浅谈R2R过程中的张力理解

magicnie

       R2R生产过程中张力控制一直是核心，一般最多直观的原因是张力大就会撕毁柔性带，张力小就会卡带或者说堆积。
       在设计R2R设备的时候，一般第一个问题就是问，设备需要多少个辊筒？因为辊筒的多少其实会影响很多因素，第一个直观影响就是成本，辊筒多了整体设备都要变大，但是更多是会给生产带来很多隐形的问题，加工，装配，张力控制，纠偏控制等等。
       但在这个问题背后，其实是在问：设备生产需要多大张力来进行生产工作。
       张力的定义书本上都很清楚的给出了定义：柔性料带2端受到的拉力。在R2R设备，这个拉力说法不清晰，国外文献用了Traction force这个词，我觉得很形象，中文可以理解为牵引力
       那么，在总体定义中，就可以理解为把料带从头拉到尾需要多少牵引力？
       从R2R的生产过程说起：
      1，料带受力变形引出的问题，料带允许在多少变形情况下进行加工而不影响性能，这就是原始张力的来源

      2. 放卷（unwinding）和收卷（winding）：一般料带都是圆形的一卷一卷的方式，采用电机转动的方式，因为是旋转，那么在第一阶段牵引力问题基本就变成了一个扭矩问题，如果是匀速转动，根据半径公式R=Ro+tθ/2pi, 线速度是会变化的。速度变化就有角加速度，这是牛顿大老爷定下的，因此，最终问题就变成了一个电机动态拖动过程，Td-To=J*dw/dt。另外，如果速度变化，由冲量定理Fdt=M（V2-V1），在单位时间内，速度的变化率是有限制的，不然就会给料带一个动态的不能控制的冲击拉力，所以电机需要控制角速度的变化，因此速度参数V=ω.R双变量函数，加速度则是二次微分函数
     3. 过渡惰輥影响，如果速度是稳定，惰輥2边的拉力是固定关系，但是当速度变化时，料带速度变化会带动惰輥速度变化，同样由于角加速度的变化，惰輥会产生一个阻力惯性矩T=Jα=Fr
     4,摩擦力，速度低时只用评估库伦摩擦力和轴承摩擦力就可以，轴承摩擦滚动力矩和在辊筒上的滑动摩擦力都有公式，要注意一点，这个摩擦力随着辊筒数量的总的包角有关系Tn+1=Tn*e^uθ
     5,张力控制机构：如果是用一些摆动型的张力控制器，还需要计算平衡张力波动时的摆动惯性扭矩，根据半径转换为阻力

总体来说，R2R设备中的牵引力就是由这些部分组成，但是在运行过程，这个力其实是个动态力，所以一般所谓的张力控制，通过几个关键点的测量，把速度波动控制在一个可以接受的范围之内

华丽转身

这个论坛上有好几个大侠做过张力控制的，大家面对的材料不同，有的是钢带，有的是无纺布，有的是橡皮筋，材料特性不同，不过控制原理应该都是相同的。
从设备上讲，需要两个动力源，所谓收放卷收放卷，就一定有一个动作是收，一个动作是放，配对出现。拿放卷来说，下游的那个电机的是基准电机，跑的速度是线速，其它电机是配合着这个电机动作。因为是放卷，所以卷径会随时间慢慢变小，线速是不变的，所以放卷电机转速需要慢慢增大，否则张力会越来越大，最后料带一下子就崩断了。

要想张力控制，必须引入一个测张力的装置，有的是直接用张力传感器去测，有的是把张力转换成摆动辊的微摆角度来间接去测，后面这种情况，控制器就成了控制摆动辊角度的位置控制了。

在我们那，我们张力控制器的的执行机构并不是电机，而是驱动摆动辊摆动的一个气动比例伺服阀。在控制器里面存入一张速度ー卷径的表，放卷电机通过不停地查表来决定当前的转速。而气动比例阀则是根据控制器的信号不断地调整摆动辊的角度来张紧或者放松料带。

大概得原理就是这样，这种东西还需要在现场不断地调试才行，初始的摆动辊的摆动角度还需要一个拉力计去测出来。也就是说初始设置和调试也是很重要的。