童幫毅，李雪明，焦文輝，賴福剛，陸春立

桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林 541004

0 引 言

雙向拉伸聚酯薄膜(簡稱BOPET)廣泛應用于彩色印刷、電子電器絕緣、高強度金拉線、粘膠帶、復合、轉(zhuǎn)移、包裝等領(lǐng)域[1].隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)快速穩(wěn)步增長，BOPET行業(yè)也發(fā)展迅猛，其產(chǎn)能不斷擴大，用途也由包裝等領(lǐng)域發(fā)展到電子、光學、影像、磁記錄等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域.

鑒于BOPET的廣泛應用前景和發(fā)展?jié)摿?，為適應國內(nèi)BOPET行業(yè)的發(fā)展需求，大量研究者將目光投向BOPET的生產(chǎn)節(jié)能效益和質(zhì)量提高上.縱向拉伸機是BOPET生產(chǎn)中的一個核心組成部分，對拉伸薄膜的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響[2-3].

通過對擺輥張力閉環(huán)控制的研究，即通過輥筒之間的速度關(guān)系計算、氣壓及力學受力分析和信號采集圖像分析，結(jié)合PID運算及PLC控制技術(shù)，經(jīng)實機驗證，擺輥張力控制在BOPET生產(chǎn)上有顯著優(yōu)勢，破膜率明顯降低.

1 張力控制在縱拉機中的作用

縱向拉伸機主要由入出口擺輥、壓輥、預熱輥、拉伸輥和定型輥等組成，其中入出口的張力控制輥對BOPET張力控制的精確度直接關(guān)系到薄膜質(zhì)量的好壞和縱向拉伸機機組的使用壽命.而對于預熱輥、拉伸輥、定型輥，主要是實現(xiàn)熱交換的功能，膜貼輥的松緊程度將直接影響到傳熱效果.故膜的張力在縱拉機中顯得尤為重要.而入出口擺輥張力控制主要是為了匹配縱拉機前單機(鑄片機)和縱拉機后單機(橫拉機)的速度，從而使得縱拉入出口的張力穩(wěn)定，不至于薄膜過緊拉斷或過松跑偏.

張力控制的目的就是保持膜片的張力恒定，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量.根據(jù)張力的力學機理，從某種意義上講，控制薄膜的張力，實際上就是控制薄膜間的速度差.而在縱拉機中速度差是通過控制電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，即速度模式下的張力閉環(huán)控制.

縱拉機中，常用的張力控制方式有張力傳感器方式和擺輥控制方式.前者的特點是安裝空間小，結(jié)構(gòu)簡單，測量并顯示實際的張力，控制精確，但沒有緩沖，無法儲存膜片，并需要人工經(jīng)常校正器件.而后者則有減少沖擊，有緩沖的作用，設備結(jié)構(gòu)相對需要較大的安裝空間，結(jié)構(gòu)較復雜，控制模型較復雜，更適用于超薄薄膜的張力控制.

縱拉機入口、出口擺輥張力控制系統(tǒng)用來精確控制膜片在縱拉機入口、出口的張力，避免膜片張力過大發(fā)生拉斷薄膜的現(xiàn)象或者張力過小導致薄膜在輥筒表面發(fā)生軸向滑移和錯位[4].

在張力控制系統(tǒng)中，為達到閉環(huán)控制的目的，往往需要檢測薄膜間的張力.在薄膜生產(chǎn)過程中，張力的檢測是十分關(guān)鍵的，要實現(xiàn)張力的高精度檢測，選擇合適的傳感器顯得十分關(guān)鍵.

2 擺輥張力控制應用分析

在BOPET雙向拉伸機中，為保證縱拉機入口和出口膜片的張力穩(wěn)定，防止薄膜發(fā)生過緊拉斷或者過松跑偏現(xiàn)象，采用擺輥張力控制[5]的方式通過閉環(huán)調(diào)節(jié)來實現(xiàn).

擺輥張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由擺輥、低摩擦氣缸、直線位移傳感器、比例閥、PLC控制器、變頻器、變頻電機等組成.當?shù)湍Σ翚飧捉尤雺嚎s空氣時，通過數(shù)字設定的固定張力值，該值轉(zhuǎn)換成比例閥上的氣壓作用于薄膜上.氣缸的垂直作用力和輥的重力垂直分力之和為薄膜有效張力，由于擺輥的浮動對擺輥的垂直分力影響可忽略，因此薄膜張力的調(diào)整可通過改變低摩擦氣缸的壓力實現(xiàn)[6].當張力發(fā)生變化時，直線位移傳感器通過測量擺輥位移，經(jīng)PID運算后調(diào)節(jié)后級輥筒的速度，保持擺輥處于中間位置，以保證薄膜張力恒定.

圖1 BOPET擺輥張力控制系統(tǒng)示意圖

整個閉環(huán)控制是在PLC里進行，通過PID運算將設定值和實際值的差值做比例積分后來改變后級電機的速度.由于不同的線速度下會有不同的PID參數(shù)值，這里采用動態(tài)參數(shù)計算方式，即不同的速度下用不同的P值做線性標定.

圖2 動態(tài)參數(shù)坐標系

如圖2所示，線速度SPD_1為橫坐標第1個點，SPD_2為橫坐標第2個點；kP_1為縱坐標第1個點，kP_2為縱坐標第2個點，P值就是在實際橫坐標下對應的的縱坐標的值.

縱拉機入口張力由縱拉機預熱1號輥筒的速度VM控制，調(diào)節(jié)過程是：

V0×i1+VPID=VM

(1)

其中V0為激冷輥速度，i1為激冷輥與縱拉機1號輥速度比，VPID為根據(jù)縱拉機入口張力得出的PID運算輸出量.同理，縱拉機出口張力由橫向拉伸機(TDO)入口的速度VT控制，調(diào)節(jié)過程為

V5×i2+VPID=VT

(2)

其中V5為縱拉機(最后)定型5號輥速度，i2為定型5號輥與橫拉機速度比，VPID為根據(jù)縱拉機出口張力得出的PID運算輸出量.

如圖3所示，該系統(tǒng)正常運行時，作用于擺輥上張力的有效合力、氣缸的推力和輥自身的重力相互平衡，使得擺輥處于中間的平衡位置.如果張力偏大，擺輥向上擺動，帶動直線位移傳感器動作，反饋信號產(chǎn)生波動，經(jīng)與給定電壓信號相比較，積分得出偏差值后向變頻器輸出控制信號，使后級電機的轉(zhuǎn)速下降，張力恢復到給定值，擺輥回到初始的平衡位置.總之，總是通過微小的調(diào)整后續(xù)電機的轉(zhuǎn)速，來使擺輥處于水平的位置，即在整個閉環(huán)控制的過程中，電機轉(zhuǎn)速不斷進行微小調(diào)整，使薄膜張力始終保持在設定值.

在本控制系統(tǒng)中擺輥檢測膜片張力的變化，同時起到吸收或緩沖張力波動對系統(tǒng)的沖擊的作用，因此擺輥的正確安裝和使用，直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的靈敏度[7].

首先，膜片在擺輥上要有足夠大的包角，如圖3所示.

圖3 膜片張力在擺輥上受力分析

由圖3可知，作用與擺輥上的有效合力FQ為：

FQ=F·cosα1+F·cosα2

(3)

α1+α2=π-α

(4)

由公式(4)可知，α越小α1+α2越大，根據(jù)公式(3)有效合力FQ則越小，降低了薄膜張力變化反應的靈敏度.如圖2所示，本系統(tǒng)中 為180°，擺輥有效合力FQ達到最大值時靈敏度最高.

其次由于低摩擦氣缸的活塞跟缸體間的摩擦力較小，因此氣缸的靈活性得到提高，使擺輥上張力的較小波動便能夠引起直線位移傳感器做出較大反應[8].氣缸進氣口接壓縮氣體且出氣孔安裝一個節(jié)流閥，在通過進氣口氣壓調(diào)節(jié)氣缸推力時，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)排氣量，防止氣缸因進出氣速度過快而產(chǎn)生沖擊.為延長氣缸的使用壽命，防止活塞撞擊缸體，在擺輥上裝有緩沖裝置.

再次，調(diào)壓閥采用精密E/P比例閥，通過控制氣缸不同壓力來改變張力變化.且因進氣口氣體壓力波動而引起張力變化的現(xiàn)象可因精密E/P比例閥的高精度而避免[9].精密E/P比例閥能迅速將氣體通過排氣口排出，使氣缸內(nèi)的壓力恒定.

最后，位移檢測采用高精度直線位移傳感器，保證微小的張力變化引起的擺輥位移也能被采樣.

3 結(jié) 語

薄膜張力控制主要有通過張力傳感器直接控制、擺輥張力控制和采用磁粉離合器控制轉(zhuǎn)矩間接控制張力三種形式.而擺輥張力控制通過增大膜片包角，采用低摩擦氣缸、精密E/P比例閥和高精度直線位移傳感器等一系列增強系統(tǒng)靈敏度措施，使得本閉環(huán)張力控制系統(tǒng)相比其它兩種類型的張力控制系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，控制精度高，動態(tài)性能好，系統(tǒng)配盤廣，尤其適用于超薄BOPET.

縱拉機是BOPET生產(chǎn)線的重要組成部分之一，BOPET拉伸質(zhì)量主要受薄膜進出口張力影響，因此張力控制系統(tǒng)是核心所在.本文將擺輥張力控制系統(tǒng)應用于BOPET生產(chǎn)中，確保了縱拉機進出口張力的恒定，并研發(fā)出相應設備用于實踐，結(jié)果表明，該系統(tǒng)極大提高了BOPET縱向拉伸機的平穩(wěn)性和薄膜產(chǎn)品的質(zhì)量.

致 謝

感謝武漢工程大學機電工程學院鄭小濤副教授對本文提供的建議與幫助.

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