卷绕机构张力设定方法的研究与实现

卷绕机构张力设定方法的研究与实现

吴　峻

(东南大学仪器科学与工程系　南京　210096)

摘　要:提出采用平面接触型蜗卷弹簧的摆杆———弹簧机构,实现初始张力值设定,并在实验室样机设计中得以实现。该机构具有较好的动态特性,满足了系统要求。关键词:卷绕机构　张力设定　蜗卷　弹簧　动态特性

中图分类号:H112.5文献标识码:A文章编号:1004-4507(1999)03-0015-03

1　引言

张力设定机构是各类用于复卷带状材料和线材类的生产设备中不可缺少的组成部分,它为卷绕过程提供初始的张力值,一般在卷绕过程中,要求能保持设定值不变或按一定的规律变化。

张力设定有多种方式,常见的有机械式、电器式和数字式3种设定方法。机械式张力设定方法通常采用弹簧来实现,弹簧的伸长量确定后,张力值也就确定了。改变弹簧的弹力可以改变张力的设定值,设定的精度取决于弹簧的弹性系数。电器式张力设定方法通常采用力矩电机来实现,由电机的特性知道,张力与力矩电机电枢电压成线性关系,这样,张力设定就可用调节电机电枢电压的方法实现。数字式张力设定方法是将张力设定值转换为数字量,存放在计算机某存储单元内,在系统运行过程中,把张力检测传感器检测到的张力值经A/D转换后,将此数字量与原设定数字量相比较。这种设定方法没有误差,设定值在系统运行过程中不会改变,而且,也不受环境、温度、时间等变化的影响。

在生产电容器的卷绕机中,也存在初始张力的设定问题。电容器卷绕机的工作特点是启动、制动频繁,且张力波动因素很多,无法预测和预先消除。因此,波动的情况会经常发生。这就要求张力设定机构除了能提供初始的张力设定值外,必须要具有较好的动态特性。本文结合某小型金属化膜电容器卷绕机的研制要求,提出了一种采用平面接触型蜗卷弹簧的摆杆———弹簧机构来实现初始张力值的设定方法,以满足系统的要求。

2　张力设定法原理

对张力设定机构中弹簧的要求,一方面是载荷与变形要成线性关系,另一方面是要有较好的减振缓冲特性。

平面接触型蜗卷弹簧的扭矩特性,是由卷芯的外径、外壳的内径、弹簧的长度和截面尺寸,弹簧接触面的摩擦情况决定的。由于有摩擦的影响,接触形蜗卷弹簧的计算是非常困难的。将蜗卷弹簧在卷芯上卷紧,然后松开,可得到如图1所示的扭矩特性线图。

图中直线部分的斜率,即弹簧刚度p′由下式得出:

p′=

πE b h3

6L

式中:E———材料的弹性模量

b———弹簧的宽度

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h ———弹簧的厚度L ———

弹簧的长度

图1　扭矩特性线图

从图中可看出,由于各圈或各层之间具

有摩擦力,其载荷和变形的关系在加载和卸载时是不一样的。也就是说加载时所吸收的能量大于在卸载时所放出的能量,这时每一循环所消耗的外界能量(也就是消耗于内摩擦的能量)是图中每一循环所包孕的面积,减振和缓冲就是利用这种原理。

缓冲效率η是判断缓冲性能是否良好的参数,它的定义为:

η=

12W V 2

0g

P max F max

其中:W ———冲击物体的重量

V 0———冲击速度

P

max ———最大冲击力

F max ———缓冲装置的最大变形能

通常η值总是在0～1之间。理想情况下,η=1。但是,如果只用一定刚度的弹簧制成的缓冲装置,其缓冲效率η只能是015。对于平面接触蜗卷弹簧,层与层之间的摩擦起到了阻尼器的作用,其缓冲效率将高于其它不具备此特性的弹簧。

从减振缓冲的观点看,弹簧所吸收的能量愈大愈好,即希望弹簧的变形能愈大愈好。

那么,对一定的外力而言,弹簧的刚度愈小愈

好。

从上述两个特性可以看出,采用此摆杆———弹簧机构来实现张力设定,可提供较为恒定的张力设定值。这是由于本系统特点的原因,摆杆的摆动范围小于100°。因此,通过选择恰当的弹簧刚度,可认为摆杆摆动时,对应于扭矩特性线图上的部分,可近似地认为是与水平线平行的一段直线,即ΔA →0。而且还具有较好的减振缓冲性能。

3　张力设定法的实现

用于张力设定的摆杆———弹簧机构的简图,如图2所示。

图2　摆杆———弹簧机构简图

1、2、31过渡辊　41摆杆　5、61平面蜗卷弹簧

71蜗轮蜗杆机构

设定的张力值是由平面蜗卷弹簧2产生

的扭矩,通过摆杆和过渡辊2转化为相应的张力值加在金属化膜上。

由于有摩擦的存在,使得计算值很难和实测值相符合。因此,要想既获得较好的扭矩特性(摩擦对接触型蜗卷弹簧的影响很大),又具有较好的缓冲减振特性,就必须在估算前提下进行大量的实验和调试工作。估算的方法是先求出不受外壳约束,处于自由状态时弹簧各部分的曲率;然后再由弹簧在外壳内松卷和卷紧时各部分的曲率,来求出

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1　1999年第3期 《电子工业专用设备》 第28卷

扭矩特性或弹簧尺寸。这种计算方法可得到较精确的近似结果,但是计算很麻烦,具体的计算方法和步骤可参考文献[1]中的相关内容,这里不再列出。

另外,接触形蜗卷弹簧的使用要求和其他弹簧相比,有显著的不同。其他弹簧一般都是在该弹簧总的可能变形的某一中间范围内使用,而接触形蜗卷弹簧则多是要求从最大扭矩附近起,直到放松至所规定的圈数,都能保持一定的扭矩。也就是以其变形的极限位置附近为工作起点,并在尽可能长的范围内使用。

为了便于设定值的设定和调整,以及设定值的保持,设计了蜗轮蜗杆机构,蜗轮轴与蜗卷弹簧的卷芯轴固联,利用蜗轮蜗杆具有较大传动比的特点,使设定值可得到较细化的调整,而蜗轮蜗杆传动机构的反向自锁性能,又保证了设定好的设定值。

在实验室样机中还实现了张力设定值自动调整,具体作法:通过键盘或拨码盘键入所需设定的张力值,计算机将其转化为与蜗轮所需转动的角度值相对应的步进电机的控制量,步进电机输出轴与蜗杆相固联,再在蜗轮轴上安装一光码盘和光电传感器,以检测蜗轮实际转过的角度,即蜗卷弹簧所转的角度,计算机通过对光电传感器的输出进行采样,构成反馈控制,提高设定精度。

4　结束语

上述采用平面接触型蜗卷弹簧的摆杆———弹簧机构实现张力设定的方法已在实验室样机中调试完成,取得较满意的结果,但如何通过探索更贴近实际,以更精确的计算方法来设计这一类弹簧机构是需要进一步完成的工作,这样可以减轻大量的机械式的调试工作。此外,摆杆———弹簧机构的尺寸及材料是依据优化算法确定的,本文在此不作讨论。

参考文献

[1]汪曾祥1弹簧设计手册[M]1上海:科学技术文

献出版社,19861

[2]《机械设计手册》中册,第二版(修订)[M]1北

京:化学工业出版社,19871

[3]何立民1MCS—51系列单片机应用系统设计

[M]1北京航空航天大学出版社,19891

(上接第15页)

的IP-8000/IP8000J/IP9000;Speed fam公司的AU RIG A C;住友金属工业公司的绝缘膜用SP4000;金属膜用SP5000;东芝公司的CMS-200M;Peter W olters Weekzeugmaschinen 公司的PM200等[6]。

参考文献

[1]邓永孝1半导体器件失效分析[M]1北京:宇航

出版社,19911911

[2]翁寿松1铜布线是IC产业世纪之交的话题[R]1

中国电子报,1999-36-31

[3]新井将之1量产始まるCu配线LSI,动作周波

数が10%向上[J]1j日经 , 1998,(727):471

[4]川根利昭1Semicon west98装置开发は300mm

から微细化对应÷Cu 关连装置に注目集まる[J]1Semiconductor world,1998,(10):191 [5]松浦正纯,益子洋治1300mm/0118μm时代の绝

缘膜形成技术[J]1Semiconductor world,1997,

(14):2731

[6]宫鸣基宁1300mm/0118μm• 对应の

CMP装置[J]1Semiconductor world,1997,(14): 831

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