薄膜設(shè)備張力問(wèn)題及控制方法
 

薄膜張力，是指在塑料薄膜在牽引、收卷過(guò)程中被拉緊的力。張力控制是薄膜在生產(chǎn)和加工過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，如流延生產(chǎn)、雙向拉伸、縱向拉伸、薄膜的分切、復(fù)卷、薄膜涂布復(fù)合等工藝中，都涉及到張力控制問(wèn)題。張力控制的好壞，直接影響關(guān)系到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣，若張力不足，薄膜在運(yùn)行中產(chǎn)生漂移，會(huì)出現(xiàn)收卷后成品起皺現(xiàn)象；若張力過(guò)大，薄膜又易變形甚至被拉斷。本文將為用戶介紹張力控制產(chǎn)生的原因及控制方式供參考。

薄膜張力控制波動(dòng)及原因

在薄膜生產(chǎn)加工過(guò)程中，張力產(chǎn)生波動(dòng)和變化的因素往往比較復(fù)雜，其主要影響因素大致有如下幾個(gè)方面：

①  薄膜加工設(shè)備的主要構(gòu)件如底座、墻板、牽引輥、導(dǎo)輥等的制造精度和裝配精度存在偏差。例如底座組裝的平面度和直線度，墻板與底座組裝的垂直度以及各版輥。導(dǎo)輥組裝的水平度和它們相互之間的平行度，都有十分嚴(yán)格要求，但由于各種原因，實(shí)際上總存在不同程度的誤差。加之各輥各自的跳動(dòng)量偏差，質(zhì)量動(dòng)靜平衡偏差等，運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成薄膜上的張力就會(huì)隨之發(fā)生微小變化。最終就會(huì)反映到整條生產(chǎn)線上，導(dǎo)致張力產(chǎn)生無(wú)規(guī)律變化。

②  傳動(dòng)系統(tǒng)中的各齒輪、減速箱因?yàn)闊o(wú)法做到無(wú)間隙精密傳動(dòng)，其各輥的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)由于規(guī)格、尺寸、型號(hào)的不同，會(huì)引起傳動(dòng)同步誤差，這些會(huì)使生產(chǎn)線各段的張力產(chǎn)生變化。

③  收卷過(guò)程中，收卷直徑是不斷變化的，直徑的變化必然引起薄膜張力的變化。收卷時(shí)，如果收卷力矩不變時(shí)，隨著收卷直徑增大，張力將減少。

④  薄膜原料自身的性能。如薄膜彈性模量的波動(dòng)，材料厚度、寬度、長(zhǎng)度方向變化等也會(huì)影響張力變化。

⑤  在薄膜加工中存在不停機(jī)自動(dòng)換卷過(guò)程中，翻卷和斷膜都會(huì)使整機(jī)原已穩(wěn)定的張力突然產(chǎn)生干擾變化。設(shè)備運(yùn)行速度越高，干擾就越大。

⑥  薄膜周邊環(huán)境，如生產(chǎn)環(huán)境溫度、溫度變化，空氣濕度，都會(huì)對(duì)整機(jī)的張力波動(dòng)產(chǎn)生微妙的影響。

張力控制的方法

由此可見，要獲得好的收卷效果，必須對(duì)張力進(jìn)行有效控制，而目前在機(jī)械設(shè)計(jì)中，常見的張力控制方法及其特點(diǎn)如下：

• 磁粉制動(dòng)器/磁粉離合器張力控制

工作原理是采用磁粉離合器控制輸入收卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即由張力檢測(cè)器來(lái)直接測(cè)定卷料的張力，然后把張力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后再去自動(dòng)調(diào)整磁粉離合器或制動(dòng)器的激磁電流來(lái)控制收卷的張力。

這種設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，可以正反轉(zhuǎn)，適用于張力精度要求不高的場(chǎng)合。但在這種控制形式存在以下問(wèn)題：

①  調(diào)節(jié)速度不快，難以在高速流延機(jī)上應(yīng)用；

②  張力控制精度不高，線性不夠好，控制的卷徑變化范圍不大；

③  流延生產(chǎn)線上各張力段彼此獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；

④  磁粉離合器存在發(fā)熱和磨損問(wèn)題，維修困難。

• 浮動(dòng)輥式張力控制方式

浮動(dòng)輥式張力控制方式由主要由張力控制器、氣壓控制及氣缸、擺桿。浮輥電位器、浮動(dòng)輥、牽引電機(jī)及調(diào)速器、制動(dòng)器和離合器構(gòu)成。它是一種間接的張力檢測(cè)方式，實(shí)際上是一種位置控制。工作原理是當(dāng)張力穩(wěn)定時(shí)，薄膜上的張力與氣缸作用力保持平衡，使浮輥處于中央位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，張力與氣缸作用力的平衡被破壞，浮輥位置會(huì)上升或下降，此時(shí)擺桿將繞氣缸軸頂部的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)浮輥電位器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，浮輥電位器準(zhǔn)確地檢測(cè)出浮輥位置的變化，它將以位置信號(hào)反饋給張力控制器，控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算并輸出控制信號(hào)，控制牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏。然后浮輥恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置。

由于浮輥式張力檢測(cè)裝置本身是一種儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，利用其自身的升降作用，對(duì)大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時(shí)也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對(duì)張力的影響。由于受浮動(dòng)輥?zhàn)灾丶敖Y(jié)構(gòu)的影響，它不能用于低張力及變張力的控制。浮輥型張力控制方案是一種傳動(dòng)靜電的張力控制方案，由于其成本較低，容易制作，因此在國(guó)內(nèi)被應(yīng)用比較廣泛。但浮輥式型張力控制方案也存在著一些弱點(diǎn)，如浮輥式的張力設(shè)定是靠調(diào)節(jié)氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)用中易受氣源氣壓、浮輥?zhàn)灾亍⒄{(diào)節(jié)人的認(rèn)為因素等影響。而且在小張力情況下（如小于1KG張力的PE薄膜）及張力等情況下使用效果不佳。

• 張力傳感器測(cè)控方式

張力傳感器安裝在張力檢測(cè)輥的軸承下面，將檢測(cè)到的薄膜張力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送到張力調(diào)節(jié)器中，與原設(shè)定的張力信號(hào)比較后，進(jìn)行PID計(jì)算，然后輸入收卷電機(jī)控制器，達(dá)到控制收卷輥轉(zhuǎn)速的目的。

一般收卷輥的線速度設(shè)定為牽引機(jī)輸出速度的105%～110%，實(shí)際上，由于薄膜的彈性及張力力矩的影響，收卷輥的線速度不會(huì)超過(guò)牽引機(jī)的輸出速度。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，檢測(cè)范圍寬，響應(yīng)速度快，線性好。缺點(diǎn)是不能吸收張力的峰值，機(jī)械的加速度難以處理，不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷等。因?yàn)椋?dāng)處于平衡狀態(tài)的張力控制系統(tǒng)受到較強(qiáng)的干擾時(shí)，系統(tǒng)瞬間來(lái)不及做出反應(yīng)，薄膜上張力變化的幅度值會(huì)較大，對(duì)張力控制盡快重新進(jìn)入平衡狀態(tài)不利。

• 具有張力控制的變頻器系統(tǒng)

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是取消了張力控制器，將張力控制器的各項(xiàng)功能及參數(shù)，如卷徑的計(jì)算功能，卷徑輸出，系統(tǒng)在加速、減速、停車時(shí)為克服系統(tǒng)的慣量，要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩靜態(tài)及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；斷膜報(bào)警功能；系統(tǒng)急停時(shí)有效地防止系統(tǒng)“飛車”功能等。全部?jī)?nèi)置于變頻器種，用變頻器做張力控制器，使得整個(gè)過(guò)程的張力很穩(wěn)定。

• 全自動(dòng)張力伺服控制系統(tǒng)

目前在國(guó)內(nèi)外制造和銷售的中、高檔薄膜生產(chǎn)線張力控制系統(tǒng)中，由于更高的生產(chǎn)速度及生產(chǎn)工藝對(duì)張力控制提出了更高的要求，使得磁粉離合器已不能勝任該類系統(tǒng)的執(zhí)行單元。因此在現(xiàn)在流延機(jī)、高速分切機(jī)、高速涂布復(fù)合機(jī)中已被交、直流伺服電機(jī)執(zhí)行單元所取代，實(shí)現(xiàn)了更加先進(jìn)的張力伺服控制。該系統(tǒng)由PLC可編程控制器對(duì)整機(jī)張力進(jìn)行控制，采用LCD彩色大屏幕觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面通信。可對(duì)張力控制的速度、張力、卷徑等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、顯示、修改。系統(tǒng)控制精度高，反應(yīng)快，穩(wěn)定性好。操作人員可在機(jī)器的任何部位進(jìn)行啟動(dòng)、加速、減速或停止操作，操作非常便利。在放卷、收卷墻板上除裝有張力控制操作箱外，還裝有整臺(tái)機(jī)器啟動(dòng)、停止及緊急停止開關(guān)。由于采用交流伺服電機(jī)牽引、收卷，控制的速度范圍較寬，無(wú)論在低速還是高速都具有良好的性能，可實(shí)現(xiàn)錐度張力控制，精度高，效果好。另外還包括高速不停機(jī)全自動(dòng)接料及斷膜，收、放卷預(yù)驅(qū)動(dòng)，安全自動(dòng)報(bào)警及長(zhǎng)度自動(dòng)技術(shù)和顯示控制功能等。

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