基于自動(dòng)化控制的電解銅箔表面處理控制系統(tǒng)

葉敬敏

（廣東嘉元科技股份有限公司，廣東梅州514759）

基于自動(dòng)化控制的電解銅箔表面處理控制系統(tǒng)

葉敬敏

（廣東嘉元科技股份有限公司，廣東梅州514759）

對(duì)國內(nèi)電解銅箔生產(chǎn)線中應(yīng)用的電解銅箔表面處理系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等進(jìn)行了簡要介紹，重點(diǎn)分析了具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的變頻調(diào)速、張力控制、卷取控制等自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)的控制原理、控制路線。

銅箔表面處理機(jī)；變頻調(diào)速；張力控制；卷取控制

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.024

0　前言

電解銅箔作為一種新興的銅加工產(chǎn)品，在電子材料工業(yè)中的地位越來越重要。電解法生產(chǎn)的銅箔，由于具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于印刷線路板的導(dǎo)電材料、鋰離子電池的電極材料等領(lǐng)域。

1　電解銅箔表面處理設(shè)備簡介

電解銅箔毛箔不能直接用于制作覆銅板（CCL）、印制電路板（PCB）和鋰離子電池負(fù)極，一定要通過表面處理工序來增強(qiáng)和提高其抗剝離強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫防氧化性等性能（圖1）。銅箔表面處理工序主要集中體現(xiàn)在高精度機(jī)械傳動(dòng)輥系、同步驅(qū)動(dòng)控制策略、同步張力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及PLC微機(jī)控制系統(tǒng)［1］等方面。

電解銅箔表面處理設(shè)備主要由放卷、電解槽、水洗、烘干裝置和收卷裝置等幾部分構(gòu)成。

圖1　電解銅箔表面處理工藝流程圖

電解銅箔表面處理機(jī)長度約24 m，由放（收）卷驅(qū)動(dòng)電機(jī)2臺(tái)、各種電解槽12個(gè)、各種導(dǎo)輥36根和輔助電機(jī)7臺(tái)等電氣設(shè)備構(gòu)成（圖2）。本設(shè)備主要用于超薄卷狀電解銅箔的處理，超薄電解銅箔具有輕、薄等特點(diǎn)，在處理過程中容易出現(xiàn)打折、壓痕、串卷、斷箔等質(zhì)量缺陷，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度要求高，所以本設(shè)備采用分段驅(qū)動(dòng)方式，全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)作為主傳動(dòng)裝置。

2　電解銅箔表面處理機(jī)控制系統(tǒng)研究

超薄電解銅箔在電解銅箔表面處理機(jī)處理時(shí)，要求銅箔高速、平穩(wěn)、無皺折收放卷處理。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，電解銅箔表面處理控制系統(tǒng)主要集中在張力20～200 kg范圍分段調(diào)節(jié)、控制精度±0.5 kg；整機(jī)運(yùn)行速度0～36 m/min范圍內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)［2］。

圖2　銅箔表面處理機(jī)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)控制系統(tǒng)包括供電電源系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)接口系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、張力檢測及控制系統(tǒng)、處理槽電解電流檢測及控制系統(tǒng)、烘干裝置溫度監(jiān)測及控制系統(tǒng)、銅箔長度檢測系統(tǒng)、糾偏檢測及控制系統(tǒng)、報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成（圖3）。電解銅箔表面處理機(jī)采用分段驅(qū)動(dòng)方式，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括開卷控制系統(tǒng)、主機(jī)列傳動(dòng)控制系統(tǒng)、收卷控制系統(tǒng)等。

2.1銅箔表面處理機(jī)放卷控制系統(tǒng)

電解銅箔處理時(shí)，由于放卷輥上的銅箔卷徑不斷減小，要保持銅箔傳送速度恒定，則需要調(diào)節(jié)放卷輥的轉(zhuǎn)速，使其與銅箔卷徑的乘積保持恒定。另外，要保證恒張力傳送，也需根據(jù)實(shí)時(shí)卷徑調(diào)整開卷輥的力矩。隨著生產(chǎn)過程的進(jìn)行，放卷輥的卷徑從初始卷徑逐漸減少到最小卷徑，當(dāng)銅箔放卷到趨近或達(dá)到最小卷徑時(shí)，放卷控制報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（圖4），由工作人員根據(jù)銅箔放卷實(shí)際情況做好停機(jī)換卷工作。

2.2中間傳動(dòng)控制系統(tǒng)

由于傳送距離較長，銅箔傳送時(shí)張力損失較大，為補(bǔ)償張力損失并起到傳送銅箔的作用，設(shè)備加裝中間傳動(dòng)輥，采用伺服電機(jī)傳動(dòng)。伺服電機(jī)在保證傳動(dòng)過程中的張力恒定，在力矩模式下，張力由相應(yīng)段的張力傳感器檢測并反饋到PLC中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，同時(shí)，通過伺服電機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)測銅箔傳送速度，反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器，與放卷輥實(shí)時(shí)速度形成閉環(huán)精確控制（圖5）。

2.3收卷控制系統(tǒng)

隨著收卷端的成品銅箔卷徑越來越大，需要不斷調(diào)節(jié)收卷輥的轉(zhuǎn)速，為保證收卷張力與放卷張力形成速度與張力雙閉環(huán)正反控制模式［3］，所以在收卷控制系統(tǒng)采用張力控制器驅(qū)動(dòng)磁粉離合器帶動(dòng)收卷輥運(yùn)轉(zhuǎn)的方式。

圖3　銅箔表面處理機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4　銅箔表面處理機(jī)放卷控制系統(tǒng)

由旋轉(zhuǎn)編碼器采集實(shí)時(shí)收卷速度，反饋到PLC，與設(shè)定的速度經(jīng)運(yùn)算后輸出控制變頻器，形成速度的閉環(huán)控制。收卷張力由張力傳感器檢測，輸入張力控制器中，由張力控制器輸出相應(yīng)的力矩控制磁粉離合器帶動(dòng)收卷輥收卷，形成張力的精確閉環(huán)控制（圖6）。

圖5　銅箔表面處理機(jī)中間控制系統(tǒng)

圖6　銅箔表面處理機(jī)收卷控制系統(tǒng)

2.4烘干裝置溫度監(jiān)測及控制系統(tǒng)

鈍化處理后經(jīng)水洗或涂布完有機(jī)涂層的超薄電解銅箔，直接進(jìn)入烘干裝置中進(jìn)行干燥［4］。烘干裝置采用分段加熱，自動(dòng)溫度控制，進(jìn)排風(fēng)可根據(jù)工藝需要調(diào)整。為避免或減少銅箔在烘干裝置內(nèi)起皺，經(jīng)實(shí)踐證明，比較合理的做法是將過濾后空氣進(jìn)行預(yù)熱，然后通過干燥箱兩面風(fēng)口吹向超薄銅箔的箔面，氣流速率及相應(yīng)沖擊壓力可以調(diào)節(jié)，使銅箔呈正弦曲線向前直角運(yùn)動(dòng)。

為實(shí)現(xiàn)烘干裝置分段加熱、自動(dòng)控制，本控制系統(tǒng)在烘干裝置內(nèi)安裝了多個(gè)可控硅電壓調(diào)節(jié)器和溫度傳感器，并在烘干裝置內(nèi)合理布置電加熱管，由反饋的實(shí)時(shí)溫度值與設(shè)定值比較后輸出相應(yīng)的電壓值，控制不同區(qū)域的可控硅電壓調(diào)節(jié)器，從而調(diào)節(jié)電加熱管兩端電壓，最終實(shí)現(xiàn)烘干裝置溫度的閉環(huán)控制（圖7）。

圖7　銅箔表面處理機(jī)烘干裝置溫度監(jiān)測及控制系統(tǒng)

2.5糾偏控制系統(tǒng)

銅箔長距離傳送時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，這不利于銅箔的收卷，所以需通過糾偏控制系統(tǒng)保證銅箔沿設(shè)定的運(yùn)行方向直線運(yùn)動(dòng)。

銅箔糾偏系統(tǒng)主要是采用光電模擬量傳感器作跑偏檢測元件，檢測零件準(zhǔn)確可靠，糾偏死區(qū)小，精度較高。伺服電機(jī)作執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)行程與銅箔偏移量成嚴(yán)格的比例關(guān)系，工作穩(wěn)定，定位精度高，反應(yīng)靈敏。一旦傳感器檢測到偏移信號(hào)，經(jīng)由糾偏控制器比較，輸出一個(gè)修正值給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)控制器發(fā)出的指令信號(hào)將銅箔糾正到預(yù)定的運(yùn)行位置。

3　結(jié)束語

結(jié)合具體的工藝原理和技術(shù)指標(biāo)，電解銅箔表面處理控制系統(tǒng)以變頻調(diào)速理論、張力控制理論、卷取控制模型以及PID控制理論為基礎(chǔ)，以處理動(dòng)態(tài)過程和控制系統(tǒng)分析算法為依據(jù)，再融合了銅箔表面處理機(jī)的性能要求，構(gòu)建了基于自動(dòng)化控制的電解銅箔表面處理控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了操作與顯示一體化。

經(jīng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)由于具有可靠性高，抗干擾性能好，靈活性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，生產(chǎn)出的銅箔表面光滑平整，物理化學(xué)性能良好，有效提高了產(chǎn)品生產(chǎn)一次合格率和設(shè)備運(yùn)行效率等。

［1］萬筱劍，李鐵才，張立群.SIMOTION D435在銅箔生產(chǎn)線電控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國內(nèi)外機(jī)電一體化，2007（S1）：23-25.

［2］代靈.基于PLC和觸摸屏的銅箔后處理機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

［3］劉瑞霞，王永新.銅箔生產(chǎn)的收卷張力控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2005（9）：96-98.

［4］金榮濤.電解銅箔生產(chǎn)中國有色金屬從書［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2010.

（編輯：向飛）

Surface Treatment Control System of Electrolytic Copper Foil Based on Automation Control

YE Jing-min
（Guangdong Jiayuan Technology Co.，Ltd.，Meizhou514759，China）

In this paper，the application of domestic electrolytic copper foil production line of electrolytic copper foil surface treatment system equipment，automation control system and so on are briefly introduced，analyzing the domestic leading level of frequency control of motor speed，tension control，automatic control key technology such as coiling control control principle，control of the line.

copper foil surface processor；frequency conversion speed regulation；tension control；coiling control

TP273

B

1009-9492（2015）01-0089-03

2014-08-11

葉敬敏，男，1980年生，廣東梅州人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：科研和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理。已發(fā)表論文5篇。