雙向拉伸聚酯薄膜縱向拉伸機(jī)的擺輥張力控制

童幫毅，李雪明，焦文輝，賴(lài)福剛，陸春立

桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004

0 引 言

雙向拉伸聚酯薄膜(簡(jiǎn)稱(chēng)BOPET)廣泛應(yīng)用于彩色印刷、電子電器絕緣、高強(qiáng)度金拉線(xiàn)、粘膠帶、復(fù)合、轉(zhuǎn)移、包裝等領(lǐng)域[1].隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)步增長(zhǎng)，BOPET行業(yè)也發(fā)展迅猛，其產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，用途也由包裝等領(lǐng)域發(fā)展到電子、光學(xué)、影像、磁記錄等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域.

鑒于BOPET的廣泛應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ瑸檫m應(yīng)國(guó)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(jī)是BOPET生產(chǎn)中的一個(gè)核心組成部分，對(duì)拉伸薄膜的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響[2-3].

通過(guò)對(duì)擺輥張力閉環(huán)控制的研究，即通過(guò)輥筒之間的速度關(guān)系計(jì)算、氣壓及力學(xué)受力分析和信號(hào)采集圖像分析，結(jié)合PID運(yùn)算及PLC控制技術(shù)，經(jīng)實(shí)機(jī)驗(yàn)證，擺輥張力控制在BOPET生產(chǎn)上有顯著優(yōu)勢(shì)，破膜率明顯降低.

1 張力控制在縱拉機(jī)中的作用

縱向拉伸機(jī)主要由入出口擺輥、壓輥、預(yù)熱輥、拉伸輥和定型輥等組成，其中入出口的張力控制輥對(duì)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(jī)機(jī)組的使用壽命.而對(duì)于預(yù)熱輥、拉伸輥、定型輥，主要是實(shí)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(jī)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(jī)前單機(jī)(鑄片機(jī))和縱拉機(jī)后單機(jī)(橫拉機(jī))的速度，從而使得縱拉入出口的張力穩(wěn)定，不至于薄膜過(guò)緊拉斷或過(guò)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(xué)機(jī)理，從某種意義上講，控制薄膜的張力，實(shí)際上就是控制薄膜間的速度差.而在縱拉機(jī)中速度差是通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即速度模式下的張力閉環(huán)控制.

縱拉機(jī)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(diǎn)是安裝空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量并顯示實(shí)際的張力，控制精確，但沒(méi)有緩沖，無(wú)法儲(chǔ)存膜片，并需要人工經(jīng)常校正器件.而后者則有減少?zèng)_擊，有緩沖的作用，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)需要較大的安裝空間，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制模型較復(fù)雜，更適用于超薄薄膜的張力控制.

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

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

2 擺輥張力控制應(yīng)用分析

在BOPET雙向拉伸機(jī)中，為保證縱拉機(jī)入口和出口膜片的張力穩(wěn)定，防止薄膜發(fā)生過(guò)緊拉斷或者過(guò)松跑偏現(xiàn)象，采用擺輥張力控制[5]的方式通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)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(xiàn)位移傳感器、比例閥、PLC控制器、變頻器、變頻電機(jī)等組成.當(dāng)?shù)湍Σ翚飧捉尤雺嚎s空氣時(shí)，通過(guò)數(shù)字設(shè)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(dòng)對(duì)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(guò)改變低摩擦氣缸的壓力實(shí)現(xiàn)[6].當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，直線(xiàn)位移傳感器通過(guò)測(cè)量擺輥位移，經(jīng)PID運(yùn)算后調(diào)節(jié)后級(jí)輥筒的速度，保持?jǐn)[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(gè)閉環(huán)控制是在PLC里進(jìn)行，通過(guò)PID運(yùn)算將設(shè)定值和實(shí)際值的差值做比例積分后來(lái)改變后級(jí)電機(jī)的速度.由于不同的線(xiàn)速度下會(huì)有不同的PID參數(shù)值，這里采用動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算方式，即不同的速度下用不同的P值做線(xiàn)性標(biāo)定.

圖2 動(dòng)態(tài)參數(shù)坐標(biāo)系

如圖2所示，線(xiàn)速度SPD_1為橫坐標(biāo)第1個(gè)點(diǎn)，SPD_2為橫坐標(biāo)第2個(gè)點(diǎn)；kP_1為縱坐標(biāo)第1個(gè)點(diǎn)，kP_2為縱坐標(biāo)第2個(gè)點(diǎn)，P值就是在實(shí)際橫坐標(biāo)下對(duì)應(yīng)的的縱坐標(biāo)的值.

縱拉機(jī)入口張力由縱拉機(jī)預(yù)熱1號(hào)輥筒的速度VM控制，調(diào)節(jié)過(guò)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(jī)1號(hào)輥速度比，VPID為根據(jù)縱拉機(jī)入口張力得出的PID運(yùn)算輸出量.同理，縱拉機(jī)出口張力由橫向拉伸機(jī)(TDO)入口的速度VT控制，調(diào)節(jié)過(guò)程為

V5×i2+VPID=VT

(2)

其中V5為縱拉機(jī)(最后)定型5號(hào)輥速度，i2為定型5號(hào)輥與橫拉機(jī)速度比，VPID為根據(jù)縱拉機(jī)出口張力得出的PID運(yùn)算輸出量.

如圖3所示，該系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，作用于擺輥上張力的有效合力、氣缸的推力和輥?zhàn)陨淼闹亓ο嗷テ胶?，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(dòng)，帶動(dòng)直線(xiàn)位移傳感器動(dòng)作，反饋信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)，經(jīng)與給定電壓信號(hào)相比較，積分得出偏差值后向變頻器輸出控制信號(hào)，使后級(jí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，張力恢復(fù)到給定值，擺輥回到初始的平衡位置.總之，總是通過(guò)微小的調(diào)整后續(xù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)使擺輥處于水平的位置，即在整個(gè)閉環(huán)控制的過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷進(jìn)行微小調(diào)整，使薄膜張力始終保持在設(shè)定值.

在本控制系統(tǒng)中擺輥檢測(cè)膜片張力的變化，同時(shí)起到吸收或緩沖張力波動(dòng)對(duì)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(yīng)的靈敏度.如圖2所示，本系統(tǒng)中 為180°，擺輥有效合力FQ達(dá)到最大值時(shí)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(dòng)便能夠引起直線(xiàn)位移傳感器做出較大反應(yīng)[8].氣缸進(jìn)氣口接壓縮氣體且出氣孔安裝一個(gè)節(jié)流閥，在通過(guò)進(jìn)氣口氣壓調(diào)節(jié)氣缸推力時(shí)，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)排氣量，防止氣缸因進(jìn)出氣速度過(guò)快而產(chǎn)生沖擊.為延長(zhǎng)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(guò)控制氣缸不同壓力來(lái)改變張力變化.且因進(jìn)氣口氣體壓力波動(dòng)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(guò)排氣口排出，使氣缸內(nèi)的壓力恒定.

最后，位移檢測(cè)采用高精度直線(xiàn)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(yǔ)

薄膜張力控制主要有通過(guò)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(guò)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(xiàn)位移傳感器等一系列增強(qiáng)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(lèi)型的張力控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好，系統(tǒng)配盤(pán)廣，尤其適用于超薄BOPET.

縱拉機(jī)是BOPET生產(chǎn)線(xiàn)的重要組成部分之一，BOPET拉伸質(zhì)量主要受薄膜進(jìn)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(yīng)用于BOPET生產(chǎn)中，確保了縱拉機(jī)進(jìn)出口張力的恒定，并研發(fā)出相應(yīng)設(shè)備用于實(shí)踐，結(jié)果表明，該系統(tǒng)極大提高了BOPET縱向拉伸機(jī)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院鄭小濤副教授對(duì)本文提供的建議與幫助.

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