一种基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器的制作方法

本发明属于物料输送质量控制设备相关领域，更具体地，涉及一种基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器。

背景技术：

在诸如纸张、布匹、包装袋、柔性电子封装等卷绕物料生产过程中，柔性的物料在输送过程中往往会受到结构、张力波动等因素发生横向位移，对后续生产工艺如分切、印刷、包装等造成不良影响，降低产品质量。此问题在相关工业领域已有一些研究，但针对张力实时分布检测、纠偏单一流向、纠偏框架安装误差等这些问题始终没能得到很好的解决。

现有技术中已经提出了一些用于物料输送的纠偏装置，如CN201410264497.8提出了一种自动在线纠偏装置,它通过对射式光电传感器进行薄膜边缘位置的纠偏检测，但不能实时地获取薄膜输送时的张力分布检测。CN201310344614提出了一种新型高精高速自动纠偏装置，但它不能调整安装姿态偏差对张力分布与纠偏控制的影响，而且仅适用于单流向的应用情况。换而言之，这类现有的纠偏装置在纠偏控制精度、适用范围、实时获取张力分布信号等方面仍难于满足现有工况的需求。相应地，本领域亟需针对上述技术问题寻求更为完善的解决方案，以满足目前日益提高的工艺要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器，其中通过对该纠偏器的整体构造组成进行调整，并对其关键部件如纠偏单元、流向调整单元、角度测量单元、角度调整单元等在具体结构和安装设置方式作出重新设计，同时也优化了相应的控制算法，相应与现有纠偏设备相比其功能有了显著地提高：它不仅能实时精确地检测张力分布及实现纠偏，还具备纠偏框架姿态的角度测量和调整等功能，以控制姿态偏差对张力分布和纠偏控制的影响；同时它还适用于正负双流向模式，应用范围更为广泛，因而更加适用于各类物料卷绕输送张力分布检测和纠偏控制的场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器，该纠偏器包括纠偏单元、流向调整单元、角度测量单元、角度调整单元和中央处理单元，其特征在于：

所述纠偏单元包括传动辊、张力辊、柔性传感器和纠偏执行机构，其中该传动辊、张力辊保持对置地布置在物料输送路径的上、下游位置，由此相互配合将物料执行输送；该柔性传感器的数量为多条，它们沿着所述张力辊的辊筒轴向方向间隔布置，并且各条柔性传感器环绕此辊筒周向方向对应排布有多个测量点，由此对绕经所述张力辊而输送的物料的张力分布信号F_j及总张力信号F₀均执行实时测量，然后发送至所述中央处理单元进行处理；该纠偏执行机构安装在纠偏框架上，并基于所述中央处理单元的张力纠偏指令，相应执行张力调整；

所述流向调整单元包括固定板和旋转关节，其中该固定板用于将所述纠偏单元、角度测量单元和角度调整单元整体承载其上，并确保所述纠偏单元的张力辊保持与物料输送方向也即X轴方向相平行；该旋转关节安装在所述固定板的下部，并用于将此固定板及承载其上的单元执行180°的旋转，由此实现物料双流向的纠偏模式：初始状态下，物料沿着X轴正方向输送，所述纠偏单元相应执行正流向的纠偏操作；当旋转180°后，物料沿着X轴负方向输送，所述纠偏单元同时也发生180°的旋转，相应执行负流向的纠偏操作；

所述角度测量单元安装在所述传动辊、张力辊的附近，用于对所述纠偏框架的姿势误差进行实时测量，并将此姿势误差测量值发送至所述中央处理单元进行处理；所述姿势误差包括所述传动辊或者张力辊的轴心线高度偏差所导致的回转角偏差，以及所述传动辊或者张力辊的两端高度差所导致的俯仰角偏差；

所述角度调整单元则基于所述中央处理单元的角度纠偏指令，相应执行回转角偏差调整和俯仰角偏差调整。

作为进一步优选地，所述纠偏执行机构优选包括驱动块、传动轴、滑块和导向轴，其中该驱动块与滑块通过球关节固定装在所述纠偏框架上，该传动轴则在电机驱动下带动所述驱动块沿着所述传动轴的轴向方向运动，进而带动所述纠偏框架发生偏转，同时带动所述滑块沿着所述导向轴滑动。

作为进一步优选地，所述角度测量单元优选为重力感应传感器，所述角度调整单元优选为手动调整式的千分头。

作为进一步优选地，所述张力分布信号F_j、总张力信号F₀优选依照下列公式(一)和(二)进行计算：

F_j＝K_jQ_j j＝1,2,...,m (一)

F₀＝K₀∑F_j (二)

其中，j表示各条柔性传感器沿着所述张力辊的辊筒周向方向所对应排布的多个测量点的次序编号，m为这些测量点的总数量；K_j表示针对所述次序编号为j的测量点所统一预设的张力比例系数；Q_j表示所述次序编号为j的测量点处所对应的张力值，并且该张力值被设定等于在沿着所述张力辊的辊筒轴向方向间隔布置的多条柔性传感器中、所述次序编号均为j的测量点处所测量反馈的多个信号的峰值；此外，K₀表示张力分布的密度系数，其可根据沿着柔性传感器的所有测量点的密度状态而预先设定。

作为进一步优选地，优选基于所述张力分布信号F_j、并依照以下公式(三)进一步计算获得反映总体张力分布规律的函数式ΔF：

ΔF＝f(Δx_j,F_j) (三)

其中，f表示取B样条函数的形式，Δx_j表示所述次序编号为j的测量点与该测量点所处柔性传感器的基准测量点O_datum之间的距离偏差，并且该基准测量点O_datum被选取为该条柔性传感器的长度中点。

作为进一步优选地，所述纠偏执行机构采用距离纠偏和角度纠偏的方式来执行张力调整过程，并且其中纠偏距离Δx优选依照下列公式(四)来计算：

Δx＝|Δx_max+Δx_min|/2 (四)

其中，Δx_max表示在所有张力值Q_j非零的测量点中，其次序编号j最大的测量点所对应的距离偏差值；Δx_min表示为在所有张力值Q_j非零的测量点中，其次序编号j最小的测量点所对应的距离偏差值；

此外，当计算出的所述纠偏距离Δx大于或等于本纠偏器自身的最大纠偏距离参数δ时，则将所述纠偏角度γ设定等于本纠偏器自身的最大纠偏角度参数θ；而当计算出的所述纠偏距离Δx小于本纠偏器自身的最大纠偏距离参数δ时，则优选依照下列公式(五)来计算所述纠偏角度：

其中，L表示所述纠偏框架的旋转中心与所述张力辊的端部边缘之间的距离。

作为进一步优选地，当所述角度测量单元测量获知当前存在所述俯仰角偏差时，优选依照下列公式(六)进一步计算得出所述张力辊的张力分布变化量ΔF_β,Δx：

ΔF_β,Δx＝2C₀·Δx·tanβ (六)

其中，C₀是与所输送的物料相关的常量；β表示所述纠偏框架的当前俯仰角。

当所述角度测量单元测量获知当前存在所述回转角偏差时，优选依照下列公式(七)进一步计算得出所述张力辊去掉回转角偏差影响后的理论张力分布信号F_Δx：

其中，F_α,Δx表示为有回转角α时Δx处张力值，F_Δx表示为去掉回转角α偏差影响后Δx处理论张力值，为没有回转角α时薄膜的包角，可根据实际情况进行测量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明中通过对纠偏器的整体构造布局重新进行了设计，相应能够以结构紧凑、便于操控的方式实现对物料输送的张力分布信号和纠偏信号的实时监控，与现有设备相比可显著提高纠偏精度；

2、本发明中还对一些关键部件如纠偏单元、角度测量单元、角度调整单元等在具体结构和安装设置方式做出改进，尤其是也优化了相应的控制算法，相应能够方便地测量纠偏框架安装后的姿态状况并进行调整，进而可确保进一步提高最终可获得的纠偏控制精度；

3、本发明中还针对重新布局后的纠偏器构造专门设置有流向调整单元，由此能够结合张力辊张力分布测量及高精度调整的应用特点，有效实现双流向纠偏功能，极大扩大了本纠偏器的适用范围，在实际应用中可显著提高纠偏效率；

4、按照本发明的纠偏器结构简化、纠偏精度高，并具备结构集成度高、信号采集准确、便于操控、适应性和可靠性强等特点，因而尤其适用于各类卷到卷的柔性膜料卷张力检测及纠偏控制应用场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器的整体构造示意图；

图2是纠偏框架安装后的姿态偏差示意图；

图3是按照本发明优选实施方式的纠偏原理示意图；

图4是用于示范性说明俯仰角对张力分布的影响的原理示意图；

图5是用于示范性说明回转角对张力分布的影响的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器的整体构造示意图。如图1所示，该纠偏器主要包括纠偏单元、流向调整单元、角度测量单元、角度调整单元和中央处理单元等组件，下面将对其逐一进行具体说明。

所述纠偏单元包括传动辊11、张力辊12、柔性传感器13和纠偏执行机构等，其中传动辊11、张力辊12保持对置地布置在物料输送路径的上、下游位置，由此相互配合将物料执行输送。例如，传动辊11可安装在安装框架10上，可自由旋转，用于将薄膜导入纠偏机构；张力辊12同样可自由旋转地固定在安装框架10上，并用于为薄膜提供适当的张力以便准确输送。

柔性传感器13的数量为多条，它们沿着张力辊12的辊筒轴向方向间隔布置。此外，每条柔性传感器优选环绕此辊筒周向方向而均匀分布，譬如可采用直线、螺旋或其他形式贴覆。每条柔性传感器上还彼此对应地排布有多个测量点，由此对绕经所述张力辊12而输送的物料的张力分布信号F_j，与此同时多条柔性传感器所有测量点所构成的测量点阵列，则能够对所输送薄膜的总张力信号F₀执行实时测量，然后一并发送至所述中央处理单元进行处理。

参见图3，显示了按照本发明优选实施方式的纠偏原理。在此优选实施方式中，所述纠偏执行机构安装在纠偏框架上，并基于所述中央处理单元中央处理单元50的张力纠偏指令，相应执行张力调整；更具体而言，此纠偏执行机构可以包括驱动块30、传动轴31、滑块33和导向轴34等，其中该驱动块30与滑块33譬如通过球关节32固定装在所述纠偏框架上，该传动轴31则在电机驱动下带动驱动块30沿着传动轴31的轴向方向运动，进而带动纠偏框架发生偏转，同时带动滑块33沿着导向轴34滑动。此外，本纠偏器的最大纠偏距离参数为δ，最大偏转角为θ，并且δ＝tanθ·L≈θL，其中L表示纠偏框架的旋转中心与张力辊12的端部边缘之间的距离。

继续参看图1，本纠偏器还包括流向调整单元。该流向调整单元包括固定板41和旋转关节40，其中该固定板41用于将所述纠偏单元、角度测量单元和角度调整单元整体承载其上，并确保所述纠偏单元的张力辊12保持与物料输送方向也即X轴方向相平行；该旋转关节40安装在固定板41的下部，并用于将此固定板及承载其上的单元执行180°的旋转，由此实现物料双流向的纠偏模式：初始状态下，物料沿着X轴正方向输送，所述纠偏单元相应执行正流向的纠偏操作；当旋转180°后，物料沿着X轴负方向输送，所述纠偏单元同时也发生180°的旋转，相应执行负流向的纠偏操作。

参看图2，显示了纠偏框架安装后的姿态偏差示意。如图所示，当按照本发明的纠偏框架安装后，实际情况下往往会存在俯仰角偏差和回转角偏差，因此有必要对其也执行检测和相应消除。为此目的，优选可以在传动辊11、张力辊12的附近设置有角度测量单元，以便对所述纠偏框架的姿势误差进行实时测量，并将此姿势误差测量值发送至所述中央处理单元进行处理。更具体地，此角度测量装置譬如可选择为重力感应传感器，其测量原理在此不再赘述。所述姿势误差则包括所述传动辊或者张力辊的轴心线高度偏差所导致的回转角α偏差，以及所述传动辊或者张力辊的两端高度差所导致的俯仰角β偏差。

相应地，所述角度调整单元譬如可包括锁紧螺栓20、千分头21，球头柱塞22等。当角度测量单元检测到安装框架10存在俯仰角β偏差和回转角α偏差时，可松开锁紧螺栓20，操作千分头21进行微调，此时球头柱塞22帮助支承安装框架10以及张力辊和传动辊；而当调节千分头21至消除俯仰角和回转角偏差后，最后拧紧锁紧螺钉20。通过此方式，所述的角度调整单元可以对安装框架进行调整，消除该纠偏器安装后的回转角α、俯仰角β偏差。

此外，本发明中还对张力检测及相应纠偏操作的具体算法处理做出了进一步的优化设计，相应配合上述构造和关键部件上的改进，最终确保可获得令人满意的纠偏效果。

按照本发明的一个优选实施方式，所述张力分布信号F_j、总张力信号F₀优选依照下列公式(一)和(二)进行计算：

F_j＝K_jQ_j j＝1,2,...,m (一)

F₀＝K₀∑F_j (二)

其中，j表示各条柔性传感器沿着所述张力辊的辊筒周向方向所对应排布的多个测量点的次序编号，m为这些测量点的总数量；K_j表示针对所述次序编号为j的测量点所统一预设的张力比例系数；Q_j表示所述次序编号为j的测量点处所对应的张力值，并且该张力值被设定等于在沿着所述张力辊的辊筒轴向方向间隔布置的多条柔性传感器中、所述次序编号均为j的测量点处所测量反馈的多个信号的峰值；此外，K₀表示张力分布的密度系数，其可根据沿着柔性传感器的所有测量点的密度状态而预先设定。例如，K_j、K₀可通过细线和一定宽度的薄膜在已知拉力下，卷绕在张力辊上所测的电信号实验进行测量标定。

按照本发明的另一优选实施方式，优选基于所述张力分布信号F_j、并依照以下公式(三)进一步计算获得反映总体张力分布规律的函数式ΔF：

ΔF＝f(Δx_j,F_j) (三)

其中，f表示取B样条函数的形式，Δx_j表示所述次序编号为j的测量点与该测量点所处柔性传感器的基准测量点O_datum之间的距离偏差，并且该基准测量点O_datum被选取为该条柔性传感器的长度中点。以此方式，B样条曲线非常灵活，其局部形状受点(Δx_j,F_j)控制，张力分布规律更为直观。

此外，按照本发明的又一优选实施方式，所述纠偏执行机构可采用距离纠偏和角度纠偏的方式来执行张力调整过程，并且其中纠偏距离Δx优选依照下列公式(四)来计算：

Δx＝|Δx_max+Δx_min|/2 (四)

其中，Δx_max表示在所有张力值Q_j非零的测量点中，其次序编号j最大的测量点所对应的距离偏差值；Δx_min表示为在所有张力值Q_j非零的测量点中，其次序编号j最小的测量点所对应的距离偏差值。

具体而言，当计算出的所述纠偏距离Δx大于或等于本纠偏器自身的最大纠偏距离参数δ时，则将所述纠偏角度γ设定等于本纠偏器自身的最大纠偏角度参数θ；而当计算出的所述纠偏距离Δx小于本纠偏器自身的最大纠偏距离参数δ时，则优选依照下列公式(五)来计算所述纠偏角度：

其中，L表示所述旋转关节的旋转中心与所述张力辊的端部之间的距离。

接着参看图4，当纠偏框架存在一定的俯仰角β时，可以使张力辊以中心为基准左右倾斜，一端物料被放松，一端物料被张紧。由于物料放松或张紧产生形变量，相应地，按照本发明的又一优选实施方式，可依照下列公式(六)进一步计算得出所述张力辊的张力分布变化量ΔF_β,Δx：

ΔF_β,Δx＝2C₀·Δx·tanβ (六)

其中，C₀是与所输送的物料相关的常量；β表示所述纠偏框架的当前俯仰角。具体而言，若张力辊12左俯右仰，则薄膜向左侧移，可控制纠偏器向右偏转以实现纠偏。反之，则控制纠偏器向左纠偏。

接着参看图5，当纠偏框架存在一定的回转角α时，物料在张力辊12的包角也相应地增大α；此时按照本发明的又一优选实施方式，当所述角度测量单元测量获知当前存在所述回转角偏差α时，优选依照下列公式(七)可进一步计算得出所述张力辊去掉回转角偏差影响后的理论张力分布信号F_Δx：

其中，F_α,Δx表示为有回转角α时Δx处张力值，F_Δx表示为去掉回转角α偏差影响后Δx处理论张力值，为没有回转角α时薄膜的包角，可根据实际情况进行测量。

综上，按照本发明的基于柔性传感器张力分布检测的纠偏器不仅能实时精确地检测张力分布及实现纠偏，还具备纠偏框架姿态的角度测量和调整等功能，以控制姿态偏差对张力分布和纠偏控制的影响；同时它还适用于正负双流向模式，应用范围更为广泛，因而更加适用于各类物料卷绕输送张力分布检测和纠偏控制的场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。