李雪明，童幫毅，賴福剛，楊正昊，馬茗茗

桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004

0 引 言

雙向拉伸塑料薄膜(BOPF)是由雙向拉伸(或稱雙軸取向)所制得塑料薄膜的總稱，它需經(jīng)化學(xué)、物理等手段，在低于薄膜熔點且高于其玻璃化溫度的情況下對厚膜進行縱、橫雙向拉伸，最后在張緊狀態(tài)下進行熱定型處理而制得.其常用產(chǎn)品主要有：PP(聚丙烯)、PET(聚酯)、PA(聚酰胺)、PI(聚酰亞胺)、PS(聚苯乙烯)、PE(聚乙烯)等等.隨著人們對其優(yōu)良的物理、化學(xué)和機械性能等特性的認(rèn)識的逐步加深，雙向拉伸薄膜近年來已在電子、塑料包裝等行業(yè)得到飛速的發(fā)展[1].

國內(nèi)已有萬噸生產(chǎn)線近百條，且都向著寬幅、高速兩方面進行研發(fā)，國外已在開發(fā)設(shè)計速度高達1 000 m/min的生產(chǎn)線[2].由于生產(chǎn)過程復(fù)雜，工藝條件要求較高，因此橫向拉伸機(TDO)的鏈鋏能否及時夾合住高速運行的薄片是生產(chǎn)的關(guān)鍵性問題.只有當(dāng)兩側(cè)鏈鋏同時同步夾邊，夾邊均勻且夾持力適中時，膜片才能平整輸送[3].為實現(xiàn)理想夾膜則應(yīng)保證膜片寬度與兩側(cè)鏈鋏距離相等，否則就會出現(xiàn)脫夾、褶皺、破膜、波紋抖動等現(xiàn)象，使得生產(chǎn)無法進行，損失較大.為了解決這一問題，橫拉機需安裝一套糾偏控制系統(tǒng),也稱作邊位控制系統(tǒng)(EPC).本文將結(jié)合多年來國內(nèi)外橫拉機設(shè)計及使用經(jīng)驗，對雙向拉伸塑料薄膜EPC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用進行歸納和對比，分析其優(yōu)缺點，以供讀者更好的選擇使用，促進雙向拉伸塑料薄膜的生產(chǎn).

1 工作原理

EPC裝置安裝于薄膜生產(chǎn)線的TDO入口，用于準(zhǔn)確跟蹤膜邊的位置，其工作原理可以簡化為一個閉環(huán)控制環(huán)：自動糾偏的出發(fā)點是橫拉入口薄膜的當(dāng)前位置，由一個或多個傳感器掃描薄膜的當(dāng)前位置，并將其傳輸給控制器；控制器對測得的實際位置和設(shè)定的位置作比較，如果兩者之間存在偏差，控制器將傳輸一個糾偏信號給驅(qū)動器；驅(qū)動器快速驅(qū)動TDO入口的軌道，使其及時跟蹤上膜邊.如此循環(huán)，EPC系統(tǒng)一直驅(qū)動軌道做往復(fù)運動，從而不發(fā)生脫夾現(xiàn)象.

2 結(jié)構(gòu)及分類

根據(jù)EPC系統(tǒng)動力裝置的不同，一般可分為機電式、電液壓式、氣動液壓式和磁性式4類.

機電式EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由三大部分組成：傳感器、控制器、機電驅(qū)動器.

電液壓式EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由五大部分組成：傳感器、控制器、電液伺服閥、電液壓動力裝置、液壓驅(qū)動器.

氣動液壓式EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要由四大部分組成：傳感器、氣動液壓伺服閥、氣動液壓動力裝置、液壓驅(qū)動器.

圖1機電式EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

Fig.1 The electromechanical EPC system structure diagram

圖2 電液壓式EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 氣動液壓式EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

磁性式EPC系統(tǒng)尚處在試驗階段，主要是德國布魯克納公司在應(yīng)用[4]，國內(nèi)尚缺乏相關(guān)資料，目前國內(nèi)外雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線所使用的主要是以上3種.

這3種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大同小異，其中均包含有傳感器，它又可以分為紅外線傳感器、反射式紅外線傳感器、超聲波傳感器、數(shù)字傳感器、氣動傳感器、激光傳感器、攝像式傳感器，其中機電式和電液壓式主要以紅外線傳感器和超聲波傳感器應(yīng)用最多[5].機電式和電液壓式EPC系統(tǒng)還有一個控制器，此類控制器操作簡單，功能強大，在薄膜高速生產(chǎn)時，具有極高的動態(tài)響應(yīng)水平和檢測精度[6]，不僅能實時監(jiān)控，還能實現(xiàn)遠程控制.

機電式EPC驅(qū)動主要依靠電動推桿，它設(shè)備簡單、反沖小、免維護；它是由控制器直接驅(qū)動，所以具有最靈敏的動態(tài)響應(yīng)性能，其典型的精度誤差小于0.002 s[7].但是，此類推桿主要是靠皮帶、絲桿或者齒輪傳動，在裝配誤差、長期磨損等情況下，其使用壽命不及氣動液壓式和電液式EPC系統(tǒng).氣動液壓式EPC系統(tǒng)主要依靠氣動液壓伺服閥控制油缸驅(qū)動，最大特點是運行平穩(wěn).與機電式EPC驅(qū)動不同的是，它是通過氣動傳感器來跟蹤邊膜位置，將探測后氣壓信號直接反饋到氣動液壓伺服閥[8].因為薄膜離氣源口有一段距離，所以動態(tài)響應(yīng)精度不如機電式控制方式.再者，其所使用的液壓油在雜質(zhì)污染等情況下會堵塞油路，因此維護頻率較高.電液壓式EPC系統(tǒng)則綜合了這兩種控制方式的優(yōu)點，利用紅外或超聲波傳感器實現(xiàn)精準(zhǔn)探測，通過控制器將信號反饋給電液壓伺服閥，實現(xiàn)控制器的精準(zhǔn)控制[9].不僅避免了氣動傳感器動態(tài)響應(yīng)水平不夠高的缺點，還保留了氣動液壓式運行平穩(wěn)的優(yōu)點,但同樣也存在油路雜質(zhì)問題.

3 工作模式

糾偏模式的選擇取決于客戶的工藝要求，主要的糾偏模式有以下幾種(見圖4)：

①薄膜定單邊糾偏：使用一個傳感器，根據(jù)薄膜的左側(cè)或者右側(cè)邊緣進行糾偏；

②薄膜定中心線糾偏：使用兩個傳感器，根據(jù)物料的中心線進行糾偏，又可以分為固定定中心糾偏和移動定中心糾偏；

③薄膜對比糾偏：使用一個傳感器，依據(jù)一條連續(xù)或者不連續(xù)的線對比進行糾偏.

圖4 糾偏模式

定單邊糾偏只能探測到一側(cè)薄膜的邊緣變化，當(dāng)縱向拉伸機出來的薄膜寬度發(fā)生變化時，便不能保證TDO入口處的膜片與兩側(cè)的鏈夾距離相等，因而會難以實現(xiàn)理想狀態(tài)下夾膜[10].對比糾偏則需要有一條對比線才能準(zhǔn)確跟蹤探測，相比另兩種探測方式費時又費力.定中心線糾偏則能始終保持TDO入口處薄膜寬度的穩(wěn)定性，兩側(cè)鏈夾夾點準(zhǔn)確、同時同步夾邊，夾邊均勻、夾持力適中，進入TDO的膜片保持輸送平整，利于后續(xù)拉伸區(qū)的晶粒拉伸取向.因此，大多數(shù)雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線均采用定中心線糾偏模式.

4 控制方式

EPC系統(tǒng)的控制方式有自動控制和手動控制兩種，一般是兩者兼有.所有薄膜生產(chǎn)線的EPC控制在生產(chǎn)時均采用自動控制方式，手動控制方式主要用于靜態(tài)測試系統(tǒng)運行狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)問題.

以氣動液壓式EPC系統(tǒng)為例，其控制流程如下：其動力系統(tǒng)有一臺一直處于工作狀態(tài)的雙軸電機，連接著油壓泵和氣泵，保證控制回路的氣壓和油壓[11].在自動控制方式下，薄膜邊緣正好擋住氣動傳感器氣源口一半時，可使分別由氣動傳感器和自動控制閥加載在氣動液壓伺服閥上的氣壓保持平衡狀態(tài)，氣缸處于靜止，TDO入口處的兩側(cè)導(dǎo)軌也保持相對靜止，鏈鋏正常夾膜.當(dāng)薄膜移動時，擋住氣動傳感器氣源超過一半的一側(cè)，會使得氣動傳感器加載在氣動液壓伺服閥上的氣壓變大，壓力失衡，自動控制閥氣壓推動氣液伺服閥工作，控制用液壓油的運行方向改變，使得軌道向外側(cè)運動，同時通過回路閉鎖閥防止液壓油反流，以保證軌道運動中的穩(wěn)定，從而保證兩側(cè)夾點與膜邊距離相等，實現(xiàn)理想夾膜.而另一側(cè)氣動傳感器檢測不到薄膜時，氣液伺服閥會向相反的方向動作，最終使軌道向內(nèi)側(cè)運動.如此重復(fù)，實現(xiàn)對邊膜位置的實時跟蹤，保證TDO入口的順利夾膜.

在手動控制方式下，直接通過手動控制閥的氣壓方向，從而推動氣液伺服閥動作，對系統(tǒng)的運行情況進行測試[12].

5 結(jié) 語

糾偏控制系統(tǒng)在雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線上的應(yīng)用無疑是成功的.它極大限度的降低了橫拉脫夾、褶皺、破膜、波紋抖動等問題的出現(xiàn)概率，實現(xiàn)了薄膜的高速、高效率生產(chǎn).現(xiàn)在，市場上生產(chǎn)的糾偏控制系統(tǒng)五花八門，包括了各種結(jié)構(gòu)類型和模式.客戶應(yīng)根據(jù)不同的薄膜工藝、材質(zhì)以及生產(chǎn)速度，綜合本文列舉的各類系統(tǒng)的優(yōu)缺點，選擇合適的糾偏控制系統(tǒng)，以便更好的促進雙向拉伸塑料薄膜的生產(chǎn).

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院鄭小濤副教授對本文提供的建議與幫助.

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