基材张力是指在设备运行方向上对连续卷材施加的拉力，可直观理解为基材的“绷紧程度”。在卷材处理过程中，张力是确保基材稳定传输与涂布质量的核心参数。精确的张力控制能够有效避免产品拉伸、褶皱、跑偏等问题，提升生产连续性，减少材料浪费，是保障高效、高品质生产的基础之一。
典型的卷筒料涂布机张力系统划分
（图片来源：卷筒料涂布机储料收卷系统张力控制方法研究与实现）
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张力控制的重要性
在涂布生产过程中，张力是实现稳定传输与质量控制的关键，其核心作用可归纳为：
🔸保证传输与动力传递：适当的张力使基材与各辊筒间保持足够的摩擦力，确保基材平稳传输，避免打滑、跑偏或堆积。
🔸维持产品形状与尺寸稳定：过大的张力会导致基材拉伸变形（如宽度变窄、厚度变薄），而张力不足则可能引起基材松弛起皱，精准控制有助于保持基材原有的尺寸与平整度。
🔸保障核心工艺质量：
—涂布、模切、分切：精确的张力是确保涂布均匀、模切位置精准及分切整齐的前提。
—复合工艺：各层材料间的张力匹配直接影响复合效果，张力不均会导致成品卷曲。
—收/放卷：稳定的张力是获得整齐卷形、防止“滑卷”与断料的基础。
🔸提升生产效率：良好的张力控制能有效减少因断料、褶皱、频繁调整等导致的停机，保障生产线的连续、高效运行。
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关键控制区域
一台典型的涂布设备通常包含三个独立的张力控制区，分别是：放卷区、中间区和收卷区。
🔸放卷区：包括储料架和放卷单元，放卷时，随着卷径减小，驱动扭矩必须减小。
放卷机组结构示意图
（图片来源：《电子器件精密涂布机张力系统耦合建模与解耦控制策略研究》）
🔸中间区：此区域是涂布、干燥等核心工艺进行区，张力必须保持高度稳定。
多级烘箱张力单元结构图
（图片来源：《电子器件精密涂布机张力系统耦合建模与解耦控制策略研究》）
🔸收卷区：包括收卷单元和储料架，随着卷径增大，驱动扭矩必须线性增大，或按“锥度”策略控制。
收卷张力子系统结构图
（图片来源：《电子器件精密涂布机张力系统耦合建模与解耦控制策略研究》）
锥度张力：通常仅用于收卷区。为避免收卷外紧内松导致内层材料出现星形褶皱或芯管变形，并保持内外层压实压力一致，张力会随着卷径的增大而按一定比例线性降低。
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张力失衡的典型表现与控制策略
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典型表现
🔸卷曲变形：复合材料因各层张力不匹配而向张力较高的一侧卷曲。
🔸厚度不均：张力波动引起基材纵向拉伸不一致，影响厚度均匀性。
🔸收卷缺陷：张力不当可导致收卷松紧不一、端面不齐、内部起皱等问题。
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控制策略
🔸梯度设置：张力从放卷到收卷通常逐步递增，以维持系统稳定。
🔸材质适配：刚性基材通常需要较高张力，而柔性基材宜采用较低张力。
🔸温度与环境补偿：在高温环境下需适当调低张力，防止材料软化拉伸。
🔸后道工艺配合：通过熟化等工艺释放内应力，提升成品稳定性。
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张力检测
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常用检测方式
🔸微位移张力传感器
原理：传感器中的一种，是利用弹性体将所受张力转换为微小形变，再由应变片将此形变转为电阻变化，最终通过测量电路输出正比于张力的电信号。
优点：精度高，响应快；安装简单，结构紧凑。（描述是否准确？微位移是典型的接触式测量，激光测距是非接触式测量）。
缺点：对机械安装要求高，量程固定，成本相对较高。
适用场景：对材料表面有保护要求，不能有滑动摩擦的工艺的高精度、高响应速度测量场景。
张力传感器结构示意图
（图片来源：《涂布张力控制技术与典型案例分析》）
张力传感器实物图
🔸摆辊系统
原理：通过检测基材张力使摆辊产生的摆动角度，来间接计算出张力值。
·单摆辊系统：有一个可摆动的检测辊，结构简单。
单摆辊系统结构示意图
（图片来源：《电子器件精密涂布机张力系统耦合建模与解耦控制策略研究》）
单摆辊系统结构实物图
（图片来源：豆包AI生成）
·双摆辊系统：有两个可摆动的检测辊，提高摆辊测量精度，用摆辊实现小张力测量。
双摆辊系统工作示意图
（图片来源：《涂布张力控制技术与典型案例分析》）
优点：测量稳定可靠；结构坚固，承载能力强；成本相对较低，维护简便。
缺点：响应速度较慢，存在机械摩擦，占用空间较大。
适用场景：小张力测量。
🔸电机扭矩
原理：通过测量电机的实时输出扭矩与卷径，依据张力=扭矩/卷径的公式间接计算出材料张力。
优点：无需额外的硬件传感器，成本低，系统结构简单；无接触测量；适合收/放卷的直径变化大的场合
缺点：精度相对较低，动态响应一般。
适用场景：用于有驱动的主动辊，不能用于检测从动辊的张力。
电机扭矩工作示意图
（图片来源：https://www./article/2209.html）
电机扭矩测试仪
（图片来源：https://www.chem17.com/st316227/product_34156103.html）
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张力检测难点
🔸小张力检测困难
·小张力产生的力矩信号极其微弱，远超常规传感器的分辨能力，导致有效信号被噪声淹没，信噪比急剧恶化
·机械结构存在固有“死区”，轴承的静摩擦力会形成力矩阈值，使系统对低于该值的张力变化完全失灵，而传动部件的微小间隙则会造成信号断续。
·为感知微小张力而采用的低刚度设计，往往以牺牲响应速度为代价，引发系统惯性增大和振荡倾向，进一步加剧了检测与控制的难度。
🔸摆杆检测干扰
在通过摆杆角度换算张力时，任何微小的角度测量噪声（如机械振动或传感器信号抖动）在后续的信号处理（如求导）过程中都会被显著放大，这极大地增加了精确检测张力的难度。
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张力控制
张力控制是卷对卷涂布设备的核心环节，其性能直接决定了基材传输的平稳性、涂层质量的均匀性，同时也是防止基材断裂或皱褶的关键。根据控制原理与精度需求，张力控制系统主要分为手动控制、开环控制与闭环控制，其中闭环控制是目前使用最为广泛的控制方法。
01
闭环控制系统
亦称反馈控制，通过实时监测系统输出（如实际张力）并与期望设定值进行比较，生成误差信号，进而驱动控制器调节执行机构（如电机转矩或速度），以消除误差，实现张力的精确与稳定控制。该类系统通常采用张力传感器或浮动辊等检测装置作为反馈元件。其中，PID（比例–积分–微分）控制以其结构简单、易于实现、实时性强等特点，成为实现闭环控制最经典且应用最广泛的算法。
目前，主流的闭环张力控制系统主要包括：
🔸张力传感器直接控制系统
原理：通过张力传感器直接、实时地检测基材实际张力，并将其与目标设定值进行比较，所产生的误差信号经由PID控制器运算，输出控制信号以调节电机的输出转矩，从而将张力精确维持在目标范围内。
优点：控制精度高、动态响应迅速、无机械惯性引入的滞后。
缺点：系统成本相对较高、对冲击载荷无缓冲能力、传感器安装要求较为苛刻。
适用场景：适用于对张力控制精度要求极高，或基材本身脆弱、昂贵的场合。
🔸浮动辊间接控制系统
原理：利用浮动辊在张力变化时的位置偏移作为检测信号。当张力偏离设定值时，浮动辊将偏离平衡位置，该位置信号被控制器捕获，并据此调节驱动电机的速度，从而对张力进行间接补偿。
优点：对张力波动具有天然的缓冲作用、可实现自动速度补偿、系统成本效益较高。
缺点：控制精度相对较低、需要较大的安装空间、动态响应速度较慢。
适用场景：适用于对绝对精度要求不极端苛刻，但特别强调系统运行稳定性、缓冲能力及成本控制的场合。
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先进控制方法
尽管传统PID闭环控制应用广泛且有效，但在面对高度非线性、时变和大滞后的复杂系统时，其性能仍有提升空间。为此，一系列先进控制方法被提出并应用：学者们提出了诸如模糊PID、模糊分数阶PID、前馈PID以及参数自整定前馈PID等改进策略，这些方法在继承PID控制优点的同时，有效提升了系统在非线性、时变工况下的控制性能。此外，自抗扰控制（ADRC）及其改进型控制器，因其不依赖于被控对象精确数学模型并能主动估计并补偿内外扰动，也在张力控制领域展现出巨大潜力并做出了重要贡献。
自抗扰控制工作示意图
（图片来源：https://blog.csdn.net/weixin_52077466/article/details/135084912）
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收卷区储料架张力控制示例
收卷区储料架的张力控制是闭环控制系统中的一个典型且复杂的应用实例。在卷对卷涂布过程中，储料架通过其上下移动以存储和释放基材，确保在更换卷材时加工段速度恒定，维持生产连续性。然而，由于储料架在运行过程中持续运动，导致卷入的基材长度实时变化，且存在多个耦合的输入变量，使得其张力控制相较于设备其他单元更为复杂。
收卷储料架机构主要由储料架、托架、摆辊三部分组成。其中，收卷储料架主要由上下两排自由辊组成，当进入收卷阶段时，收卷储料架通过移动上排自由辊来储存和释放基材，进而保证涂布生产的连续性；托架则与储料架内的上排自由辊连接，当储料架上排自由辊需要移动时，则由电机驱动的滚轴丝杠带动托架上下移动，从而实现上排自由辊的移动；摆辊则位于储料架输入辊之后，是卷筒料涂布机中常见的一种张力采集装置，同时也负责抑制基材的张力突变，保证基材张力稳定在一个范围内，防止基材因突然出现的张力突变发生断裂现象。
实际卷筒料涂布设备中收卷侧储料架机构图
（图片来源：《卷筒料涂布机储料收卷系统张力控制方法研究与实现》）
如下图所示，该系统的控制策略涉及多个控制回路的协同。三个电机驱动器分别负责调节基材输入速度、输出速度及托架速度，使其跟踪各自的参考值。此外，一个独立的上级控制器根据摆辊的实时偏转角度，计算出对托架速度的修正量，并将其叠加至托架速度的设定值中。此反馈回路通过动态调整托架的升降速度，来精确补偿因基材长度变化引起的张力波动，从而实现储料架内张力的高精度控制。
卷筒料涂布设备中收卷侧储料架结构简图
（图片来源：《卷筒料涂布机储料收卷系统张力控制方法研究与实现》）
通过上述实例可知，收卷区储料架的张力控制是一个集成了精密机械结构与先进控制算法的复杂系统。它通过多回路协同控制，有效适应了生产过程中的动态变化，确保了张力的高度稳定，是闭环控制理论在工业实践中的成功应用。
结语
有效的张力控制系统是高速、高质量卷材生产的基石，能显著减少浪费、提升生产速度、扩大设备工艺适应性，并降低对操作员的依赖，最终为企业创造更高的经济效益。根据不同的工艺需求、材料特性及预算，选择合适的控制策略至关重要。
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