤，包括：
假设纸张处于绷紧状态下，以摆臂、张紧辊及其附着的纸张为整体，将各个力分别分解到沿摆臂方向以及垂直摆臂方向；
分析张紧辊沿摆臂方向的受力情况，得到张紧辊垂直于摆臂方向的受力表达式：
F1·cosα1+m2g sinθ1＝N+F2·sin(θ4-θ1)
其中，F1为A1B1段纸的张力，F2为B2C1段纸的张力，N为摆臂对张紧辊的支撑力，Δr2为张紧辊内部的轴承内径，ΔF＝F1-F2，α1为夹角θ2与夹角θ1的差值，m2为张紧辊质量，g为重力系数，J为摆臂与张紧辊相对于第二从动辊的轴心A的转动惯量，ω为摆臂摆动角速度为，J2为张紧辊自转转动惯量，μ2为张紧辊的辊面与内部滚动轴承的摩擦系数，ω2为张紧辊自转角速度；ΔF为张紧辊两侧纸张的张力差值，当张紧辊的辊面与内部滚动轴承的摩擦系数μ2及张紧辊自转转动惯量J2较小时，可视ΔF为一个较小的量；
分析张紧辊垂直于摆臂方向的受力情况，得到张紧辊垂直于摆臂方向的受力表达式：
化简张紧辊垂直于摆臂方向的受力表达式可得：
其中，F为伸缩缸推力，从上式可以看出，伸缩缸推力F增大时，纸张张力会成正比增大，改变伸缩缸推力，可以调整打印时纸张的张力。
可选的，分析纸张张力波动范围的步骤，包括：
获取静态状态下、各个等级的的伸缩缸推力值下纸张张力随摆臂角度的变化趋势，以拟合得到伸缩缸推力对纸张张力影响的关系式；
获取摆臂角速度时域信号，基于时间对摆臂角速度进行积分，得到基于时域的摆臂角度波动范围；
将摆臂角度波动范围代入摆臂角速度、伸缩缸的推力与纸张张力的关系式得到在不进行补偿的状态下的基于时域的纸张张力波动范围。
可选的，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿，包括：
将纸张张力波动范围与预设的较优纸张张力值作差，得到基于时域的纸张张力调节范围；
将纸张张力调节范围进行线性拟合，得到纸张张力调节值随时间变化的关系式；获取牵引机构的启动时刻，将牵引机构的启动时刻作为纸张张力调节的初始时间；
结合所述伸缩缸推力对纸张张力影响的关系式以及所述纸张张力调节值随时间变化的关系式，得到伸缩缸推力随时间变化的推力调节值；
采用所述推力调节值控制伸缩缸推力。
可选的，该方法还包括根据纸张参数计算较优的纸张张力，具体包括：
获取纸张参数，根据下式计算纸张的紧度D：
D＝G/σ，
其中，D为纸张的紧度，单位为g/cm3；G为纸张的定量，单位为g/cm2；σ为纸的厚度，单位为cm；
根据纸张的紧度D和打印宽幅H，采用下式计算较优的纸张张力F1：
F1＝K·H·D，
其中，K为张力系数，根据经验取值。
本发明提供的一种纸张收放料张力稳定控制装置及控制方法，在进料时通过张力调整机构根据调节自身旋转角度主动调整纸张张力以保持纸张绷紧，消除纸张抖动，使得收料机构能够顺利收料，提升打印产品质量。
附图说明
图1为现有的收放料系统原理图；
图2为现有的收效摆杆结构示意图；
图3为本发明提供的纸张收放料张力稳定控制装置中张力调整机构结构示意图；
图4为各打印周期内收放料张力稳定控制流程示意图；
图5为张紧辊与摆臂的结构关系示意图；
图6为张紧辊受力分析示意图；
图7为纸的张力随摆臂夹角与伸缩缸压力的变化趋势图；
图8为气缸压力F＝100N时，纸的张力随摆臂夹角的变化趋势图；
图9为摆臂角度为30°时，纸的张力随气缸压力的变化趋势图；
图10为纸张打印时摆臂角度波动范围示意图；
图11为不增加张力调节的状态下，打印时纸的张力波动范围示意图；
图12为纸的张力需要调节的范围示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、纸张，2、放料电机，3、放料辊，4、放料超声波传感器，5、放料摆杆，6、压纸杆，7、牵引电机，8、牵引主动辊，9、打印平台，10、第一从动辊，11、收料摆杆，11a、齿轮，12、第二从动辊，13、收料电机，14、收料主动辊，15、收料超声波传感器，16、齿条，17、张紧辊，18、摆臂，19、角度检测模块，20、伸缩缸，21、驱动模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示为工业打印机用收放料系统原理示意图，图2为现有的打印机收料摆杆11结构示意图。本发明主要对图1中虚线框中所示的收料摆杆11部分进行改进，实现进纸时纸张1绷紧，消除进纸时纸张1的抖动。收放料系统的其余组成部分可以延用图1所示的虚线框以外的结构，例如放料电机2驱动放料辊3放料，以及收料电机13驱动收料主动辊14进行收料。
本实施例提供一种纸张收放料张力稳定控制装置，包括沿纸张1移动路径依次设置的牵引机构、张力调整机构和收料机构，
所述牵引机构用于根据进料信号牵引纸张1移动；
所述张力调整机构采集牵引机构的动作信号，并根据牵引机构的动作信号以及自身旋转角度主动保持纸张1绷紧，以动态调整纸张1的张力；
所述收料机构用于根据进料信号驱动纸张1卷收。
可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了一种纸张收放料张力稳定控制装置，以消除纸张1抖动。改进的难点在于牵引机构进纸初期，流向收料机构的纸一定会松弛。因此需考虑如何在收料摆杆11重量不变时，保证纸的张力不至于太小引起抖动。本发明实施例的改进思路是检测到牵引机构开始动作则同步启动张力调整机构动作，在张力调整机构上施加额外的力，以调整张力调整机构的旋转角度，使其始终保持将纸张1绷紧，维持纸的张力较大状态，以消除纸张1抖动，使得收料机构能够顺利收料，提升打印产品质量。通过调整张力调整机构旋转角度的方式解决背景技术中的缺陷，而非依靠增加装置质量来压紧纸张1、增加张力，降低了设备成本。
在一种可能的实施例方式中，如图3所示，所述张力调整机构包括沿纸张1移动路径依次设置的第一从动辊10、张紧辊17和第二从动辊12，第一从动辊10的辊面、张紧辊17的辊面和第二从动辊12的辊面分别与纸张1滚动配合；张力调整机构还包括摆臂18、角度检测模块19、伸缩缸20和驱动模块21，所述张紧辊17的端部通过摆臂18与第二从动辊12的端部铰接，使得摆臂18可带动张紧辊17绕第二从动辊12的周向旋转；所述角度检测模块19设置在摆臂18与第二从动辊12的铰接点，用于测量摆臂18绕第二从动辊12旋转的角度；所述伸缩缸20的活动端与所述摆臂18铰接、以驱动摆臂18绕第二从动辊12的周向旋转，所述驱动模块21与伸缩缸20连接，用于驱动伸缩缸20的活动端进行伸缩。
可以理解的是，第一从动辊10与第二从动辊12用于调节纸张1前进方向，牵引机构驱动的纸张1经过第一从动辊10向张紧辊17移动，而经过张紧辊17的纸张1经过第二从动辊12后朝向收料机构移动。本实施例在摆臂18上增加伸缩缸20压力的辅助，可以使纸的张力波动较小，纸始终处于绷紧状态。具体的，在纸张1移动过程中，驱动模块21根据牵引机构的动作信号，驱动伸缩缸20进行伸缩，从而调整摆臂18的旋转角度，摆臂18带动其端部的张紧辊17，使得张紧辊17的的辊面保持将纸张1压紧的状态，使得纸张1在整个打印过程中处于绷紧状态，同时具有较优的张力，以防止纸张1抖动、保证打印质量。角度检测模块19可采用角位器，其通过检测摆臂18的旋转角度/角速度并反馈到控制器，例如单片机系统或者PLC系统，以形成摆臂18旋转角度的闭环控制，提高控制精度。伸缩缸20可采用气缸、液压缸或电动缸，对应的，驱动模块21的设置与伸缩缸20的具体类型相匹配。例如，本实施例中采用气缸作为伸缩缸20，则对应的，驱动模块21采用与该气缸相匹配的电气比例阀以控制气缸的压力，从而驱动摆臂18旋转。
本实施例的改进思路是在张力调整机构上施加额外的力，以调整摆臂18的旋转角度，从而实现张紧辊17下降速度大于牵引机构的进纸速度，以此维持纸张1的较大张力，使纸张1保持处于绷紧状态。
在一种可能的实施例方式中，如图1所示，所述牵引机构包括压纸杆6、牵引电机7和牵引主动辊8，
所述压纸杆6、牵引主动辊8与所述第一从动辊10沿纸张1的移动路径依次设置，且所述压纸杆6、牵引主动辊8与第一从动辊10均垂直纸张1的移动方向设置，所述压纸杆6、牵引主动辊8与第一从动辊10相互平行设置；
所述压纸杆6与牵引主动辊8分别设置在纸张1的两面、且均与纸张1相贴合，所述牵引电机7与牵引主动辊8传动连接、以驱动牵引主动辊8旋转。
可以理解的是，在进纸的过程中，压纸杆6将纸张1压向牵引主动辊8的辊面，使得牵引主动辊8的辊面与纸张1之间具有足够的摩擦力，牵引电机7驱动牵引主动辊8旋转，由于滚动摩擦力的存在，牵引主动辊8将纸张1不断推向打印平台9，以完成打印流程，打印过后的纸张1继续流向张力调整机构。
在一种可能的实施例方式中，如图1所示，所述收料机构包括收料主动辊14和收料电机13，所述第二从动辊12和收料主动辊14沿纸张1的移动路径依次设置，所述第二从动辊12和收料主动辊14平行设置、且二者的侧面均与纸张1相配合，所述收料电机13与收料主动辊14传动连接、以驱动收料主动辊14旋转，所述收料主动辊14旋转时将纸张1进行卷收。
可以理解的是，在检测到牵引电机7动作后，收料电机13为收料主动辊14提供动力，驱动收料主动辊14旋转，将打印完成的纸张1进行卷收。
基于前述实施例的装置机械结构，本实施例提供一种纸张收放料张力稳定控制方法，方法包括：
获取进料过程中摆臂角速度时域信号；
将所述摆臂角速度时域信号代入预设的摆臂角速度、伸缩缸推力与纸张张力的关系式，得到伸缩缸推力；
根据预设的纸张张力波动范围，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿。
可以理解的是，如图4所示为单个打印周期内收放料张力稳定控制流程示意图，其中图4(a)为牵引电机7与收料电机13的动作时序示意图，图4(b)为牵引电机7、收料电机13以及伸缩缸20相互配合的控制流程示意图。
在静止状态下，气缸通过对摆臂18施加压力，从而将张紧辊17往下压来使纸绷紧，通过对气缸压力、摆臂18初始角度对纸张1力影响的计算，选择合适的气缸、摆臂18尺寸，可以实现摆臂18小范围波动时，纸的张力几乎不变。
在打印状态下，从图4(a)中看到，0时刻为牵引电机7启动走纸的时刻，t1为收料电机13的启动时刻，t2为牵引电机7的停止时刻。在打印状态下，摆臂18以及张紧辊17会不可避免出现摆动，当牵引电机7启动，纸先松弛，此时控制器(以PLC为例)接收到牵引电机7运动的信号，在时间t1发出信号控制伸缩缸20(气缸)上的驱动模块21(电气比例阀)，来增大气缸的气压实现增大气缸的压力，调整摆臂角度，加大张紧辊17对纸的压力，从而使得松弛的纸保持绷紧。同时收料电机13接收到牵引电机7运动信号后，也开始收料走纸。当牵引电机7停止走纸时，PLC收到信号后，发出信号控制气缸上的电气比例阀，恢复气缸的气压，来保持纸的张力恒定，直至张紧辊17静止、收料结束，最后收料电机13再以慢速度收料将摆臂18与张紧辊17匀速拉至初始位置，即可开始下一轮走纸收料动作。这样，在整个打印过程中都可以保持纸张1处于绷紧状态，且保证了纸的张力稳定。
在一种可能的实施例方式中，为了对纸张1达到理想的稳定张力进行分析和计算，该方法还包括对纸张收放料张力稳定控制装置的结构参数选定，例如对结构选定怎样的尺寸、气缸选定多大压力下，具体包括：
如图5所示的张紧辊17与摆臂18的结构关系示意图，设置纸张1在前进路径中依次与第一从动辊10、张紧辊17和第二从动辊12摩擦配合；
定义第一从动辊10的轴心为C，张紧辊17的轴心为B，第二从动辊12的轴心为A，第一从动辊10的半径为r3，张紧辊17的半径为r2，第二从动辊12的半径为r1，牵引机构的摆臂18长度为AB，伸缩缸20在摆臂18上的铰接点为D，伸缩缸20上远离摆臂18的一端为E，则伸缩缸20长度为ED，伸缩缸20长度ED可根据伸缩缸20的伸缩状态同步改变；纸张1在第一从动辊10上靠近张紧辊17的切点为C1，纸张1在张紧辊17上的两个切点分别为B1和B2，其中切点B2靠近第一从动辊10，切点B1靠近第二从动辊12，纸张1在第二从动辊12上靠近张紧辊17的切点为A1；
设摆臂18质量为m1，张紧辊17质量为m2，摆臂18长度AB＝L1，铰接点D到第二从动辊12轴心A的长度AD＝L2，设定各点坐标定义如下：A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、A1(x4,y4)、B1(x5,y5)、B2(x6,y6)、C1(x7,y7)、E(x0,y0)、D(x8,y8)，AB与水平方向夹角为θ1，A1B1与水平方向夹角为θ2，ED与竖直方向夹角为θ，BC与竖直方向夹角为θ3，B2C1与竖直方向夹角为θ4；
点A、E、C为固定点，其坐标值固定；半径r1、r2、r3为定值；设定A为原点，令其坐标x1＝0、y1＝0，由于纸张1绷紧状态下与各辊相切，可以得到以下关系：
点B坐标(x2,y2)以及BC长度：
x2＝cosθ1·L1，y2＝sinθ1·L1，
根据夹角关系可得：
其中，α1为夹角θ2与夹角θ1的差值；
再由向量AA1、BB1可得切点A1坐标(x4,y4)和切点B1的坐标(x5,y5)：
然后根据B坐标(x2,y2)、C坐标(x3,y3)以及BC长度，可以得到夹角θ3、θ4：
其中，α2为夹角θ3和夹角θ4的差值；
再由下式得到B2坐标(x6,y6)和C1坐标(x7,y7)：
对于伸缩缸长度ED，根据铰接点D到第二从动辊轴心A的长度AD与AB与水平方向夹角为θ1可得到D坐标(x8,y8)，根据D坐标(x8,y8)与E坐标(x0,y0)可以得到ED与竖直方向的夹角θ：
D(x8，y8)：x8＝cosθ1·L2，y8＝sinθ1·L2，
综上所述，在已知各定值参数的前提下，只需要检测得到AB与水平方向的夹角θ1可得到其余结构参数，然后根据得到的全部结构参数设置装置结构。
可以理解的是，选用这样的结构，是为了保持纸张1的张力，同时减少张紧辊17的抖动，以使收料电机13更容易刹车以及收料更平稳，张紧辊17的抖动主要来自于打印过程中进行高速走纸时，牵引电机7(牵引主动辊8)转动送纸初始，张紧辊17的下落速度跟不上走纸速度，导致纸不再受力、张力突变为0，然后收料电机13收料后，张紧辊17落到纸上，引起纸张1的张力激增以及张紧辊17抖动，因而需要满足牵引主动辊8驱动高速走纸时，纸张1一直处于绷紧状态。也就是气缸对摆臂18的驱动作用，使得摆臂18转动比走纸速度更快，以起到迅速、精准调整张力的作用。
在一种可能的实施例方式中，分析得到摆臂角速度、伸缩缸的推力与纸张张力的关系式的步骤，包括：
假设纸张1处于绷紧状态下，以摆臂18、张紧辊17及其附着的纸张1为整体，将各个力分别分解到沿摆臂18方向以及垂直摆臂18方向；
如图6所示为纸张绷紧时张紧辊受力分析示意图，分析张紧辊17沿摆臂18方向的受力情况，得到张紧辊17垂直于摆臂18方向的受力表达式：
F1*cosα1+m2g sinθ1＝N+F2·sin(θ4-θ1)
其中，F1为A1B1段纸的张力，F2为B2C1段纸的张力，N为摆臂18对张紧辊17的支撑力，Δr2为张紧辊17内部的轴承内径，ΔF＝F1-F2，α1为夹角θ2与夹角θ1的差值，m2为张紧辊17质量，g为重力系数，J为摆臂18与张紧辊17相对于第二从动辊12的轴心A的转动惯量，ω为摆臂18摆动角速度，J2为张紧辊17自转转动惯量，μ2为张紧辊17的辊面与内部滚动轴承的摩擦系数，ω2为张紧辊17自转角速度；ΔF为张紧辊17两侧纸张1的张力差值，当张紧辊17的辊面与内部滚动轴承的摩擦系数μ2及张紧辊17自转转动惯量J2较小时，可视ΔF为一个较小的量；
分析张紧辊垂直于摆臂方向的受力情况，得到张紧辊17垂直于摆臂18方向的受力表达式：
化简张紧辊垂直于摆臂方向的受力表达式可得：
其中，F为伸缩缸推力，从上式可以看出，伸缩缸推力F增大时，纸张张力会成正比增大，改变伸缩缸推力，可以调整打印时纸张1的张力。
从以上受力分析的表达式可以看出，伸缩缸推力(例如气缸的压力)增大时，纸的张力会成正比增大，不同的伸缩缸推力，可以保证打印时纸处于不同张力下。
现有技术的收料摆杆11在不同位置时，纸的张力会变化较大，而在收料过程中，收料摆杆11会不可避免地出现一定范围的波动，这样会导致纸的张力也大幅波动，容易引起收纸不齐、走纸拱纸、增加收料电机13负载等。而本发明实施例的方案可克服纸张张力波动较大的问题。
在一种可能的实施例方式中，分析纸张张力波动范围的步骤，包括：
获取静态状态下、各个等级的的伸缩缸推力值下纸张张力随摆臂角度的变化趋势，以拟合得到伸缩缸推力对纸张张力影响的关系式；
获取摆臂角速度时域信号，基于时间对摆臂角速度进行积分，得到基于时域的摆臂角度波动范围；
将摆臂角度波动范围代入摆臂角速度、伸缩缸的推力与纸张张力的关系式得到在不进行补偿的状态下的基于时域的纸张张力波动范围。
为了更直观地解释本实施例方案，现根据具体实施场景中某一机型的机架参数，使用本发明各实施例提出的张力调整机构的摆臂18结构，设定一些相关参数来分析摆臂18的纸张力情况，例如，设定各点与结构的坐标数据(单位：mm)A(0,0)，C(0,757)，E(100,300)，AB＝L1＝350，AD＝L2＝250，r1＝50，r2＝40，r3＝60，初始夹角θ1＝30°，气缸压力F＝100N，摆臂18质量m1＝1.5kg，张紧辊17质量m2＝15kg，摆臂18与张紧辊17相对收料主动辊14轴线的转动惯量J＝2.43kg m2，重力加速度g＝9.8m/s2，所有轴承摩擦系数取0.05，代入前述公式，通过MATLAB软件计算静止时纸的张力F1、F2。
张力调整机构在摆臂18摆动时，纸的张力随摆臂18与水平面夹角、伸缩缸推力(气缸压力)F的变化趋势如图7所示。为了更好地分析纸张张力波动范围，选取气缸压力F＝100N时详细分析，图8为气缸压力F＝100N时，纸的张力随摆臂18夹角的变化趋势图。
由图7及图8可以看出，纸的张力F1随气缸压力F增大而均匀增加，且张力F1可控制的范围极大，从约140N-410N均可实现。在气缸压力F＝100N固定时，摆臂18与水平面夹角θ1在20°-40°变化时，纸张1力仅变化极小，几乎可以忽略不计(角度变化20°，张力仅变化约3％)，只有当夹角θ1超过50°时，纸的张力F1才会随夹角θ1变化而出现较大的变化。
以摆臂角度为30°为例，绘制在当前参数下，气缸压力F对纸的张力F1影响的变化图，如图9所示。图9中可以看出，静态下，气缸压力F的增减与纸的张力F1成正比，且影响较为显著，两者的线性关系约为F1＝1.5F+149，其中，149为常数，由装置的机械结构参数决定，因而对于需要让纸处于不同张力下，只需要改变相应的气缸压力即可，这样可以方便简洁地实现，对不同宽幅、不同厚度、湿度的纸张1，采用不同的张力措施，可以极大提高多样化打印的效率。
通过图9中静态下气缸压力F对纸张1力F1的影响可以看出，在气缸压力F一定、摆臂18在一定范围内，纸的张力F1几乎不变(变化约3％)，在打印时，由于牵引电机7启动走纸，纸会变松弛，因而我们通过电气比例阀控制气缸，在走纸启动时提升气缸压力，来保证纸始终处于绷紧状态。通过对装置结构以及打印走纸的实测发现，摆臂18大约在0.4s时间内有10°左右的摆动，其角速度ω的大致路线如图10所示。
从图10展示的纸张1打印时摆臂角度波动范围示意可以看到，角速度与时间围成的面积即为摆臂角度，约为10°，根据摆臂角度波动，以及前述公式F1＝1.5F+149，我们使用MATLAB辅助可以计算出在不增加电气比例阀调节气缸压力下，纸的张力波动范围，如图11所示。
图11为不增加张力调节的状态下，打印时纸的张力波动范围示意图。从图11中可以看出，若不增加张力调节部分，纸的张力波动约在260N-350N之间，波动幅度达到34.6％，这会对打印精度、收卷整齐度、收料电机13等等都有较大影响，在气缸压力F为100N、摆臂18初始角度30°下，由图8可以看出，纸的张力约299N，我们以300N的纸张力进行调节，需要调节的张力部分曲线随时间变化如图12所示。图12中，箭头上方的部分为需要增大张力，箭头下方的部分曲线为需要减小张力。
在一种可能的实施例方式中，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿，包括：
将纸张张力波动范围与预设的较优纸张张力值作差，得到基于时域的纸张张力调节范围；
将纸张张力调节范围进行线性拟合，得到纸张张力调节值随时间变化的关系式；获取牵引机构的启动时刻，将牵引机构的启动时刻作为纸张张力调节的初始时间；
结合所述伸缩缸推力对纸张张力影响的关系式以及所述纸张张力调节值随时间变化的关系式，得到伸缩缸推力随时间变化的推力调节值；
采用所述推力调节值控制伸缩缸推力。
具体的，将需要调节的张力范围进行线性拟合，拟合结果如图12所示的箭头标示的线段，得到纸的张力调节随时间的关系
ΔF1＝40-217.5t，
其中，ΔF1为纸的张力调节值，t为以牵引电机7启动为零点的时间。
再根据图9得到的F1＝1.5F+149，即可得到气缸压力F随时间的调节值ΔF(单位为N)，则
然后将气缸压力F随时间的调节值，转换为输入气压的调节值ΔP(单位：Pa)：
其中，S为气缸的作用面积，单位取m2，将得到的气压调节值ΔP转换为电信号，施加到电气比例阀中，即可实现打印过程中使得纸的张力保持恒定。
由于不同尺寸的打印纸对张力的需求不同，例如越厚的纸保持绷紧需要的力越大。因此，还需要找到当前的纸张1对应的较优的纸张张力。
在一种可能的实施例方式中，还包括根据纸张参数计算较优的纸张张力，包括：
获取纸张参数，根据下式计算纸张的紧度D：
D＝G/σ，
其中，D为纸张的紧度，单位为g/cm3；G为纸张的定量，单位为g/cm2；σ为纸的厚度，单位为cm；
根据纸张的紧度D和打印宽幅H，采用下式计算较优的纸张张力F1：
F1＝K·H·D，
其中，K为张力系数，根据经验取值。
可以理解的是，现使用的收放料系统，对于不同尺寸的打印纸，能提供的张力波动都是一样的，而这样是不合理的，对于宽幅更大、厚度更大的纸，应该提供更大的张力，才能保证纸张绷紧程度一致，而现有收放料结构和系统，只能选择更换摆杆重量来调整张力，这会大大增加额外的材料费和人工、工时费用，且会增加整个机构的负担。
而本实施例中以纸的紧度为标准，来构建纸的合适打印张力。例如，在某一具体实施场景中，通过对不同纸张的打印经验测试发现合适的打印张力下，K≈0.35-0.45m·s2，在这里取K＝0.4m·s2，例如，对于紧度D为32g/m2、厚度σ为0.1mm、宽幅H为1620mm的纸张，其适当打印张力F1为：
F1＝0.4×1620×0.32≈207N。
因而，对于不同厚度和打印宽幅的纸张输入其参数，我们可以得到对应的纸的张力F1，然后通过上述的张力恒定方法，使得纸张张力保持恒定，来保证不同尺寸的纸张依然处于相同的紧固程度下，可以满足打印纸的多样化需求。
本发明实施例提供的一种一种纸张收放料张力稳定控制装置及方法，相比于现有的打印机收放料系统，能保证稳定持久的打印，结构更加简洁好用；保证打印时纸的张力与静止时的张力波动很小，维持动态时纸的张力恒定；适用于多样化打印，不同厚度的纸张，可以自动调整张力大小，可以大大提高生产效率。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种纸张收放料张力稳定控制装置，其特征在于，包括沿纸张(1)移动路径依次设置的牵引机构、张力调整机构和收料机构，
所述牵引机构用于根据进料信号牵引纸张(1)移动；
所述张力调整机构采集牵引机构的动作信号，并根据牵引机构的动作信号以及自身旋转角度主动保持纸张(1)绷紧，以动态调整纸张(1)的张力；
所述收料机构用于根据进料信号驱动纸张(1)卷收。
2.根据权利要求1所述的一种纸张收放料张力稳定控制装置，其特征在于，所述张力调整机构包括沿纸张(1)移动路径依次设置的第一从动辊(10)、张紧辊(17)和第二从动辊(12)，第一从动辊(10)的辊面、张紧辊(17)的辊面和第二从动辊(12)的辊面分别与纸张(1)滚动配合；还包括摆臂(18)、角度检测模块(19)、伸缩缸(20)和驱动模块(21)，所述张紧辊(17)的端部通过摆臂(18)与第二从动辊(12)的端部铰接，使得摆臂(18)可带动张紧辊(17)绕第二从动辊(12)的周向旋转；所述角度检测模块(19)设置在摆臂(18)与第二从动辊(12)的铰接点，用于测量摆臂(18)绕第二从动辊(12)旋转的角度；所述伸缩缸(20)的活动端与所述摆臂(18)铰接、以驱动摆臂(18)绕第二从动辊(12)的周向旋转，所述驱动模块(21)与伸缩缸(20)连接，用于驱动伸缩缸(20)的活动端进行伸缩。
3.根据权利要求2所述的一种纸张收放料张力稳定控制装置，其特征在于，所述牵引机构包括压纸杆(6)、牵引电机(7)和牵引主动辊(8)，
所述压纸杆(6)、牵引主动辊(8)与所述第一从动辊(10)沿纸张(1)的移动路径依次设置，且所述压纸杆(6)、牵引主动辊(8)与第一从动辊(10)均垂直纸张(1)的移动方向设置，所述压纸杆(6)、牵引主动辊(8)与第一从动辊(10)相互平行设置；
所述压纸杆(6)与牵引主动辊(8)分别设置在纸张(1)的两面、且均与纸张(1)相贴合，所述牵引电机(7)与牵引主动辊(8)传动连接、以驱动牵引主动辊(8)旋转。
4.根据权利要求2或3所述的一种纸张收放料张力稳定控制装置，其特征在于，所述收料机构包括收料主动辊(14)和收料电机(13)，所述第二从动辊(12)和收料主动辊(14)沿纸张(1)的移动路径依次设置，所述第二从动辊(12)和收料主动辊(14)平行设置、且二者的侧面均与纸张(1)相配合，所述收料电机(13)与收料主动辊(14)传动连接、以驱动收料主动辊(14)旋转，所述收料主动辊(14)旋转时将纸张(1)进行卷收。
5.一种纸张收放料张力稳定控制方法，其特征在于，基于权利要求2～4任一项所述的纸张收放料张力稳定控制装置，方法包括：
获取进料过程中摆臂角速度时域信号；
将所述摆臂角速度时域信号代入预设的摆臂角速度、伸缩缸推力与纸张张力的关系式，得到伸缩缸推力；
根据预设的纸张张力波动范围，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿。
6.根据权利要求5所述的一种纸张收放料张力稳定控制方法，其特征在于，还包括对纸张收放料张力稳定控制装置的结构参数选定，具体包括：
设置纸张(1)在前进路径中依次与第一从动辊(10)、张紧辊(17)和第二从动辊(12)摩擦配合；
定义第一从动辊(10)的轴心为C，张紧辊(17)的轴心为B，第二从动辊(12)的轴心为A，第一从动辊(10)的半径为r3，张紧辊(17)的半径为r2，第二从动辊(12)的半径为r1，牵引机构的摆臂(18)长度为AB，伸缩缸(20)在摆臂(18)上的铰接点为D，伸缩缸(20)上远离摆臂(18)的一端为E，则伸缩缸(20)长度为ED，伸缩缸(20)长度ED可根据伸缩缸(20)的伸缩状态同步改变；纸张(1)在第一从动辊(10)上靠近张紧辊(17)的切点为C1，纸张(1)在张紧辊(17)上的两个切点分别为B1和B2，其中切点B2靠近第一从动辊(10)，切点B1靠近第二从动辊(12)，纸张(1)在第二从动辊(12)上靠近张紧辊(17)的切点为A1；
设摆臂(18)质量为m1，张紧辊(17)质量为m2，摆臂(18)长度AB＝L1，铰接点D到第二从动辊(12)轴心A的长度AD＝L2，设定各点坐标定义如下：A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、A1(x4,y4)、B1(x5,y5)、B2(x6,y6)、C1(x7,y7)、E(x0,y0)、D(x8,y8)，AB与水平方向夹角为θ1，A1B1与水平方向夹角为θ2，ED与竖直方向夹角为θ，BC与竖直方向夹角为θ3，B2C1与竖直方向夹角为θ4；
点A、E、C为固定点，其坐标值固定；半径r1、r2、r3为定值；设定A为原点，令其坐标x1＝0、y1＝0，由于纸张(1)绷紧状态下与各辊相切，可以得到以下关系：
点B坐标(x2,y2)以及BC长度：
x2＝cosθ1·L1，y2＝sinθ1·L1，
根据夹角关系可得：
其中，α1为夹角θ2与夹角θ1的差值；
再由向量AA1、BB1可得切点A1坐标(x4,y4)和切点B1的坐标(x5,y5)：
然后根据B、C坐标以及BC长度，可以得到夹角θ3、θ4：
其中，α2为夹角θ3和夹角θ4的差值；
再由下式得到B2坐标(x6,y6)和C1坐标(x7,y7)：
对于伸缩缸长度ED，根据铰接点D到第二从动辊轴心A的长度AD与AB与水平方向夹角为θ1可得到D坐标(x8,y8)，根据D坐标(x8,y8)与E坐标(x0,y0)可以得到ED与竖直方向的夹角θ：
D(x8，y8)：x8＝cosθ1·L2，y8＝sinθ1·L2，
综上所述，在已知各定值参数的前提下，只需要检测得到AB与水平方向的夹角θ1可得到其余结构参数，然后根据得到的全部结构参数设置装置结构。
7.根据权利要求6所述的一种纸张收放料张力稳定控制方法，其特征在于，分析得到摆臂角速度、伸缩缸的推力与纸张张力的关系式的步骤，包括：
假设纸张(1)处于绷紧状态下，以摆臂(18)、张紧辊(17)及其附着的纸张(1)为整体，将各个力分别分解到沿摆臂(18)方向以及垂直摆臂(18)方向；
分析张紧辊(17)沿摆臂(18)方向的受力情况，得到张紧辊(17)垂直于摆臂(18)方向的受力表达式：
F1*cosα1+m2gsinθ1＝N+F2·sin(θ4-θ1)
其中，F1为A1B1段纸的张力，F2为B2C1段纸的张力，N为摆臂(18)对张紧辊(17)的支撑力，Δr2为张紧辊(17)内部的轴承内径，ΔF＝F1-F2，α1为夹角θ2与夹角θ1的差值，m2为张紧辊(17)质量，g为重力系数，J为摆臂(18)与张紧辊(17)相对于第二从动辊(12)的轴心A的转动惯量，ω为摆臂(18)摆动角速度，J2为张紧辊(17)自转转动惯量，μ2为张紧辊(17)的辊面与内部滚动轴承的摩擦系数，ω2为张紧辊(17)自转角速度；ΔF为张紧辊(17)两侧纸张(1)的张力差值，当张紧辊(17)的辊面与内部滚动轴承的摩擦系数μ2及张紧辊(17)自转转动惯量J2较小时，可视ΔF为一个较小的量；
分析张紧辊(17)垂直于摆臂(18)方向的受力情况，得到张紧辊(17)垂直于摆臂(18)方向的受力表达式：
化简张紧辊(17)垂直于摆臂(18)方向的受力表达式可得：
其中，F为伸缩缸推力，从上式可以看出，伸缩缸推力F增大时，纸张张力F1会成正比增大，改变伸缩缸推力F，可以调整打印时纸张张力F1。
8.根据权利要求7所述的一种纸张收放料张力稳定控制方法，其特征在于，分析纸张张力波动范围的步骤，包括：
获取静态状态下、各个等级的的伸缩缸推力值下纸张张力随摆臂角度的变化趋势，以拟合得到伸缩缸推力对纸张张力影响的关系式；
获取摆臂角速度时域信号，基于时间对摆臂角速度进行积分，得到基于时域的摆臂角度波动范围；
将摆臂角度波动范围代入摆臂角速度、伸缩缸的推力与纸张张力的关系式得到在不进行补偿的状态下的基于时域的纸张张力波动范围。
9.根据权利要求8所述的一种纸张收放料张力稳定控制方法，其特征在于，采用伸缩缸推力对纸张张力进行补偿，包括：
将纸张张力波动范围与预设的较优纸张张力值作差，得到基于时域的纸张张力调节范围；
将纸张张力调节范围进行线性拟合，得到纸张张力调节值随时间变化的关系式；获取牵引机构的启动时刻，将牵引机构的启动时刻作为纸张张力调节的初始时间；
结合所述伸缩缸推力对纸张张力影响的关系式以及所述纸张张力调节值随时间变化的关系式，得到伸缩缸推力随时间变化的推力调节值；
采用所述推力调节值控制伸缩缸推力。
10.根据权利要求9所述的一种纸张收放料张力稳定控制方法，其特征在于，还包括根据纸张参数计算较优的纸张张力，包括：
获取纸张参数，根据下式计算纸张的紧度D：
D＝G/σ，
其中，D为纸张的紧度，单位为g/cm3；G为纸张的定量，单位为g/cm2；σ为纸的厚度，单位为cm；
根据纸张的紧度D和打印宽幅H，采用下式计算较优的纸张张力F1：
F1＝K·H·D，
其中，K为张力系数，根据经验取值。
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- 2023-04-19 CN CN202310427139.3A patent/CN116424929A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116835372A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-10-03 | 常州晟威机电股份有限公司 | 基于薄膜材料的独立式张力控制收卷机构 |
| CN116835372B (zh) * | 2023-09-01 | 2023-11-21 | 常州晟威机电股份有限公司 | 基于薄膜材料的独立式张力控制收卷机构 |
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