糾偏系統(tǒng)在雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)中的應(yīng)用

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(diǎn)且高于其玻璃化溫度的情況下對厚膜進(jìn)行縱、橫雙向拉伸，最后在張緊狀態(tài)下進(jìn)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(jī)械性能等特性的認(rèn)識(shí)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(jìn)行研發(fā)，國外已在開發(fā)設(shè)計(jì)速度高達(dá)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(jī)(TDO)的鏈鋏能否及時(shí)夾合住高速運(yùn)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(shí)同步夾邊，夾邊均勻且夾持力適中時(shí)，膜片才能平整輸送[3].為實(shí)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(huì)出現(xiàn)脫夾、褶皺、破膜、波紋抖動(dòng)等現(xiàn)象，使得生產(chǎn)無法進(jìn)行，損失較大.為了解決這一問題，橫拉機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行歸納和對比，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，以供讀者更好的選擇使用，促進(jìn)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(gè)閉環(huán)控制環(huán)：自動(dòng)糾偏的出發(fā)點(diǎn)是橫拉入口薄膜的當(dāng)前位置，由一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(gè)糾偏信號給驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器快速驅(qū)動(dòng)TDO入口的軌道，使其及時(shí)跟蹤上膜邊.如此循環(huán)，EPC系統(tǒng)一直驅(qū)動(dòng)軌道做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)力裝置的不同，一般可分為機(jī)電式、電液壓式、氣動(dòng)液壓式和磁性式4類.

機(jī)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(jī)電驅(qū)動(dòng)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(dòng)力裝置、液壓驅(qū)動(dòng)器.

氣動(dòng)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(dòng)液壓伺服閥、氣動(dòng)液壓動(dòng)力裝置、液壓驅(qū)動(dòng)器.

圖1機(jī)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(dòng)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(yàn)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(dòng)傳感器、激光傳感器、攝像式傳感器，其中機(jī)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(jī)電式和電液壓式EPC系統(tǒng)還有一個(gè)控制器，此類控制器操作簡單，功能強(qiáng)大，在薄膜高速生產(chǎn)時(shí)，具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平和檢測精度[6]，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制.

機(jī)電式EPC驅(qū)動(dòng)主要依靠電動(dòng)推桿，它設(shè)備簡單、反沖小、免維護(hù)；它是由控制器直接驅(qū)動(dòng)，所以具有最靈敏的動(dòng)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(dòng)，在裝配誤差、長期磨損等情況下，其使用壽命不及氣動(dòng)液壓式和電液式EPC系統(tǒng).氣動(dòng)液壓式EPC系統(tǒng)主要依靠氣動(dòng)液壓伺服閥控制油缸驅(qū)動(dòng)，最大特點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn).與機(jī)電式EPC驅(qū)動(dòng)不同的是，它是通過氣動(dòng)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(dòng)液壓伺服閥[8].因?yàn)楸∧るx氣源口有一段距離，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度不如機(jī)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(huì)堵塞油路，因此維護(hù)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(diǎn)，利用紅外或超聲波傳感器實(shí)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(shí)現(xiàn)控制器的精準(zhǔn)控制[9].不僅避免了氣動(dòng)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平不夠高的缺點(diǎn)，還保留了氣動(dòng)液壓式運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn),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(gè)傳感器，根據(jù)薄膜的左側(cè)或者右側(cè)邊緣進(jìn)行糾偏；

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

③薄膜對比糾偏：使用一個(gè)傳感器，依據(jù)一條連續(xù)或者不連續(xù)的線對比進(jìn)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(jī)出來的薄膜寬度發(fā)生變化時(shí)，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(huì)難以實(shí)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(fèi)時(shí)又費(fèi)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(diǎn)準(zhǔn)確、同時(shí)同步夾邊，夾邊均勻、夾持力適中，進(jìn)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(dòng)控制和手動(dòng)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(shí)均采用自動(dòng)控制方式，手動(dòng)控制方式主要用于靜態(tài)測試系統(tǒng)運(yùn)行狀況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題.

以氣動(dòng)液壓式EPC系統(tǒng)為例，其控制流程如下：其動(dòng)力系統(tǒng)有一臺(tái)一直處于工作狀態(tài)的雙軸電機(jī)，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(dòng)控制方式下，薄膜邊緣正好擋住氣動(dòng)傳感器氣源口一半時(shí)，可使分別由氣動(dòng)傳感器和自動(dòng)控制閥加載在氣動(dòng)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(dòng)時(shí)，擋住氣動(dòng)傳感器氣源超過一半的一側(cè)，會(huì)使得氣動(dòng)傳感器加載在氣動(dòng)液壓伺服閥上的氣壓變大，壓力失衡，自動(dòng)控制閥氣壓推動(dòng)氣液伺服閥工作，控制用液壓油的運(yùn)行方向改變，使得軌道向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過回路閉鎖閥防止液壓油反流，以保證軌道運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定，從而保證兩側(cè)夾點(diǎn)與膜邊距離相等，實(shí)現(xiàn)理想夾膜.而另一側(cè)氣動(dòng)傳感器檢測不到薄膜時(shí)，氣液伺服閥會(huì)向相反的方向動(dòng)作，最終使軌道向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng).如此重復(fù)，實(shí)現(xiàn)對邊膜位置的實(shí)時(shí)跟蹤，保證TDO入口的順利夾膜.

在手動(dòng)控制方式下，直接通過手動(dòng)控制閥的氣壓方向，從而推動(dòng)氣液伺服閥動(dòng)作，對系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)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(dòng)等問題的出現(xiàn)概率，實(shí)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(diǎn)，選擇合適的糾偏控制系統(tǒng)，以便更好的促進(jìn)雙向拉伸塑料薄膜的生產(chǎn).

致 謝

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

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