步進(jìn)電機(jī)在拉伸薄膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用

趙琦，廖均禎，雷宏，馬茗茗，戴展鵬

（桂林格萊斯科技有限公司，廣西 桂林 541000）

0 引言

目前薄膜產(chǎn)業(yè)是我國(guó)產(chǎn)量最大、品種最多的高分子材料產(chǎn)業(yè)之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，塑料薄膜產(chǎn)業(yè)需求和產(chǎn)量也逐年增加，年均增長(zhǎng)速度在15%以上[1]，各種類型的塑料薄膜在各行各業(yè)得到大量的應(yīng)用。薄膜成型工藝較為復(fù)雜，通常采用壓延法、流延法、吹塑法、拉伸法等，而其中拉伸法生成的薄膜由于其拉伸強(qiáng)度大、光學(xué)性能高、厚度均勻、穩(wěn)定性高以及生產(chǎn)速度快等特點(diǎn)，使得拉伸法應(yīng)用最為廣泛[2]。而在對(duì)薄膜進(jìn)行拉伸過程中，多少度的溫度場(chǎng)下以多少的速率進(jìn)行拉伸將會(huì)直接影響薄膜生產(chǎn)性的性能。如果拉伸速度過快容易造成薄膜的破裂，如果過慢會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)效率，所以必須通過拉伸薄膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲取不同配比的薄膜最佳的溫度場(chǎng)和拉伸速度的關(guān)系[3-8]。這就要求拉伸薄膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有可以較為精準(zhǔn)調(diào)速的拉伸設(shè)備，以配合不同的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而獲得最佳的溫度場(chǎng)和拉伸速度的關(guān)系。

1 拉伸薄膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理概述

因?yàn)樯a(chǎn)不同類型的薄膜需要不同的生產(chǎn)工藝，所以需要簡(jiǎn)易、高效、低成本的試驗(yàn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種薄膜工藝的探索。其中薄膜的拉伸需要對(duì)溫度、速度進(jìn)行控制，然后在各種不同溫度和速度下對(duì)薄膜進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)工藝參數(shù)。為了滿足這一需求，設(shè)計(jì)了拉伸薄膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其是通過溫控表來控制溫度，一般溫度控制在±1℃左右。不同薄膜的拉伸溫度是不一樣的，拉伸溫度一般是100℃～300℃。除此之外，還需要對(duì)模型以不同的速率進(jìn)行拉伸，測(cè)試不同溫度場(chǎng)下，不同速率拉伸時(shí)候的張力大小和拉伸質(zhì)量，這就要求以較高的精度來進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用歐姆龍CP1H系列的PLC來做步進(jìn)電機(jī)的控制器，通過控制PLC的脈沖頻率和脈沖輸出通道來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度和位置的控制[9]，控制X軸和Y軸的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)夾體在X軸和Y軸來回運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜進(jìn)行拉伸或回縮的工藝步驟。薄膜在靜態(tài)拉伸設(shè)備中拉伸時(shí)通過改變溫度，拉伸速度，拉伸倍數(shù)，風(fēng)量等參數(shù)來改變薄膜的形態(tài)，最終通過不斷的測(cè)試得到理想的工藝數(shù)據(jù)[10-11]。

2 步進(jìn)電機(jī)控制原理和應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)的工作方式與電機(jī)的結(jié)構(gòu)和種類密切相關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的分類主要有以下幾種分類方式，按照力矩產(chǎn)生的原理分類：激磁式、反應(yīng)式、混合式；按照定子數(shù)目分類：?jiǎn)味ㄗ?、雙定子、多定子；按照定子勵(lì)磁相數(shù)分類：三相、四項(xiàng)、五相、六相；按照各項(xiàng)繞組的分布規(guī)律分類：徑向分相、軸向分類相。不同的步進(jìn)電機(jī)在控制方式上基本一致，在實(shí)際應(yīng)用中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)比較常用，步進(jìn)電機(jī)直接由數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，其基本控制包括方向控制和速度控制。

在控制過程中一定要注意步進(jìn)電機(jī)的換向動(dòng)作，一定要等電機(jī)停止或者降到突跳頻率范圍之內(nèi)時(shí)才能進(jìn)行換向動(dòng)作，其目的是避免電機(jī)在換向時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的脈沖結(jié)束以后，然后等到下一個(gè)方向的脈沖發(fā)出之前進(jìn)行換向。步進(jìn)電機(jī)的速度控制要根據(jù)具體設(shè)備的構(gòu)造和特點(diǎn)來控制。PLC輸出的脈沖頻率高則步進(jìn)電機(jī)加速，輸出的脈沖頻率低了則減速。步進(jìn)電機(jī)的加速和減速過程要符合設(shè)備的構(gòu)造和特點(diǎn)[12]。

比如步進(jìn)電機(jī)帶較大慣性的負(fù)載時(shí)就需要慢加速，慢減速的控制，此時(shí)脈沖頻率變化不能太快。所以需要調(diào)試出一個(gè)比較符合設(shè)備的升降速脈沖頻率，這樣才能充分的利用步進(jìn)電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩，而且可以在現(xiàn)有的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，縮短了升降速的時(shí)間，并且可防止失步和過沖現(xiàn)象。通常在定位過程中需要為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的定位控制，需要計(jì)算出一個(gè)最優(yōu)的加減速時(shí)間，然后經(jīng)過實(shí)際測(cè)試調(diào)整加減速時(shí)間來實(shí)現(xiàn)精確定位，尤其對(duì)于開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)，速度脈沖頻率就可以按照加減速時(shí)間來輸出。

該設(shè)備的控制系統(tǒng)包括PLC，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)。由PLC發(fā)出信號(hào)脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把接收到信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)化為電脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器每發(fā)出一個(gè)信號(hào)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)角度即為步距角。它的旋轉(zhuǎn)角度是以固定的角度運(yùn)行的?？刂破骺梢酝ㄟ^控制脈沖數(shù)量來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而準(zhǔn)確定位。

步進(jìn)電機(jī)在控制過程中可能會(huì)發(fā)生低頻振動(dòng)，這時(shí)候我們就要利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分功能來減弱或消除步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中的低頻振動(dòng)現(xiàn)象，而且細(xì)分?jǐn)?shù)不是越高越好，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下應(yīng)合理選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)。例如對(duì)轉(zhuǎn)速要求較高，且對(duì)精度和平穩(wěn)性要求不高的場(chǎng)合，不必選高細(xì)分。在實(shí)際使用時(shí)，如果轉(zhuǎn)速很低情況下，應(yīng)該選大細(xì)分，確保平滑，減少振動(dòng)和噪音。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是脈沖頻率來控制的，而不受電源電壓、負(fù)載大小等條件影響，脈沖頻率越高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，但轉(zhuǎn)速高帶來的問題是步進(jìn)電機(jī)輸出力矩會(huì)下降，所以在實(shí)際使用過程中要結(jié)合實(shí)際情況來使用步進(jìn)電機(jī)。

此次采用的是共陽接線方式，步進(jìn)脈沖信號(hào)正端和方向電平信號(hào)正端接一起作為共陽端接控制系統(tǒng)的+24 V，PLC的脈沖信號(hào)接入步進(jìn)脈沖信號(hào)負(fù)端，PLC的方向信號(hào)接入方向電平信號(hào)負(fù)端。步進(jìn)控制器接受的信號(hào)轉(zhuǎn)化為光耦器件的輸入電流以達(dá)到信號(hào)可靠傳輸?shù)哪康?，如果信?hào)源電源電壓大于5 V時(shí)須在外部另加限流電阻R，以確保驅(qū)動(dòng)器輸入光耦高電平時(shí)可靠截止，低電平時(shí)有足3.0～15.0 mA的驅(qū)動(dòng)電流。

通過控制步進(jìn)電機(jī)來控制薄膜的拉伸速度、拉伸倍數(shù)和回縮倍數(shù)，通過控制X軸和Y軸的步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)同步拉伸和異步拉伸的功能，拉伸倍數(shù)可以通過絲桿的節(jié)距和齒輪減速比來計(jì)算出來，該步進(jìn)控制器的細(xì)分設(shè)置是4000步數(shù)/轉(zhuǎn)，意思是控制器發(fā)送4000個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，絲桿的節(jié)距是1 mm，減速齒輪比是1∶1，所以控制器發(fā)送4000個(gè)脈沖，則絲桿旋轉(zhuǎn)一周在軸線方向上前進(jìn)或者后退的距離是1個(gè)節(jié)距的距離，比如10個(gè)節(jié)距對(duì)應(yīng)拉伸倍數(shù)是1倍或者回縮倍數(shù)是1倍，那如果要對(duì)薄膜進(jìn)行1倍的拉伸，則通過控制器發(fā)送40000個(gè)脈沖就可以實(shí)現(xiàn)拉伸1倍的效果，這樣就可以推算出相應(yīng)的拉伸倍數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)了。

該靜態(tài)拉伸設(shè)備中通過添加限位開關(guān)來控制步進(jìn)電機(jī)的位置，限位開關(guān)接到PLC上，然后PLC接收到限位開關(guān)信號(hào)后用指令來關(guān)斷脈沖。在拉伸控制方面通過操作按鈕來調(diào)用PLC指令來實(shí)現(xiàn)位置控制，點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)用手動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)位置控制，自動(dòng)拉伸是通過在控制面板上設(shè)置好拉伸倍數(shù)和拉伸時(shí)間后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)拉伸動(dòng)作。

PLC程序設(shè)計(jì)主要采用歐姆龍?zhí)菪螆D語言進(jìn)行編程，程序中調(diào)用編寫好的邏輯控制程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和位置的控制，然后根據(jù)不同的工藝要求在觸摸屏上輸入控制順序來完成步進(jìn)電機(jī)的控制。通過PLC程序控制輸出脈沖數(shù)和脈沖頻率到步進(jìn)控制器中，完成步進(jìn)電機(jī)的位置和速度的控制。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制是通過面板上的操作按鈕來實(shí)現(xiàn)的，控制方式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

在手動(dòng)控制時(shí)，通過按X軸的點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)按鈕、X軸的點(diǎn)動(dòng)后退按鈕、Y軸的點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)按鈕、Y軸的點(diǎn)動(dòng)后退按鈕、歸零按鈕，這五個(gè)按鈕來控制對(duì)薄膜進(jìn)行拉伸或是回縮操作。如果切換到自動(dòng)控制，則在觸摸屏上設(shè)置好操作步驟，然后按啟動(dòng)按鈕后，一切動(dòng)作就按照設(shè)定好的步驟一步一步執(zhí)行，直到所有步驟執(zhí)行完成。如果在自動(dòng)執(zhí)行時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有完成所有步驟，則報(bào)警蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，這是需要及時(shí)切換到手動(dòng)控制模式下進(jìn)行控制，然后檢測(cè)和分析為什么沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所有步驟，如果發(fā)現(xiàn)問題則需要及時(shí)處理。

3 拉伸薄膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備工藝流程

（1）同溫度條件下異步拉伸工藝流程

試驗(yàn)流程：設(shè)置拉伸參數(shù)→夾樣→進(jìn)烘箱縱向拉伸→縱向拉伸完成→延時(shí)時(shí)間等待（橫向拉伸前預(yù)熱）→橫向拉伸→拉伸完成出烘箱

（2）不同溫度條件下異步拉伸工藝流程

試驗(yàn)流程：設(shè)置縱向拉伸參數(shù)→夾樣→進(jìn)烘箱縱向拉伸→縱向拉伸完成，鋏子出烘箱→設(shè)置橫向拉伸參數(shù)（溫度升/降溫）→鋏子進(jìn)烘箱橫向拉伸

（3）同溫度條件下同步拉伸工藝流程

試驗(yàn)流程：設(shè)置拉伸參數(shù)→夾樣→進(jìn)烘箱預(yù)熱→同步拉伸完成→拉伸完成出烘箱

（4）熱定型試驗(yàn)工藝流程

試驗(yàn)流程：設(shè)置拉伸溫度→樣品進(jìn)行雙向拉伸→樣品拉伸完成退出烘箱→設(shè)置定型溫度→設(shè)置定型延時(shí)時(shí)間參數(shù)、回縮速度及回縮比等參數(shù)→進(jìn)入烘箱進(jìn)行熱定型試驗(yàn)→完成熱定型試驗(yàn)。

以上是四種基本工藝流程，根據(jù)該工藝流程的思路在PLC中編寫了控制程序。比如拉伸參數(shù)，延時(shí)時(shí)間，溫度參數(shù)，拉伸順序等這些參數(shù)都可以通過觸摸屏自定義輸入。這樣就可以根據(jù)工藝要求來設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，且可以通過改變參數(shù)來實(shí)現(xiàn)各種各樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基本可以滿足工藝要求。

薄膜通過這些不同工藝條件下的實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生出不同的特性，比如雙向拉伸聚丙烯薄膜由于拉伸分子定向，所以這種薄膜的物理穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、氣密性較好，透明度和光澤度較高，堅(jiān)韌耐磨。所以我們可以通過該設(shè)備可以試制各種工藝配方的薄膜，試制成功后可以應(yīng)用到生產(chǎn)線上，可大大降低試制成本。

4 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)際使用，步進(jìn)電機(jī)可以完全滿足靜態(tài)拉伸設(shè)備的工藝要求，并且步進(jìn)電機(jī)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有累積誤差，使用維修方便，制造成本低，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載慣量的能力大等優(yōu)點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)特別適用于中小型設(shè)備和速度精度要求不高的地方。