在卷對(duì)卷涂布生產(chǎn)過(guò)程中，精確的張力控制和適當(dāng)?shù)膹埩υO(shè)置是能否生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。由于不同的基材有不同的張力設(shè)定范圍，因此要通過(guò)控制裝置對(duì)相關(guān)單元進(jìn)行張力控制，以實(shí)現(xiàn)基材的穩(wěn)定運(yùn)行和工藝要求。
張力控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在鋰電池、柔性電子、水處理（過(guò)濾膜）、光伏、造紙、光學(xué)膜、包裝、印刷和紡織印染等行業(yè)中。本文介紹了張力的基本概念、檢測(cè)方法、影響張力變化的因素和張力引發(fā)的涂布缺陷以及張力控制。
張力：彈性物體拉長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。
力：推力或拉力。
力矩：描述力對(duì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)作用。
扭矩：在一定距離處產(chǎn)生或傾向于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力。
張力：涂布過(guò)程中，電機(jī)通過(guò)制造扭力，使傳動(dòng)輥和收放卷能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)依程序要求控制扭矩和速度，進(jìn)而控制各傳動(dòng)輥之間基材的力，稱為張力。
張力檢測(cè)是張力控制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，檢測(cè)信號(hào)的精度直接影響著控制精度。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，大致分為稱重傳感器檢測(cè)和擺輥檢測(cè)兩類。
稱重傳感器是一種測(cè)力系統(tǒng)，是通過(guò)彈簧元件和應(yīng)變片的組合，將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。
按工作原理可以分為電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式、振弦式等。
按結(jié)構(gòu)形式可以分為S型、柱式、懸臂梁式、剪切梁式、輪輻式、圓環(huán)式、箱式等。
優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量實(shí)際張力，響應(yīng)速度快，線性好，檢測(cè)范圍寬，維護(hù)成本低。
缺點(diǎn)：蓄積量小，對(duì)高頻擾動(dòng)響應(yīng)差，設(shè)備的加減速難以處理，不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷等。
（圖片來(lái)源：https://www.hbm.com/）
擺輥檢測(cè)張力是通過(guò)電位器來(lái)檢測(cè)擺輥偏離中心零位（擺輥?zhàn)匀淮怪蔽恢茫┑慕嵌?，而間接檢測(cè)張力的大小和變化波動(dòng)，這個(gè)過(guò)程需要使用擺輥反饋信號(hào)，通過(guò)擺輥的位置偏差來(lái)反映張力的波動(dòng)量。
分類：按機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為重量調(diào)節(jié)器式、彈簧調(diào)節(jié)器式和蓄積器。
優(yōu)點(diǎn)：吸收或隔離張力的擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。
缺點(diǎn)：導(dǎo)輥擺動(dòng)式會(huì)導(dǎo)致張力波動(dòng)，精度不高、壽命短。
（圖片來(lái)源：A Parameter Self-Tuning Decoupling Controller Based on an Improved ADRC for Tension Systems）
影響張力的各種因素廣泛存在于涂布機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如放卷單元、涂布單元、干燥單元和收卷單元。
（圖片來(lái)源：A Parameter Self-Tuning Decoupling Controller Based on an Improved ADRC for Tension Systems）
①基材纏繞不均勻、質(zhì)量不均勻、卷芯偏心等；
②基材的內(nèi)在質(zhì)量水平，如均勻性、直線性和表觀弊病等；
③卷料的直徑變化、不停機(jī)接換卷料、翻轉(zhuǎn)架和卷軸切換導(dǎo)致的機(jī)器振動(dòng)等。
①涂布環(huán)境，如溫度、濕度、壓力、靜電和潔凈度等；
②涂布工藝參數(shù)，如涂布速度、涂層厚度等；
③涂布液的性質(zhì)，如黏度、表面張力和固含量等。
②基材受到導(dǎo)輥拉伸產(chǎn)生彈性應(yīng)變；
④熱風(fēng)干燥中烘箱長(zhǎng)度、風(fēng)速、溫度、風(fēng)嘴分布及排列方式等。
收卷單元主要功能為實(shí)現(xiàn)基材的收取及保證收卷段張力平穩(wěn)，避免帶材靠?jī)?nèi)芯處出現(xiàn)皺折或擠成錐形突起。
如果生產(chǎn)加工過(guò)程張力控制效果不能達(dá)到工藝控制的基本要求，將嚴(yán)重影響涂布過(guò)程和產(chǎn)品的表觀質(zhì)量：
①橘皮
（圖片來(lái)源：http://www.fms-technology.com.cn/）
涂布機(jī)作為多跨度卷繞系統(tǒng)，具有多個(gè)輸入和輸出，運(yùn)行時(shí)不僅會(huì)受到工業(yè)生產(chǎn)車間的未知擾動(dòng)，還存在子系統(tǒng)之間速度與張力的耦合，以及參數(shù)隨時(shí)間變化，因此要通過(guò)控制裝置對(duì)多個(gè)相關(guān)單元進(jìn)行張力控制，以實(shí)現(xiàn)基材的穩(wěn)定運(yùn)行和工藝要求。
（圖片來(lái)源：張力控制器系統(tǒng)原理及應(yīng)用行業(yè)）
卷繞系統(tǒng)的控制是一個(gè)比較具有挑戰(zhàn)的工業(yè)控制問(wèn)題。卷繞系統(tǒng)張力控制應(yīng)用的方法有PID，模糊邏輯，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最優(yōu)控制以及魯棒控制等。近來(lái)針對(duì)多跨度卷繞系統(tǒng)的料帶傳輸控制，又提出了魯棒李雅普諾夫反饋控制以及一自由度或二自由度控制策略的多變量H∞控制。
卷繞控制系統(tǒng)一般具有多個(gè)子系統(tǒng)，且子系統(tǒng)相互連接，張力與速度之間相互耦合，故其控制不僅需要考慮控制器，還需要考慮控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對(duì)這種大規(guī)?；ミB系統(tǒng)，使用集中控制存在較多缺點(diǎn)，學(xué)術(shù)界提出了其他的控制結(jié)構(gòu)如分布式控制、分散控制以及重疊分散控制等，以改進(jìn)控制系統(tǒng)性能。
卷料傳送流程的主要在于保證最小的料帶損傷，同時(shí)以最大的速度傳動(dòng)。為了達(dá)到此目的，卷料張力控制至關(guān)重要，原因如下：
①影響料帶的結(jié)構(gòu)，比如料帶的長(zhǎng)度和寬度；
②有助于減少褶皺，較高的張力有助于減少因卷輥錯(cuò)位而產(chǎn)生的褶皺，但過(guò)高的張力反而會(huì)引起更多褶皺；
③影響卷輥?zhàn)钔鈱拥膹埩Γ瑥亩绊懏a(chǎn)品輥的外形，最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
為了使張力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，一般使用的控制方式有：手動(dòng)控制、開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制。
手動(dòng)控制張力需要操作員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和觀察基材的類型、寬度、速度等因素來(lái)調(diào)整張力，以確保材料在整個(gè)涂布過(guò)程中保持穩(wěn)定的張力，主要用在涂布機(jī)的放卷單元和收卷單元。
在張力控制系統(tǒng)中，開(kāi)環(huán)控制主要是一種基于預(yù)設(shè)張力值的控制方法，通過(guò)設(shè)備本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)控制張力的大小。預(yù)設(shè)張力值被輸入到張力控制器中，然后控制器會(huì)通過(guò)控制電機(jī)或剎車來(lái)使張力維持在預(yù)設(shè)的值。
（圖片來(lái)源：Basics of web tension control summary）
（圖片來(lái)源：Basics of web tension control summary）
③監(jiān)測(cè)收放卷轉(zhuǎn)速及薄膜的速度控制
（圖片來(lái)源：Basics of web tension control summary）
閉環(huán)控制是一種反饋控制，它通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的差異進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和比較，計(jì)算出控制誤差，并將誤差信號(hào)反饋給控制器來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制量。通常使用張力傳感器、浮動(dòng)輥、自由式浮動(dòng)輥等反饋器件，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)修正電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)較高的張力精度。
①?gòu)埩鞲衅骺刂葡到y(tǒng)
（圖片來(lái)源：Basics of web tension control summary）
②浮動(dòng)輥控制系統(tǒng)
（圖片來(lái)源：Basics of web tension control summary）
[1]Basics of web tension control summary,present by Darrell Whiteside, Sales Channel Manager-Tension Control Maxcess International
[2]A Parameter Self-Tuning Decoupling Controller Based on anImproved ADRC for Tension Systems
[3]Control methodology for tensioned web considering thermal behavior in roll-to-roll manufacturing systems
[4]謝林利.太陽(yáng)能薄膜電池涂布生產(chǎn)線的張力控制研究[D].江南大學(xué),2015.
[5]楊韻勍.涂布機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].東北大學(xué),2022.
[6]王嘯曦.現(xiàn)代涂布工藝流水線相關(guān)技術(shù)研究[D].江蘇科技大學(xué),2020.
[7]范占峰.稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2014.
[8]何軍鋒.基于可編程控制器的分切機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].西安理工大學(xué),2009.
[9]張加語(yǔ).基于線性自抗擾的涂布復(fù)合機(jī)張力與速度控制[D].上海交通大學(xué),2020.
[10]GB/T 5327—2008《表面活性劑術(shù)語(yǔ)》
文章來(lái)源：中國(guó)涂布技術(shù)研究
